膜生物反应器处理微污染水源水的研究与应用现状

膜生物反应器及其组合工艺能实现水源水中微污染物的有效去除,是一种新型高效水处理工艺.总结了膜生物反应器处理微污染水源水的研究与应用现状、污染物去除效果和机制;在分析膜污染机制基础上归纳了膜污染控制和污染膜清洗方式,展望了膜生物反应器在给水领域应用需克服解决的技术难点.     

有机物性质对混凝-微滤-纳滤去除水中重金属的影响

为了探明有机物性质对混凝-微滤-纳滤去除水中重金属的影响,将腐殖酸和乙酸分别作为背景有机物,系统考察了组合工艺对镉(Cd)、铜(Cu)、镍(Ni)和锌(Zn)的去除效能及其膜通量变化过程,并通过物料衡算对4种重金属的去除行为进行了比较分析。结果表明,当原水中不含有机物时,Cu的截留率最高,达到97%以上,纳滤膜是去除其他3种重金属的主要步骤。随着原水中腐殖酸含量的增大,混凝-微滤阶段对重金属的截留能力显著增强,膜通量衰减速度加快。相反地,乙酸的存在对于组合工艺处理效能具有明显的负面效应。此时,重金属既不能被铝盐絮体有效吸附,也不能通过静电作用截留在NF膜表面。4种重金属在滤液和浓水中的回收率Rrec都超过了80%,膜通量的变化与处理无机重金属溶液时相近。     

BPAC-UF对二级出水中抗生素抗性基因的去除及膜污染缓解机制

采用生物粉末活性炭(BPAC)-超滤(UF)组合工艺去除控制二级出水中抗生素抗性基因(ARGs),并对ARGs的去除和BPAC缓解膜污染机制进行了探讨。结果表明：与直接超滤工艺相比,组合工艺对水中四环素类抗性基因(tetA、tetW)、磺胺类抗性基因(sul Ⅰ、sul Ⅱ)以及溶解性有机碳(DOC)的去除效果均有较大的改善,这主要是由于BPAC对ARGs的吸附降解作用所致;水中16S rDNA、int Ⅰ 1和DOC含量与不同种类ARGs浓度具有显著相关性,强化上述指标的去除可有效促进ARGs的削减;在BPAC投加量较低时,组合工艺的膜比通量较直接UF有所提高,膜污染状况明显改善;直接UF时,膜污染状况与滤饼层过滤模型的拟合度最好,而组合工艺的膜污染状况与标准膜孔堵塞模型和滤饼层过滤模型拟合度均较好。BPAC-UF组合工艺是一种较好的去除ARGs的工艺。     

苦咸水脱盐的纳滤技术的研究

着重考察纳滤装置对苦咸水中Cl-、Mg2+、Ca2+的去除作用以及影响纳滤膜工作的因素。结果表明:(1)0.60MPa为纳滤膜最佳的操作压力;(2)温度对产水通量和离子去除率有很大影响,宜控制在20℃;(3)纳滤膜运行周期为12h,影响纳滤膜产水通量的主要因素是苦咸水中的部分离子结垢;(4)纳滤膜对苦咸水中的Ca2+的去除率为90%,Mg2+的去除率为78%,Cl-的去除率为44%,可见纳滤膜对不同价态离子的去除效果不同,对二价和高价离子的去除率明显高于一价离子;(5)纳滤膜的酸洗效果远好于碱洗,同时酸洗可去除膜表面的无机盐离子且不会破坏纳滤膜的产水性能。     

