AFMBR处理海水养殖废水性能及膜污染特性王芳

中国环境科学2018,38(5)：1760~1766ChinaEnvironmentalScienceAF-MBR处理海水养殖废水性能及膜污染特性王芳1,李之鹏1,徐仲1*,尤宏1,2,宋伟龙2,肖松阳3(1.哈尔滨工业大学(威海)海洋科学与技术学院环境工程系,山东威海264200；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院环境科学与工程系,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090；3.黑龙江省大庆油田矿区服务事业部安全环保处,黑龙江大庆163000)摘要：为了考察缺氧滤池-膜生物反应器(AF-MBR)对海水养殖废水的处理效果,在膜生物反应器中投加聚氨酯悬浮性填料,并以独立运行的膜生物反应器作为对照.结果表明,组合反应系统的总氮去除率和总有机碳(TOC)去除率分别为92%和90%,高于对照膜生物反应器的86%和85%.并且,前置缺氧滤池和填料的投加也明显缓解了膜污染.通过对两个反应器提取的溶解性微生物产物(SMP)和细胞胞外聚合物(EPS)进行红外光谱和三维荧光光谱的测定,确定了蛋白质和多糖为主要的膜污染物质,并且膜污染物质的减少缓解了膜污染现象.关键词：膜生物反应器(MBR)；去除率；膜污染；溶解性微生物产物(SMP)；细胞胞外聚合物(EPS)中图分类号：X55文献标识码：A文章编号：1000-6923(2018)05-1760-07StudiesonthenitrogenremovalperformanceandmembranefoulingcharacteristicsofAF-MBRformariculturewastewatertreatment.WANGFang1,LIZhi-peng1,XUZhong1*,YOUHong1,2,SONGWei-long2,XIAOSong-yang3(1.SchoolofMarineScienceandTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Weihai264200,China；2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China；3.DepartmentofSecurityandEnvironmentalProtection,DepartmentofHeilongjiangDaqingOilfieldMiningService,Daqing163000,China).ChinaEnvironmentalScience,2018,38(5)：1760~1766Abstract：Inordertoinvestigatethepollutantsremovalefficienciesfortheanoxic-filtermembranebioreactor(AF-MBR)treatingmariculturewastewater,polyurethanesuspendedfillerwasaddedintothemembranebioreactorincontrastwithasinglemembranebioreactor.ThetotalnitrogenandTOCremovalefficienciesinAF-MBRreached92%and90%,respectively,whichwerehigherthan86%and85%incontrol-MBR,respectively.Inaddition,theprepositionedanoxic-filterandtheaddedfillerssignificantlyalleviatedthemembranefouling.Thesolublemicrobialproducts(SMP)andextracellularpolymers(EPS)extractedfromtworeactorswereanalyzedbytheinfraredspectrumandthree-dimensionalfluorescencespectra,andproteinandpolysaccharidewerethemainmembranefoulants.Moreover,thereductionofmembranefoulantsmitigatedthemembranefouling.Keywords：membranebioreactor；removalrate；membranefouling；solublemicrobialproducts(SMP)；extracellularpolymers(EPS)近年来,由于世界人口的增长和对海产品的需求不断上涨,海水养殖业得到了迅速的发展,也因此产生了大量的海水养殖废水[1].海水养殖废水主要由悬浮性固体、含氮化合物和有机物组成[2],当未经处理的海水养殖废水排放到附近的海域时,会造成水华、海水富营养化等一系列生态问题.又由于海水本身较高的盐度及海水养殖废水污染结构的特殊性,给海水养殖废水的处理带来了更大的难度[3].膜生物反应器(MBR)作为生物处理法的一种,具有生物处理和膜分离的双重特点[4],相对于传统的活性污泥法,具有出水水质好、自动化程度高、占地面积小等优点[5],已经成为了21世纪最有前景的污水处理技术之一[6].张捍民等[7]研究表明利用A2/O-MBR反应系统处理模拟生活污水,具有很好的脱氮效果.然而,膜污染仍然是制约膜技术广泛应用的主要障碍[8].一旦膜污染收稿日期：2017-09-22基金项目：国家自然科学基金资助项目(51408158)*责任作者,副教授,[e-mail]:10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2018.02055期王芳等：AF-MBR处理海水养殖废水性能及膜污染特性1761现象出现,就会造成系统运行的中断,提高膜维护和清洗的费用,同时还会降低膜组件的使用寿命[9].