增强有机物去除的一个集成Biofilm-Membrane生物反应器处理高盐度废水

文摘

高盐度能强烈抑制微生物活动,降低活性污泥的沉降能力。生物膜和膜生物反应器是一种实用有效的方法去除污染物,污染率低。一个集成biofilm-membrane生物反应器(BMBR)治疗芥末块茎废水进行了研究。平均COD去除效率94.81%,氨的去除效率96.84%的有机负荷达到0.5公斤COD / (m³·d)。然而,反应堆显示相对较低的氮和可溶性总磷去除效率由于缺少厌氧环境。影响有机负荷的增加导致性能下降,因为降解能力之间的平衡和污染。扫描电镜的图像显示嗜盐细菌占主导地位的微生物系统中导致一个松散的污泥结构和沉降性能下降。结果发现,膜污染是微生物活动的相互作用的结果和氯化钠结晶。

1。介绍

有很多芥末在三峡水库流域植物块茎酸洗,这是一个在中国最重要的淡水资源。这些酸洗植物在当地的经济发展起着重要的作用。然而,出现了严重的环境污染由于芥末块茎的非法排放废水,特点是高盐度、高氮和磷水平和高有机负荷。这种类型的废水直接排放,对生态系统造成不利影响,例如,富营养化、生物细胞的脱水和死亡,和生物多样性的变化(1]。

目前,治疗高盐度废水主要包括两种方法:生物治疗和物理化学治疗。与生物处理相比,物理化学方法不能有效去除溶解有机物和需要高水平的预处理(2]。运营成本太高,物理化学方法的广泛应用是被禁止的。因此,进一步进行研究,寻求一种有效的高盐度废水的生物过程(3,4]。

据报道,高盐度能强烈抑制微生物活动(5和减少活性污泥的沉降能力6]。因此,它挑战了系统稳定性和结果处理效率低。为了克服这些困难,应用膜生物反应器(MBR)处理高盐度废水已被调查。与膜过滤的优点,MBR允许更多的生物量维持反应堆,可以实现完全分离的水力停留时间和污泥停留时间(7]。盖太诺et al。8)报道,膜生物反应器显示正常盐度较高的去除效率的情况下。然而,盐度的增加显著促进了可溶性微生物产品导致膜污染。其他研究也显示出类似的结果(9- - - - - -11]。膜污染仍是主要缺点之一mbr (12,13]。这个问题进一步加剧了用于治疗高盐度废水时,因为微生物群落特征发挥重要作用在生物淤积14]。

移动床生物膜reactor-membrane生物反应器(MBBR-MBR),提出Leiknes和Ødegaard15),被认为是一种有效的生物过程,以减轻生物淤积在MBR系统。微生物生物膜可以固定,增加生物量浓度,而膜分离悬浮物和污泥。之间的性能比较研究MBBR-MBR和MBR。事实证明,膜污染程度为MBR (MBBR-MBR远远低于16,17]。Daniele et al。18)测试了盐度对MBBR-MBR的性能的影响。结果表明,渐进的盐度增加了生物的适应,但从载体生物膜脱落导致不可逆转的蛋糕沉积。据我们所知,很少有研究使用MBBR-MBR治疗废水含有高浓度盐度、有机质和养分。MBBR-MBR当治疗这样的废水中生物淤积机制仍不清楚。

在这种背景下,一个集成biofilm-membrane生物反应器(BMBR)成立治疗芥末块茎废水在我们的研究中。研究的目的包括(i)评估BMBR处理高盐度废水的性能;(2)调查有机负荷对BMBR的去除效率的影响;和(3)探索嗜盐细菌膜污染的作用。

2。材料和方法

2.1。反应堆的设置和操作

BMBR用于这项研究是由钢板尺寸为1.08米×0.75米×0.6米导致工作容积400升。反应堆被划分为一个生物膜区和膜区挡板(图1)。半软的媒体聚集在生物膜区域的密度为30%。膜区配备中空纤维膜模块,由一个特殊的控制阀门。影响完全与半软的媒体联系向上流动,然后溢出到膜面积。穿孔曝气管道直径20毫米是安装在底部的反应堆。多孔管道连接气泵,通过空气曝气污水。在实验中,反应器操作在连续influent-intermittent废水的方法。芥末WWTP收集的废水调节池,然后注入反应堆。原始的水盐度由2 ~ 3%,770 ~ 1240 mg / L鳕鱼,103 ~ 191 mg / L NH₄⁺- n, 207 ~ 409 mg / L TN, 21 ~ 48磷酸mg / L, 237 ~ 525 mg / L SS,排水泵工作在断续模式,由PLC自动控制系统。排水泵的营业周期将总共13分钟包括10分钟吸收时间和3分钟的时间。膜通量是由一个液体流量计测量。内外膜之间的压差是由负压计测量。