基于纯膜MBBR的紧凑型污水处理BFM中试基质转化特性

为研究纯膜MBBR工艺用于国内北方市政污水的处理效果,采用基于两级AO纯膜MBBR耦合改良磁加载沉淀的BFM中试系统处理北方某污水厂进水,同步对比污水处理厂活性污泥系统处理效果。同时,为了完善工艺设计标准,研究了BFM工艺基质转化关系,并通过微生物高通量测序的方式分析了系统菌群组成及功能菌相对丰度,从微观层面解释了宏观运行效果。结果表明,从处理效果上看,BFM中试在出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准的基础上,系统HRT为7.76 h,仅为相同进水条件下污水处理厂活性污泥系统HRT的30%,节地优势明显;在进水重金属冲击下,BFM中试系统受到的影响更小,恢复时间更短,体现出较强的抗冲击特性;从基质转化关系上看,BFM系统生化段通过同化除磷可去除19.61%的STP,其余TP通过M段化学除磷去除,核算除磷所需Al/P为2.12,较污水处理厂二沉池化学除磷所需Al/P(4.35)明显降低,除磷效率高,药剂投加量省;从微观层面上看,成熟后的BFM系统前好氧区生物膜厚度为(345.78±74.81) μm,高于污水处理厂活性污泥系统好氧区生物膜厚度(228.83±66.27) μm,显示出纯膜MBBR生物膜生物量更大;高通量测序结果表明,纯膜MBBR极大的强化了对于功能菌的富集效率,Nitrospira在好氧生物膜中相对丰度达到15.62%~22.30%,核算硝化菌生物量达到(1.13±0.21) g·L⁻¹,显著高于对比的活性污泥系统。上述研究结果表明,BFM工艺在保证稳定处理效果的基础上,节地效果突出,且化学除磷效率高,运行成本相比传统工艺无明显增加,该工艺可用于紧凑型污水处理厂建设。     

浸没式膜-生物反应器膜面污染物性质研究

研究了浸没式平板膜-生物反应器冬季运行时的膜污染状况.结果表明,出水COD稳定,但出现了亚硝酸盐积累,总氮的去除不是很理想.凝胶过滤色谱测定结果发现,O段混合液经0.45 靘滤膜过滤的滤液和膜面污染物含有重均分子量千万级以上的大分子物质,而进水中并无此类物质.环境扫描电镜和能谱分析表明,膜面无机污染物的阳离子主要包括Na、Mg、Al、Si、K、Ca和Fe.傅立叶红外光谱分析证明,膜面有机污染物主要是多糖和蛋白质等物质,而且胞外聚合物可能是造成膜面污染的主要物质之一.     

SPG膜微气泡曝气生物膜反应器运行性能——空气通量的影响

空气通量是影响SPG膜微气泡曝气生物膜反应器运行性能的重要参数。在不同空气通量条件下,考察了微气泡产生特性及氧传质特性,以及SPG膜微气泡曝气生物膜反应器运行性能。结果表明,当空气通量由31.85 L/（min·m2）降低至12.74 L/（min·m2）时,产生的微气泡平均直径由62.9 μm减小到32.6 μm,氧传质系数由0.31 min-1降低至0.19 min-1,但氧传质效率由67.7%提高至90.3%。生物膜反应器DO浓度随空气通量的降低而下降,导致生物膜好氧代谢活性下降,进而COD和氨氮去除效率降低;同时,在较低DO浓度下,可实现同步硝化反硝化过程去除TN。随着空气通量的降低,生物膜反应器氧利用率增加,空气通量为12.74 L/（min·m2）时,可接近100%;同时,曝气能耗降低,在相同条件下能耗低于传统大气泡曝气。     

序批式膜生物反应器(SMBR)处理生活污水的研究

实验模拟生活污水,考察了连续式膜生物反应器(continuous membrane bioreactor,CMBR)和序批式膜生物反器(sequencing batch membrane bioreactor,SMBR)的膜污染和污染物去除效果.结果表明CMBR和SMBR出水COD的平均浓度分别为15.42 mg/L和...     

碱-柠檬酸改性木膜对四环素的吸附性能

含羧基(—COOH)的无毒柠檬酸(citric acid, CA)改性木膜(wood membranes, WMs)在水处理领域具有广阔的应用前景。然而,由于木质纤维素的结构特点,—COOH很难引入木膜壁内。对木膜进行不同浓度NaOH的预处理,再与柠檬酸进行酯化反应,用于吸附水中的四环素(tetracycline, TC)。通过碱液预处理,有利于CA与木质纤维素的酯化反应,使得木膜的—COOH含量大幅地提高。TC吸附曲线表明,当碱浓度为6% 以及TC出水浓度为0.5 mg·L⁻¹时,改性木膜的有效过滤体积为1 968 BV(bed volume, BV),比未改性木膜的吸附率提高了约48倍;在4次循环后改性木膜对TC的吸附率也可达97%。当出水浓度为0~0.5 mg·L⁻¹时,水处理成本为0.036 0~0.083 25 元·m⁻³。因此,改性木膜在去除水中TC方面具有很好的应用前景。以上研究结果可为解决木膜应用中的关键局限性,设计具有环境友好、经济和有效的环境修复膜材料提供参考。     

