滑石粉对MBR法处理造纸废水的影响

Posted 2023-01-12 滑石

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目的减缓膜污染同时更好地处理造纸废水.方法实验选用一体式膜生物反应器法处理造纸废水，并在反应器中投加具有吸附性能的滑石粉，滑石粉用0.1mm孔径的筛网筛出，其投加量为1.2g/L.结果实验结果表明，在水力停留时间不变的条件下，污泥质量浓度逐渐增大出水CODCr的含量逐渐降低，当污泥质量浓度达到10g/L以上时，废水CODCr的去除率可达到90%以上.滑石粉的投加降低了泥水混合液的黏性，形成的污泥颗粒较大较松散，减缓了泥饼层的形成.结论滑石粉的吸附作用对造纸废水中难降解的有机物大分子的去除起到了良好的促进作用，减缓了膜污染，在膜生物反应器中投加滑石粉具有可行性.
膜生物反应器(MembraneBioreactor，MBR)是一种新型的废水处理系统，它是由膜分离技术与生物反应器相结合的生物化学反应系统，这种组合综合了膜处理技术和生物处理技术各自的优点而成为一种高效的处理系统[1-2].它具有出水水质高、占地面积小、分离效率高、操作方便、适应性强、水力停留时间和固体停留时间可分别控制、污泥浓度高、剩余污泥少等优点[3-5].是污水生物处理发展的新方向.
近年来，随着社会的发展和进步，纸制品的需求量越来越大，造纸工业的迅速发展导致造纸废水给水环境保护带来越来越大的压力.造纸废水中有机物含量高、可生化性差，用传统的活性污泥法处理不能得到很好的处理效果.本实验采用膜生物反应器来处理造纸废水，由于膜生物反应器的最棘手的问题是膜污染，根据一些学者得出的结论[6-7]，在反应器中投加粉末活性炭、氢氧化铁、沸石粉等都可以减轻膜污染，而A.Bidault、F.Clauss的研究指出向活性污泥中加入滑石粉颗粒能迅速促进絮凝颗粒的形成，而且在长期的运行中这种絮凝结构很坚固、稳定[8-10].在国内杨崇豪、宋继琴等又用超细滑石粉代替PAM混凝剂来处理造纸废水，在前人的启发下本实验在反应器中投加滑石粉，实验取得了较为理想的成果，滑石粉的投加促进了出水水质的提高，在一定程度上减缓了膜污染，滑石粉与上述添加剂相比价格低廉、原料易得，具有经济可行性.
1 实验方法
1.1 实验用水
实验用水来自沈阳市某造纸厂的总排放口的废水，是少量黑液(经碱回收处理，黑液量占总废水量的5%左右)、漂洗水、抄纸白水等的混合液，废水成分复杂含大量难降解有机物和盐类.该水呈黄色，浊度较大.经测试，CODCr含量为1000～1300mg/L，BOD5/CODCr介于0.25～0.35，属难降解废水，该水接近中性.为减少膜生物反应器的负荷，废水在进入反应器之前先经聚合氯化铝溶液进行混凝沉淀，去除悬浮有机物和其他杂质，混凝后废水的CODCr在450mg/L左右.
1.2 主要实验设备
膜生物反应器：有机玻璃容器，有效容积60L，自制.
膜组件：采用聚偏氟乙烯帘式中空纤维膜，膜孔径0.2μm，有效膜面积为1m2.
进水泵：25WZ-30-0.125型自吸泵最大流量Q=1.6m3/h，最大扬程H=30m，自吸高度7m，上海新沪电机厂有限公司生产.
真空泵：25WZ-30-0.37型自吸泵最大流量Q=1.8m3/h，最大扬程H=30m，自吸高度7m，上海新沪电机厂有限公司生产.
曝气泵：ACD-318型，功率45W，最大压力0.06Pa，最大流量Q=20L/min，广东饶平新力电机厂生产.
1.3 添加剂及其理化指标
实验投加的添加剂选用0.1mm筛网筛选90%通过的滑石粉.其理化指标：SiO2≥60%，MgO≥30%，Fe2O3≤0.30%，白度≥86%.
1.4 实验中的测定方法
CODCr的测定采用重铬酸钾滴定法；污泥浓度MLSS采用重量法.
1.5 膜生物反应器的工艺流程
实验采用的是一体式膜生物反应器，工艺流程如图1所示，在整个实验阶段除测量污泥浓度外没有外排污泥，以此来保证运行过程中有较高的污泥浓度.在膜组件的底部安置曝气管，采用气泡曝气，以增加溶解氧.为保持膜面清洁，每天用自来水对膜面进行冲洗，约为0.5h.定期对膜进行反冲洗，建议7～10d为一周期以保证较高的膜通量.

