Thermodynamic prediction and experimental investigation of short-term dynamic membrane formation in dynamic membrane bioreactors: Effects of sludge properties

In dynamic membrane bioreactors(DMBRs), a dynamic membrane(DM) forms on a support material to act as the separation membrane for solids and liquids. In this study, batch filtration tests were carried out in a DMBR using nylon mesh(25 μm) as support material to filtrate sludge suspensions of variable properties from three different sources to evaluate the effects on the short-term DM formation process(within 240 min). Furthermore, the extended Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek(XDLVO) theory was applied to analyze the sludge adhesion and cohesion behaviors on the mesh surface to predict quantitative parameters of the short-term DM formation process(including initial formation and maturation stage). The filtration results showed that the order of the initial DM formation time(permeate turbidity 1 NTU as an indicator) was as follows: sludge with poor settleability and dewaterability normal sludge sludge with poor flocculability. Moreover, normal sludge(regarding settleability, dewaterability,flocculability, and extracellular polymeric substance) showed a more acceptable DM formation performance(short DM formation time, low permeate turbidity, and high permeate flux) than sludge with poor settleability, dewaterability and flocculability. The influence of sludge properties on the initial DM formation time corroborates the prediction of sludge adhesion behaviors by XDLVO theory. Additionally, the XDLVO calculation results showed that acid–based interaction, energy barrier, and secondary energy minimum were important determinants of the sludge adhesion and cohesion behaviors. Therefore, short-term DM formation process may be enhanced to achieve stable long-term DMBR operation through positive modification of the sludge properties.     

Dynamic membrane bioreactor performance enhancement by powdered activated carbon addition: Evaluation of sludge morphological, aggregative and microbial properties

The effects of powdered activated carbon(PAC) addition on sludge morphological, aggregative and microbial properties in a dynamic membrane bioreactor(DMBR) were investigated to explore the enhancement mechanism of pollutants removal and filtration performance. Sludge properties were analyzed through various analytical measurements. The results showed that the improved sludge aggregation ability and the evolution of microbial communities affected sludge morphology in PAC-DMBR, as evidenced by the formation of large, regularly shaped and strengthened sludge flocs. The modifications of sludge characteristics promoted the formation process and filtration flux of the dynamic membrane(DM) layer. Additionally, PAC addition did not exert very significant influence on the propagation of eukaryotes(protists and metazoans)and microbial metabolic activity. High-throughput pyrosequencing results indicated that adding PAC improved the bacterial diversity in activated sludge, as PAC addition brought about additional microenvironment in the form of biological PAC(BPAC), which promoted the enrichment of Acinetobacter(13.9%), Comamonas(2.9%), Flavobacterium(0.31%) and Pseudomonas(0.62%), all contributing to sludge flocs formation and several(such as Acinetobacter) capable of biodegrading relatively complex organics. Therefore, PAC addition could favorably modify sludge properties from various aspects and thus enhance the DMBR performance.     

高浓度液晶废水处理研究

针对某化工厂液晶中间体生产废水,采用Fenton预处理+水解酸化+好氧+超滤反渗透工艺进行处理,发现Fenton技术具有良好的预处理效果,对COD的去除率在50%左右,且废水可生化性从原水的0.05提高至0.38,经过水解酸化及好氧单元的降解,废水ρ(COD)可降至150~200 mg/L,再通过超滤反渗透膜处理,COD浓度可降至50mg/L以下,达到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用—工业用水水质》要求,出水可用作稀释水或厂内冷却用水。膜浓水通过自主研发的强化蒸发装置处理,可实现废水不外排。采用该工艺对厂内实际生产废水进行现场调试运行,处理规模为5 m~3/d,原水初始pH值为2.0~4.5,ρ(COD)为7 000~10 000 mg/L。稳定运行后,生化段出水pH值为7.5~8.0;ρ(COD)为150~200 mg/L,膜处理后ρ(COD)<50 mg/L,证明运行稳定可靠。     