平板膜-生物反应器净化微污染水源水的研究

利用平板膜-生物反应器恒流运行处理微污染水源水,考察通量为18、25及30 L/m2·h时其运行特性及有机物和氨氮的去除效果.结果表明:3个工况对COD的去除率分别为78.7%、76.9%和80.4%,出水COD低于15 mg/L;3个工况对NH4 -N的去除率分别为90.4%、87.4%和92.8%,出水NH4 -N低于0.5 mg/L;3个工况对UV254的去除率分别为27.5%、28.2%和48.1%.胞外聚合物(EPS)的研究结果表明,其与膜污染之间并没有显著关系,运行通量的选择是影响膜污染和操作运行的一个重要原因.     

膜强化污水病毒去除效能：厌氧和好氧膜生物反应器的对比

城市污水处理系统作为人类生活排水的主要收纳者,是人类肠道病毒的重要储存库,也是肠道病毒进入水环境的重要途径。膜生物反应器在保证出水水质稳定的前提下,同时强化了污水中病毒的削减。但是,目前对好氧(aerobic membrane bioreactors, AeMBR)和厌氧(anaerobic membrane bioreactors, AnMBR)膜生物反应器在削减病毒效能和机制方面的差异了解较少。基于此,本研究对比了AeMBR和AnMBR在同一工况下对城市污水中病毒的去除效能,并探究了污泥吸附病毒,病毒在污泥混合液中的灭活及膜污染对病毒截留的差异。结果表明,AeMBR和AnMBR对城市污水中的病毒去除效率均能达到3 log,但在去除机制上存在差异。AeMBR对病毒的去除率在反应器运行初期迅速上升至2 log,而AnMBR对病毒的去除率随着膜污染的加剧而提高,且和TMP有显著相关性(r=0.81,P<0.05)。厌氧污泥的病毒吸附能力高于好氧污泥,而好氧污泥混合液中病毒的灭活速率高于厌氧污泥混合液。泥饼层是膜生物反应器的膜污染组分中截留病毒的主要贡献者。以单位膜阻力对病毒截留效率为计算依据,AeMBR的膜污染各组分中不可逆污染和原始膜的单位膜阻力对病毒截留效率最大,AnMBR的膜污染的孔道有机污堵物的单位膜阻力对病毒截留效率最大。     

一体式MFC-好氧MBR运行效果及膜污染特性

膜生物反应器(MBR)是一种高效的污水处理工艺,而微生物燃料电池(MFC)能利用NO-3作为电子受体进行脱氮。为解决膜生物反应器(MBR)脱氮效率低和膜污染问题,建立了一套能够进行脱氮、有效抑制膜污染的一体式MFC-好氧MBR新工艺。以开路MFC-MBR反应器为对照,对耦合系统中污水处理效果、膜污染情况进行研究。研究表明,2套系统的COD去除率均超过88%,对NH4-N的去除均达到99%。闭路MFC-MBR系统TN去除率达到69.4%,高于开路系统的55.3%。混合液的MLVSS/MLSS稳定在88%左右,同时耦合系统能够改善污泥混合液的性质,zeta电位的绝对值和粘度较开路系统有所减少,污泥颗粒平均体积粒径(233.482μm)较开路系统(94.877μm)有明显增加,膜清洗周期延长了41.17%。     