2 实验结果与分析
实验初期属活性污泥驯化培养期，CODCr的去除率较低，随着实验的进行，大约3个星期之后，污泥的驯化结果较好，出水水质也逐渐提高.
2.1 投加滑石粉后MBR法处理造纸废水的实验结果
在保持反应器中液面恒定的情况下，水力停留时间为20h，经过混凝沉淀后的废水的CODCr为450mg/L左右.污泥在经过驯化后膜生物反应器处理系统比较稳定，在反应器中按1.2g/L的量加入滑石粉，定期取样测试在不同活性污泥浓度下膜生物反应器对造纸废水的CODCr的去除率.不同污泥浓度下造纸废水的出水CODCr情况见图2.

分析实验结果可以看出，污泥质量浓度越大废水的处理效果就越好.上清液中CODCr质量浓度从最初的336.6mg/L下降到122.85mg/L，膜组件出水的CODCr质量浓度从开始的253.8mg/L下降到后来的20.4mg/L.由此可见，经膜生物反应器处理的造纸废水出水水质符合《造纸工业水污染物排放标准》GWPB2-1999一级标准，完全可以达标排放.从图2可以看出，膜出水的水质要好于反应器上清液的水质，这充分体现了膜组件在此工艺中所起的优良的截留作用.另外，随着运行时间的延长，在膜表面逐渐形成的凝胶层也起到了很好的截留作用，它可以截留水中可溶性大分子物质，所以膜出水水质较稳定.凝胶层的这一正面作用也是非常重要的.
用MBR法处理造纸废水并在反应器中投加滑石粉，废水CODCr的去除率可达到90%以上，如图3所示：

造纸废水属于难降解有机废水，含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，其中木质素是最难降解的.膜生物反应器通过膜分离装置来实现泥水分离，在反应器中的污泥质量浓度可达到很高值，比传统活性污泥法高出很多倍，这就使得难降解有机物分解菌和硝化菌等增殖速度慢的微生物在反应器内得到富集，这类物质与污泥的接触时间远大于水力停留时间(HRT)再通过膜的截流作用就确保了难降解物质在生物反应器内能被反复降解，加上滑石粉颗粒对大分子有机物的吸附作用，从而提高了出水水质.
2.2 投加滑石粉对膜污染的影响
(1)投加滑石粉对污泥絮凝体的影响
在实验末期的镜检中发现，投加滑石粉之后成熟活性污泥絮凝体颗粒比原滑石粉大得多，每个独立的菌胶团中含有一颗或多颗滑石粉颗粒，在污泥颗粒中起骨架作用.在投加滑石粉颗粒之后，污泥絮凝体更容易互相吸附、聚集、絮凝体颗粒更大、黏性更小，因而在膜表面形成的泥饼层比较疏松，透水性好；相反未投加滑石粉的污泥在膜表面形成的泥饼比较密实且黏性大，透水性差，镜检图分别如图4、图5所示.

清洗该膜时发现，未投加滑石粉时，手洗膜表面发现泥饼有较强的黏性，与膜表面黏附较紧，不易清洗.而投加滑石粉之后的泥饼则比较硬，黏性较小，只需用清水冲洗，用海绵轻轻擦拭便可脱落.
(2)投加滑石粉对膜阻力的影响Shimizu等人提出了膜污染阻力的计算方法：

式中：J为膜通量，L/(m2.h)；ΔP为膜两侧的压力差，Pa；μ为透过液黏度，(Pa.s)；R为过滤总阻力，m-1.

式中：Rm为纯膜阻力；Rf为膜污染阻力；Rb为滤饼阻力.
投加滑石粉后膜污染阻力方面的变化情况如表1所示.

从表1中可以看出投加滑石粉之后，Rf和Rb都有了明显的降低，其中前者下降了68.5%，后者下降了91.1%.这是因为投加的滑石粉降低了泥水混合液的黏性，由于它的吸附作用，新形成的污泥絮凝颗粒比较大，减缓了泥饼层的形成，并且这些新形成的泥饼层有较好的透水性，所以膜污染阻力会有所下降.
通过上述分析可见，滑石粉在膜生物反应器中可影响泥水混合液各方面的性质，包括污泥絮体的性质、泥水分离性能等，从而引起膜污染阻力、膜表面泥饼结构及该阻力的有利变化，其宏观结果就是大大减缓了膜通量的下降，使得单位膜面积在膜寿命期内的产水量大大提高.
3 结论
(1)膜生物反应器对造纸废水的处理效果较好，说明膜生物反应器对于难降解废水的处理有突出优势，是废水生物处理发展的新方向.
(2)在水力停留时间不变的条件下，污泥质量浓度增高，废水的处理效果也随之提高，但污泥质量浓度不能无限制的增大，应在膜通量和处理效果之间取最宜值.
(3)滑石粉的投加使得膜丝表面的泥饼疏松，易于清洗，由于它的吸附作用减缓了膜的污染，延长了膜的使用寿命；它对废水中有机大分子的吸附促进了出水水质的提高；因此投加滑石粉具有可行性.