不同填料对大肠杆菌去除能力的研究

针对丘陵农村地区水质恶化、经济基础差及污水处理能力有限的状况,目前一般采用人工湿地和自然沟渠综合措施处理生活污水,但迄今仍缺乏针对水体病原菌污染的自然生态去除技术研究。为了筛选适宜去除病原菌的人工湿地填料,选用林地土、旱地土、水稻土、生物炭、无烟煤、沸石和石英7种填料,测定不同填料对大肠杆菌的去除能力,并通过在旱地土添加不同比例生物炭(0%、2%、5%、10%、20%、50%),探讨基于大肠杆菌去除容量与去除成本的旱地土与生物炭颗粒物复合物最佳比例。结果表明:不同填料介质生活污水大肠杆菌去除能力由强到弱依次为生物炭>无烟煤>水稻土>旱地土>林地土>沸石>石英;添加生物炭可增大湿地土壤孔隙度,有效提高单位时间内渗滤污水速率,及大肠杆菌的去除率,特别对大肠埃希氏菌去除效果更加明显;生物炭添加可延迟填料到达吸附饱和的时间,有效增加人工湿地处理容量。综合考虑大肠杆菌去除效率和生物炭添加成本等因素,人工湿地生物炭最优添加比例为20%。     

跨膜压差和膜面流速对磁絮凝延缓陶瓷微滤膜通量衰减的影响

为克服陶瓷微滤膜净化微污染水体时产水量不高、通量衰减迅速的难题,采用磁絮凝预处理工艺延缓陶瓷膜的污染。对比了磁絮凝预处理与传统絮凝预处理对陶瓷微滤膜膜污染的影响,结果显示:磁絮凝预处理后陶瓷膜的稳定产水量高于传统絮凝预处理,验证了磁絮凝预处理工艺延缓膜污染的可行性。同时,研究了跨膜压差和膜面流速对2种组合工艺膜通量的影响,结果表明:随着跨膜压差和膜面流速的增加,膜通量均提高但增幅逐渐放缓,其优化运行参数如下:跨膜压差为0.20 MPa,膜面流速为2.0 m/s。     

基于薄膜生物反应技术的环境污水处理方法研究

污水处理系统中使用传统污水处理技术会加入大量化学药品并且需要建立占地广阔的净化池,净化过程使用化学药品会存在一定的残留,针对上述问题,设计出基于薄膜生物反应技术的环境污水的处理方法.设计的方法由两部分组成一部分是膜分离单元一部分是生物处理单元.膜分离单元完成有毒物质以及漂浮物的隔离,通过MBR反应对污水中大分子有机物以及可溶性微生物进行反应消化,最终通过沉淀池的把多余的活性污泥进行沉淀完成污水的处理.为保证设计方法的有效性,按照设计方法模拟使用过程与传统污水处理方法进行对比,得出结论:(1)设计的基于薄膜生物反应技术的环境污水处理方法不需要对水中进行化学药品添加;(2)没有占用过多的净化空间;(3)在净水效果上明显比传统处理方法有效;(4)污水处理量大;(5)性价比较高节约污水处理成本.     

大气细颗粒物中有机碳和元素碳监测方法对比

在线精确测量大气细颗粒物中有机碳(OC)和元素碳(EC)是研究碳质气溶胶形成和来源解析的重要科学基础.在线测定仪器选取不同的升温程序可能导致OC和EC观测数据差异,造成对研究结果的误判.对比分析在线OC/EC分析仪最常使用的RT-Quartz(R法)、NIOSH 5040(N法)和Fast-TC(F法)这3种温度协议下获得的OC和EC实际观测结果,结合北京空气污染程度,讨论了3种分析程序观测结果的异同.结果表明,3种分析程序对TC(TC=OC+EC)、OC和EC的测量均无显著性差异,但存在一定偏差.对TC的测量,R法比N法低5%,比F法高1%;对OC的测量,R法比N法低9%,比F法高1%;对EC的测量,R法比N法高20%,比F法低11%,其中R法温度协议在不同空气质量下对TC、OC和EC测量的变异系数均小于N法和F法.使用R法的在线分析与小流量PM2.5石英膜采样-离线分析所测定的TC、OC和EC结果的线性拟合斜率分别为1.21、1.14和1.35,R2TC、R2OC和R2EC分别为0.99、0.99和0.98;R法测定的EC浓度显著低于多角度吸收光度计(MAAP)测定的BC浓度.当BC8μg·m-3时,EC/BC为0.39,而当BC8μg·m-3,EC/BC为0.88.EC与BC变化趋势相近,但浓度值存在系统误差.     