填料添加方式对MBR运行稳定性及膜污染特征的影响

为提高MBR的去除性能并延缓膜污染,采用复合型悬浮生物膜强化膜生物反应器(hybrid suspended biofilm enhanced membrane bioreactor, HSBE-MBR)处理生物制药废水,考察了填料添加方式对HSBE-MBR中典型污染物的去除特征、运行稳定性及膜污染特征的影响,并分析了膜污染机理。结果表明：缺氧区和好氧区添加填料时(工况1),TCOD、${{\rm{NH}}_4^ + }$-N和TN平均去除率分别为91.61%、97.08%和79.40%;缺氧区、好氧区及膜区添加填料时(工况2),TCOD、${{\rm{NH}}_4^ + }$-N和TN平均去除率分别为91.09%、97.24%和83.66%。在上述2种工况下,HSBE-MBR对TCOD、${{\rm{NH}}_4^ +} $-N和TN均具有良好的去除性能,且运行稳定性良好,工况2中TN去除率提高了4.26%。在工况1下,膜运行时间为0.02~8.17 d;在工况2下,膜运行时间为0.26~138 d。2种工况下的膜污染机理均以滤饼层污染为主,滤饼层阻力占比分别为94.7%和90.1%;膜区添加填料能够减缓膜表面滤饼层的形成,使滤饼层阻力降低8.07%;同时,混合液中溶解性微生物代谢产物(soluble microbial products, SMP)、松散结合EPS (loosely bound-EPS, LB-EPS)和紧密结合EPS (tightly bound-EPS, TB-EPS)浓度分别由(63.70±12.95)、(13.97±2.03)和(153.82±12.64) mg·g⁻¹(工况1)降低为(31.77±3.17)、(9.11±0.40)和(78.12±18.92) mg·g⁻¹(工况2)。粒度分布测定结果表明,膜区添加填料后,污泥平均粒径从31.35 μm(工况1)增大至34.71 μm(工况2)。根据污染物去除特征及膜污染特征,确定最优添加方式为在缺氧区、好氧区和膜区添加填料。上述研究结果可为提高MBR运行稳定性并改善膜污染提供参考。     

高膜通量厌氧微网生物反应器处理生活污水的研究

将动态膜技术与厌氧膜生物反应器相结合,形成一体式厌氧微网生物反应器(AnFBR),用于城市生活污水的处理,研究了在高膜通量条件下,AnFBR的运行情况和对生活污水的处理效果。结果表明,AnFBR在膜通量为72 L/(m2.h)条件下可连续稳定运行40 d;系统对COD平均去除率为58.4%,对TN和NH3-N有一定的去除效果;出水SS最高为15.0 mg/L,出水中污染物粒径在10μm以下;微网动态膜对小分子物质的截留量不高,但对分子量大于1 000 kU的物质有明显的截留效果,进水中的大部分大分子物质被转化为小分子物质;AnFBR在保留了泥水分离特点的情况下还具有结构简单、膜通量高、微网过滤周期长等优点。     

膜蒸馏去除水中砷的研究

采用新型膜蒸馏技术对水中As（III）与As（Ⅴ）的去除展开了研究。实验结果表明,膜蒸馏对水中As (III)及As (Ⅴ)具有较高的去除能力：当产水中砷含量超过10 μg/L时,原水中As (III)与As (Ⅴ)的浓度可分别高达40 mg/L和2 000 mg/L。局部润湿现象的存在导致As (III)及As (Ⅴ)跨膜至产水侧,PVDF微孔膜在溶液中的负电性以及As (III)与 As (Ⅴ)在溶液中存在形式的不同导致膜蒸馏对两者去除能力的差异。360 h连续运行过程中产水通量及电导率稳定,且整个过程中As (III)均低于检测限,说明PVDF微孔膜具有良好的疏水性和稳定的除砷性能。     

Cu-NWs/RGO/PVDF导电微滤膜的制备及其抗污染性能

将铜纳米线(Cu-NWs)和还原氧化石墨烯(RGO)作为添加剂,通过相转化法制备了具有高亲水性和高导电性的Cu-NWs/RGO/PVDF导电微滤膜,将其作为膜阴极放入MFC-MBR耦合系统中且连续运行120 d,研究了其对生活污水的处理效果及抗污染性能。结果表明,Cu-NWs/RGO/PVDF膜与水的界面作用自由能为28.49 mJ·m⁻²,欧姆内阻和活化内阻分别为1.18 Ω和2.82 Ω,说明其具备优良的亲水性和导电性。与对照系统(C-MBR)相比,MFC-MBR耦合系统出水水质更优,系统中SMP和LB-EPS含量更低,膜污染速率更低。利用XDLVO理论结合表面元素集合法对MFC-MBR耦合系统中膜污染机理进行了分析,发现MFC-MBR系统中膜与SMP、LB-EPS和污泥絮体之间的相互作用能更低,从而降低了膜污染速率。     