造成膜污染的因素众多,包括反应器的运行条件(溶解氧浓度、水力停留时间)、污泥混合液的性质、膜材料、膜孔径等[10].基于在海水高盐环境下如何提高总氮的去除率并有效缓解膜污染的问题,本实验搭建了缺氧滤池-膜生物反应器(AF-MBR)的耦合实验装置,同时设置一套独立运行的MBR作为对照,考查了AF-MBR对模拟海水养殖废水的处理效果及其膜污染情况,以期为海水养殖废水的处理提供参考.1材料与方法1.1AF-MBR工艺装置本实验共有2套实验装置,分别记为对照MBR系统和AF-MBR系统.AF-MBR系统膜生物反应器中污泥混合液部分回流至缺氧滤池,回流比为2.5,见图1.图1AF-MBR与对照MBR反应器示意Fig.1SchematicdiagramofAF-MBRandcontrol-MBR1.原水箱;2.膜组件;3.出水泵;4.回流泵;5.曝气泵;6.纤维丝填料;7.聚氨酯填料MBR中内置一组膜组件,膜孔径为0.03um,总膜面积为0.2m2;AF内置三组纤维填料,各反应器尺寸均为30cm×25cm×17cm,有效容积均为11L.其中,AF-MBR反应器中投加一定量的聚氨酯填料.两个生物反应器底部均设有两组微孔曝气器,在运行期间进行连续曝气,膜生物反应器中液面高度由液位继电器保持,反应器内的污泥混合液在蠕动泵的抽吸作用下经膜过滤出水,蠕动泵由时间继电器控制并采用开8min、停2min的间歇运行方式.通过真空压力表反应膜组件的污染情况,当膜过滤压差达到30kPa时,将膜组件取出进行清洗.1.2废水水质情况本实验所用废水为模拟海水养殖废水,主要成分为可溶性淀粉、NH4Cl、KH2PO4、K2HPO4和NaHCO3,所用海水取自山东省威海市环翠区小石岛,属于我国海域分区中的黄海海域.表1为投加的营养物质的浓度.表1营养物质的浓度Table1Thenutrientsubstancesconcentration项目浓度(mg/L)可溶性淀粉600NH4Cl191KH2PO411K2HPO442NaHCO310001.3SMP和EPS的提取与测定取50mL污泥混合液于4000r/min的转速下离心5min,取上清液经0.45um的醋酸纤维滤膜过滤后,所得滤液即为溶解性微生物产物(SMP).取50mL污泥混合液于4000r/min的转速下离心5min,移去上清液,加去离子水至50mL,在80℃的水浴锅中加热30min,再在4000r/min的转速下离心5min,取上清液经0.45um的醋酸纤维滤膜过滤后,所得滤液即为微生物胞外聚合物(EPS).SMP和EPS均由蛋白质和多糖组成,测定其中蛋白质和多糖的含量,相加即为SMP或EPS的含量.1.4分析方法实验需要测定的常规水质指标主要包括总有机碳(TOC),总氮(TN),分别采用TOC测定仪和碱性过硫酸钾消解分光光度法[11]进行测试.蛋白质采用Folin-酚分光光度法[12]测定,多糖的含量采用苯酚-硫酸法[13]测定.为减小实验误差,测定1762中国环境科学38卷过程设置3个平行实验组.膜污染一般由膜过滤过程中的污泥阻力来表示,本实验中采用记录跨膜压差(TMP)的变化来反应膜污染情况,TMP直接由压力表读取.将定期从反应器中提取的SMP和EPS放入蒸发皿中,于60℃下在烘箱中放置48h,进行红外光谱(FTIR)分析获得膜污染物质中主要物质官能团的信息.在实验中对从反应器中定期提取的SMP和EPS进行三维荧光光谱分析,激发光波长范围为220~450nm,步长10nm,发射光波长范围为220~600nm,步长10nm,扫描速度为1500nm/min.所得结果利用Origin8.0软件进行分析.2结果与讨论2.1AF-MBR去除有机物及脱氮效果两套反应系统对有机物的去除率均在80%~90%之间,组合工艺的处理效果稍高于对照MBR,如图2所示.基于MBR自身所具有的污泥浓度高、膜的拦截作用等特点,所以两套反应系统对有机物的去除率较高.Mannian等[14]考察在盐度逐渐增加的情况下,序批式MBR对污水的处理效果,发现盐度从2g/L增加到10g/L时,COD的去除率维持在90%左右.因此,当MBR系统内的微生物适应了高盐的生长环境,依然可以实现对有机物的高效去除,在本实验中增加悬浮性的填料只能使有机物的去除率得到略小的提升.051015202530050100150200250300350400TOC浓度(mg/L)TOC去除率(%)时间(d)进水TOCAF-MBR出水TOC对照MBR出水TOCAF-MBR去除率MBR去除率020406080100图2AF-MBR与对照MBR的TOC去除率Fig.2TOCremovalefficiencyofAF-MBRandcontrol-MBR0510152025300102030405060708090100总氮去除率(%)时间(d)AF-MBR对照MBR图3AF-MBR与对照MBR的总氮去除率Fig.3TotalnitrogenremovalefficiencyofAF-MBRandcontrol-MBR0510152025303505101520253035跨膜压差(kPa)时间(d)MBR对照AF-MBR图4AF-MBR与对照MBR的TMP变化Fig.4TMPvariationsofAF-MBRandcontrol-MBR总氮去除率是考察反应器处理效果的一个主要指标,从图3可以看出,对照MBR和AF-MBR的总氮去除率分别在80%和92%左右.由于废水处理系统及参数、处理水质的不同,得到的处理效果也存在很大的差异,但处理海水养殖废水能达到这样高的总氮去除率在国内外的研究中并不多见.范美霖等[15]构建了生物强化的MBR-AF短程硝化反硝化工艺,考察该工艺对高氨氮废水的处理效果