用于滤膜称重的饱和氯化镁溶液恒湿系统搭建与评估

目前中国大气颗粒物污染严重,许多颗粒物测量工作使用基于滤膜采样的重量分析法,滤膜称重过程的质量保障至关重要.本文搭建了一套具有恒湿能力的滤膜平衡称重箱(1.2 m×0.6 m×0.8 m)并自制流量控制系统用于平衡和称量滤膜.通过测试空白滤膜和负载大气颗粒物的滤膜在不同相对湿度下的质量变化确定了30%~40%的平衡相对湿度并选用饱和氯化镁溶液控制称重箱内的相对湿度.用20 L·min~(-1)的干燥气通过装有饱和氯化镁溶液的恒湿箱,再将平衡后的气体通入平衡称重箱使其相对湿度达到稳定,随后用5 L·min~(-1)的流量维持.通过一个月的测试表明,系统在称重箱外相对湿度变化较大时,仍可维持称重箱内相对湿度在30.1%~34.0%之间.使用该恒湿系统称量60张滤膜,恒湿3次后称量的偏差均值不超过±0.02mg.相比于其他恒湿系统,这套系统具有简单、稳定、易于维护和成本低的特点.     

CSTR和MBR反应器的短程硝化快速启动

为实现短程硝化的快速启动,采用完全混合反应器(CSTR)和膜生物反应器(MBR)进行短程硝化启动性能对比研究,考察两个反应器在启动时间、氮素转化和污泥性能3个方面的差异.结果表明在进水C/N=1,温度为30℃±1℃,pH为7.5~8.0,DO为0.6~1.0 mg·L~(-1),结合缺氧/好氧比为1∶3(15 min∶45 min)和缩短HRT,CSTR和MBR分别运行56 d和44 d成功启动短程硝化,MBR启动周期较短.运行至第14 d、第28 d和第56 d时,CSTR和MBR亚硝累积率平均为51%、66%、89%和50%、71%、93%,硝酸盐氮生成速率(以NO_3~--N/MLVSS计)依次为7.4、4.0、1.7和7.6、3.5、1.0 mg·(g·h)~(-1),MBR在第28 d和第56 d表现出较高的亚硝累积率和较低的NO_3~--N产率,有利于短程硝化的快速启动.整个运行过程中,两个反应器内的亚硝化污泥均呈黄色,SVI在55~110 mL·g~(-1),MLVSS/MLSS稳定在0.6~0.8左右,良好的污泥性能为CSTR和MBR短程硝化的快速启动创造了有利条件.MBR在短程硝化快速启动中展现出更明显的优势.     

生物膜脱氮滤池的微生物群落结构特性

为探究生物膜脱氮滤池脱氮效能差异的微生物因素,设置组1(包括接种污泥、稳定期滤料、反冲洗后滤料微生物变化)和组2(包括反冲洗前滤料、反冲洗后不同时间段滤料微生物变化)两组实验,通过高通量测序,研究不同阶段微生物群落结构、丰度和多样性的分布情况.结果表明:接种污泥与滤料表面微生物群落结构和多样性在门水平下差异不大,但在属水平下差异显著,而相对丰度在两种分类水平下始终差异显著.反冲洗后0～4 h滤料表面微生物的OTU数目、Shannon指数、Chao1指数变化,在滤池30 cm处先升后降,而在60 cm处曲折上升,也即二者的微生物丰度和多样性变化趋势.反冲洗前后Proteobacteria始终占主导地位,相对丰度为79%～90%,Proteobacteria中Betaproteobacteria占主导优势,反冲洗后Betaproteobacteria数量相对减少,后逐渐恢复.总反硝化优势菌属相对丰度在反冲洗1 h后30 cm处由78%左右下降到70%左右,60 cm处由68%左右下降到64%左右,此时出水总氮达到最高值7.7 mg·L~(-1),之后总反硝化优势菌属及出水TN浓度逐渐恢复至正常水平,这种消长变化表明滤池脱氮效果与总反硝化优势菌属相对丰度密切相关,滤池运行状态的改变使得反硝化优势菌属的群落结构差异显著.