2种填料作为生物膜载体修复微污染河水的比较

采用序批式生物反应器(SBBR),在水温为(19.0±1.5)℃,DO≥4.5 mg/L条件下,比较基于2种生物膜填料(竹丝和空心塑料球)上的微生物对微污染河水中高锰酸钾指数(COD Mn)、总氮(TN)和总磷(TP)等的去除效果。结果表明,经过4 h的运行,竹丝作为生物膜载体时,COD Mn、TN的去除分别为17.5%~48.8%和49.38%~70.93%,但TP的去除效果不明显;而基于空心塑料球的生物膜对COD Mn的去除率仅为2.4%~42%,对TN和TP去除效果均不明显。通过显微分析发现,基于竹丝填料生物载体上微生物种类、数量明显多于空心塑料球。     

微絮凝-超滤-膜系统深度处理印染废水

针对二级处理后达标排放的印染废水,采用微絮凝-超滤-膜系统组合工艺深度处理,研究了超滤对污染物的去除效果以及对后续膜系统运行的影响。结果表明,超滤可以有效地去除废水中的浊度,去除率高达98.5%,对COD、色度和总溶解固体(TDS)也有一定的去除率,分别为17%、10%以下和5%;超滤的运用可以大大延长后续膜系统的化学清洗周期,间接提升膜系统产水总量,产水水质符合印染生产要求,成本仅为1.8元/t,整套工艺具有较好的应用前景。     

磺胺嘧啶对纯膜MBBR氨氧化性能及氨氧化菌群的影响

通过向NH₄⁺-N质量浓度为30 mg·L⁻¹的合成废水中投加不同剂量磺胺嘧啶(SDZ)(0、1、3、5、7和10 mg·L^–1),比较了SDZ浓度对一台60 L单级纯膜移动床生物膜反应器(pure MBBR)的氨氧化速率、amoA基因丰度和氨氧化细菌(AOB)种群结构的影响,揭示了磺胺嘧啶对纯膜MBBR系统中氨氧化作用的影响机制。结果表明：1~3 mg·L^–1的SDZ显著提升了纯膜MBBR系统的氨氧化速率(P<0.05),出水${\rm{NH}}_4^{+} $-N质量浓度可降低至(0.19±0.10) mg·L^–1;5~10 mg·L^–1的SDZ仍能促进${\rm{NH}}_4^{+} $-N去除,但氨氧化速率变化相对平缓。相比于氨氧化古菌(AOA),AOB为纯膜MBBR氨氧化的主导者,AOB amoA基因丰度是AOA amoA基因丰度的12.2~168.5倍。1~10 mg·L^–1的磺胺嘧啶暴露显著抑制了AOB amoA基因丰度(P<0.05),但能有效刺激AOA amoA基因丰度上调(P<0.05)。高通量测序结果表明,添加磺胺嘧啶改变了AOB的种群多样性及结构,且1~3 mg·L^–1的SDZ能显著促进AOB种群多样化和亚硝化螺菌属(Nitrosospira)生长(P<0.05)。SDZ对氮源的补充、对AOB与AOA丰度占比的改变、对微生物耐药性的促进以及对AOB种群结构的干扰是其影响纯膜MBBR氨氧化过程的主要机制。     

颗粒物对无电压作用下离子交换膜分离去除铜离子的影响

在无外加电压条件下研究了颗粒物对阳离子交换膜分离去除铜离子效果的影响。选用硅酸、二氧化硅、氧化铝和水杨酸等4种物质作为颗粒物分别进行实验,其添加量均为50 mg/L。Cu2+及其补偿离子K+的浓度分别为0.0787mmol/L(5 mg/L)和0.787 mmol/L,水温为25±1℃,搅拌强度为600 r/min,水力停留时间为12 h。在所述实验条件下运行96 h后,水中无颗粒物干扰时,铜离子去除率为84%;水中存在带负电荷颗粒物(硅酸)和不带电荷颗粒物(二氧化硅和氧化铝)时,铜离子去除率略为下降至81%;而当水中存在带正电荷颗粒物(水杨酸)时,铜离子的去除率进一步下降为79%。研究结果表明带正电荷颗粒物对铜离子的交换去除影响较带负电荷或不带电荷颗粒物大,因为带正电荷颗粒物更易迁移至阳离子交换膜表面甚至进入膜内,并与膜表或膜内离子交换基团结合,从而导致铜离子交换去除明显下降。