BMBR是首先接种污泥从涪陵WWTP有氧反应堆并保持混合酒悬浮物(mls)以上5 g / L。核反应堆是连续操作在不同有机负荷。BMBR的操作可分为三个时期相应的有机负荷为0.5公斤/ (m的鳕鱼³鳕鱼·d), 1.0公斤/ (m³·d)和1.5公斤COD / (m³·d)。在一个110天的操作时间,曝气强度保持在0.8米³/小时,跨膜压差(TMP)保持在15 kpa。膜化学清洗或身体下面描述。总结了操作条件和有机负荷表1。

2.2。分析方法

的入渗和废水样品立即从反应堆收集和分析。以下参数包括化学需氧量(COD)、悬浮固体(SS)、铵、总氮和溶解磷测定根据APHA标准方法。和pH值测量做探测器(美国HQ30d哈希)和pH值检测器(美国sension2哈希),分别。

2.3。膜污染分析和清洁

反应堆的膜模块首先取出,然后用海绵轻轻地擦洗受到自来水。进行物理清洗恢复膜通量的蛋糕层的膜表面。之后,进行了化学清洗,进一步提高膜通量。膜模块是浸泡在NaClO溶液(0.5%,m / m) 24小时,然后浸泡在自来水2 h。

附件的膜是由扫描电子显微镜(SEM);日立s - 3400 n、日立、日本)获得一个额外的视觉洞察表面沉积膜。

3所示。结果与讨论

3.1。反应器的性能

3.1.1。COD去除效率

入渗和废水的COD 110天的操作时间如图2。在I期,平均COD去除效率大于94% COD值平均为48.18 mg / L。在第二阶段中,影响有机负荷时1.0公斤鳕鱼/ (m³·d),平均COD去除率从94.81%下降到89.35%。在第三阶段,有机负荷的增加,COD去除率平均进一步降低到84.90%平均角为155.46 mg / L。适应周期短的存在在每一个阶段的开始观察,表明高盐度和有机负荷对微生物的生长有一个负面影响(19]。由于生物膜和膜的应用过程中,污泥被保留和固定化反应器的生物量在短时间内迅速增加。适应期后,COD去除效率保持稳定在一个较高的水平(84.90% ~ 94.81%)。这样的结果证实了biofilm-membrane生物反应器系统的有效性和鲁棒性,即使在较高的有机污染和盐度水平(18]。然而,随着有机负荷的增加从0.5公斤鳕鱼/ (m³·d) 1.5公斤COD / (m³·d), COD去除率开始下降的趋势。一个可能的解释是,微生物降解能力之间的平衡和污染负荷已达到有机负荷低于1.0公斤时COD / (m³·d)。另外,溶氧不足可能会阻碍微生物的活性和生长,因为曝气强度在所有阶段保持不变。因此,需要一个更大的曝气强度提高COD去除效率在这样一个高有机负荷。虽然COD去除效率随着有机负荷的增加下降,BMBR仍然表现出一个伟大的性能和耐盐碱的比较与传统mbr (20.]。麦纳等人报道,当喂盐率20 g / L,总COD去除率从96%下降到75%的影响COD浓度为350 mg / L (21]。

3.1.2。NH₄⁺去除效率

NH膜发挥了重要作用₄⁺去除。从图3,NH的性能₄⁺也实现了高水平,平均去除率96.84%的阶段I和II期的91.26%。因为硝化细菌是自养细菌,延长污泥停留时间(SRT)需要他们繁殖。膜过滤的功能使SRT尽可能长时间,方式积累的硝化细菌和硝化作用增强。应该注意的是,北半球₄⁺去除效率没有影响很大,当有机负荷从0.5增加到1.0公斤/ (m的鳕鱼³·d)。这反映了生物膜在BMBR可以提高系统的抗冲击(22]。然而,当有机负荷从0.5增加到1.5公斤/ (m的鳕鱼³NH·d)₄⁺去除率急剧下降了13.72%。氧的可用性是最重要的因素之一,在硝化细菌的硝化过程。条件下,影响COD浓度是1054.29 mg / L,硝化细菌都不如其他异养细菌在争夺溶解氧,导致NH的减少₄⁺去除效率。另一方面,高盐度可能发挥抑制硝化过程(23]。先前的研究已经证实,高盐度负面影响细胞营养的传输介质,因此修改和减少细胞代谢,导致细胞溶菌作用[24]。赵等人发现,当盐浓度高于20 g / L, NH₄⁺去除效率下降,和生物反应器倒塌5]。

3.1.3。TN去除效率

波动在TN去除效率观察(图4)。整个TN去除效率是以前的研究相对较低的比较。穷人TN去除率的主要原因是缺乏一个缺氧的环境对脱氮(25]。过度的溶解氧从厌氧反硝化细菌开关有氧代谢,这样反硝化作用被抑制。有一个下降的总趋势TN去除有机负荷从0.5增加到1.5公斤/ (m的鳕鱼³·d)。这可能减少属性不完整的硝化作用。已经证明,硝化作用刺激TN的去除至关重要,因为硝化作用可以提供反硝化所需的硝酸盐或亚硝酸盐。虽然有多种新颖的氮去除路径,例如,部分no3却,氧化铵(26),硝化脱氮工艺的第一步。因此,NH的减少₄⁺相应的去除效率,TN去除率下降。除了氧气和硝化作用,另一个重要因素,影响脱氮是盐度。反硝化细菌对有毒物质更敏感比硝化细菌(27]。它是有害的对反硝化细菌的生长在盐碱地环境。

3.1.4。可溶性阿宝₄³⁻去除效率

水中的悬浮固体,particle-associated磷可以通过膜过滤捕获。在这项研究中,重点是放在BMBR可溶性磷的去除效率。在实验过程中,阿宝₄³⁻去除效率较差有大幅波动(图5),从19.23%到53.89%不等,这反映了类似的结果与其他研究相比(28,29日]。生物除磷包括两个步骤:厌氧磷释放和有氧磷吸收。然而,没有在BMBR厌氧环境。除磷主要取决于生物同化。此外,部分归功于富磷污泥不能及时排出反应堆,导致低PO₄³⁻去除效率。高阿宝₄³⁻切除,观察发生在每一个阶段的开始。这是由于膜的化学清洗模块执行前工作条件改变膜模块可以在相同的条件下工作。部分归功于富磷污泥坚持膜的表面清理,而微生物生物量突然降低了。因此,更多的微生物数量激增,磷是存储在微生物细胞中,阿宝的方式₄³⁻暂时去除效率增加。

3.2。嗜盐细菌膜污染的作用

嗜盐的细菌是特殊微生物,只有盐水环境中生长。嗜盐的代谢能废水中的有机物质和营养来获得能量。这是有前途的治疗高盐度废水利用嗜盐细菌(30.]。确定引起膜污染的物质,SEM是利用分析的微观结构膜污染(图6)。与入渗有机负荷的增加,嗜盐细菌逐渐占主导地位,以大量的芽孢杆菌和球菌的反应堆。微生物群落结构的稳定有利于去除效率的影响(31日,32]。高盐度也改变了污泥的结构和性质28]。当没有盐或低浓度盐存在,污泥絮体的规模很大。然而,污泥絮体主要由嗜盐细菌很小和宽松的33),它可以阻止膜孔隙,导致不可逆的污染。污泥的絮状物附着在膜表面形成凝胶层含有不同的胞外聚合物(EPS)的物质。污泥微生物分泌EPS抵制不良生理盐水的环境。香港et al。34)报道,增加盐浓度导致了EPS浓度的崛起。每股收益以及绑定的可溶性部分EPS促进膜表面凝胶层的形成(35),不能轻易被物理清洗(36]。另一方面,当水温低于10°C,可溶性盐再结晶(图7),导致膜通量的急剧减少。立刻,膜污染是微生物活动的相互作用的结果和氯化钠结晶。如果目标是减轻膜污染处理高盐度废水时,较低的操作温度应该避免。

4所示。结论

芥末块茎废水生物处理的礼物是一个巨大的挑战,由于高浓度的有机碳,营养,和盐度强烈抑制微生物活动和损害活性污泥的沉降能力。小说技术结合生物膜和膜生物反应器开发治疗芥末块茎废水。在细节中,微生物生物量BMBR系统能迅速增加,因为固定化生物膜增强了细菌的生长。去除效率高的有机碳和铵实现表明异养细菌和硝化细菌在盐水环境中保持着高反应活性。然而,去除总氮和可溶性磷的相对较低是由于厌氧环境的缺乏。与入渗有机负荷的增加,BMBR的性能退化时,有机负荷超过了微生物降解能力。嗜盐的细菌中发挥了关键作用,污染物去除和生物淤积过程。在低温下操作,膜污染的顺向微生物活动和氯化钠结晶之间的交互。最后,BMBR系统显示高潜力治疗高浓度和高盐度废水。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

经济工作是由中国国家自然科学基金项目(批准号51008318)。

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