養(yǎng)殖場所產(chǎn)生的廢水具有**物、氨氮和懸浮物濃度高等特點,處理難度較大,如不經(jīng)過處理直接排放或農(nóng)用將引起嚴重污染[1 ~ 3]。目前,厭氧技術(shù)能夠有效處理養(yǎng)殖廢水,并可回收沼氣和沼液等資源[4]。該技術(shù)主要包括**式厭氧污泥床、厭氧膨脹顆粒污泥床和厭氧流化床等高效厭氧反應器。但上述反應器用于處理養(yǎng)殖廢水時,易出現(xiàn)污泥顆?;щy和堵塞等現(xiàn)象[5]。近年來,厭氧膜生物反應器因其自身的優(yōu)勢及應用潛力而逐漸受到關(guān)注,但膜污染是制約其發(fā)展的主要問題。因此,有研究者將可旋轉(zhuǎn)的膜組件引入?yún)捬跄ど锓磻髦?,以達到強化膜表面剪切力,控制膜污染的目的[6 ~ 8]。但是,目前采用厭氧旋轉(zhuǎn)膜生物反應器( AnRMBR) 處理畜禽養(yǎng)殖廢水尚未有相關(guān)報道。
筆者采用AnRMBR 系統(tǒng)處理畜禽養(yǎng)殖廢水( 以養(yǎng)豬廢水為代表) ,考察其對實際養(yǎng)豬廢水的處理效果,并分析膜過濾性能和反應器內(nèi)的厭氧污泥特性,旨在為AnRMBR 系統(tǒng)處理畜禽養(yǎng)殖廢水的實際應用提供參考。
1. 1 試驗裝置及運行方案
圖1 為AnRMBR 工藝流程。
AnRMBR 系統(tǒng)主要由進水罐、厭氧反應罐、外置式旋轉(zhuǎn)膜組件和恒溫水浴箱組成。厭氧反應罐的有效容積為100 L。10 張盤式聚醚砜平板膜平行固定于旋轉(zhuǎn)膜組件內(nèi)部,其中心在濾液集水管的中心傳動軸上。膜的截留分子質(zhì)量為150 ku,總過濾面積為0. 12 m2。膜組件上方旋轉(zhuǎn)電機可帶動中心傳動軸來實現(xiàn)膜片的往復式旋轉(zhuǎn)( 正反向交替式旋轉(zhuǎn)) 以強化膜表面剪切力。膜片的旋轉(zhuǎn)速度為150r /min,往復式旋轉(zhuǎn)周期為0. 5 h。養(yǎng)豬廢水經(jīng)進水泵輸送至厭氧反應罐進行厭氧生物降解,反應罐內(nèi)的厭氧污泥混合液經(jīng)循環(huán)泵**入恒溫水浴箱加熱,以保證反應罐內(nèi)的溫度為( 33 ± 2) ℃,再進入旋轉(zhuǎn)膜組件,經(jīng)膜截留的污泥濃縮液返回至厭氧反應罐。膜過濾出水則通過出水泵抽吸排出,抽吸頻率為間隔10 min 抽吸8 min。
試驗用水取自廈門市某養(yǎng)豬場排放的養(yǎng)豬廢水。厭氧反應器內(nèi)接種的污泥來自于廈門市某飲料企業(yè)污水處理站的厭氧污泥。采用PLC 控制系統(tǒng)的運行,具體運行參數(shù)見表1。
AnRMBR 系統(tǒng)啟動期間,通過逐步提高出水泵抽吸水量即提高運行的膜通量來縮短HRT,以增加運行負荷,并根據(jù)實際膜過濾性能及廢水處理效果對運行參數(shù)進行適時調(diào)整。在工況6 和7 條件下,養(yǎng)豬廢水因混入較多的豬糞,懸浮物和COD 濃度較高,導致系統(tǒng)容積負荷大幅度提高。
1. 2 分析方法
pH 值采用pH 計測定,COD 采用重鉻酸鉀法測定,產(chǎn)氣量采用濕式流量計測定,污泥濃度采用減重法測定。污泥粒徑采用激光粒度儀進行分析,膜過濾性能采用膜過濾阻力來表征。根據(jù)Darcy 定律,膜過濾阻力按式( 1) 計算。
R = ΔP/μJ( 1)
式中,R 為膜過濾阻力,m - 1 ; ΔP 為跨膜壓差,Pa; J 為膜通量,m3 /( m2·s) ; μ 為濾液粘度,Pa·s。
2. 1 AnRMBR 系統(tǒng)對廢水的處理效果
在厭氧生物處理過程中,較適宜pH 值為6. 8 ~7. 2。若pH 值持續(xù)過低,說明反應器內(nèi)可能出現(xiàn)了酸化現(xiàn)象,此時容積負荷過高。在AnRMBR 系統(tǒng)啟動初期,即使在較低的容積負荷下,反應器內(nèi)上清液仍頻繁出現(xiàn)pH 值< 6. 8 的情況。這可能是由于此時接種的厭氧微生物尚未適應環(huán)境。隨著系統(tǒng)運行,容積負荷逐步提高,反應器內(nèi)的pH 值逐漸升高。在工況6 條件下,當平均容積負荷達到6. 25kgCOD/( m3·d) 時,雖然反應器內(nèi)上清液曾在*64天和*65 天出現(xiàn)pH 值分別為6. 4 和6. 6,但此后pH 值迅速恢復至7. 0 以上,表明系統(tǒng)可耐受高容積負荷。但是,此時系統(tǒng)運行的膜通量高達28. 5L /( m2·h) ,膜組件出現(xiàn)了嚴重的膜污染。因此,考慮膜過濾性能,將*71 天后的膜通量回調(diào)至25. 0L /( m2·h) 。在此后的約1 個月內(nèi),上清液pH 值在7. 0 ~ 8. 2 范圍內(nèi)波動,表明反應器內(nèi)未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象,可適應5. 68 kgCOD/( m3·d) 的容積負荷。
AnRMBR 系統(tǒng)中COD 的變化如圖2 所示。
由圖2 可以看出,由于膜組件對**物的截留作用及吸附作用,出水COD 濃度均**反應器內(nèi)上清液的COD 濃度。隨著反應器的運行,容積負荷逐漸升高,出水COD 總體呈上升趨勢,從34. 5 mg /L上升至629. 6 mg /L。但是,容積負荷的提高對COD去除率的影響并不顯著。工況1 ~ 6 條件下,COD平均去除率分別為93. 7%、94. 8%、96. 1%、95. 1%、91. 0% 和96. 3%。AnRMBR 系統(tǒng)對養(yǎng)豬廢水中COD 的去除主要通過厭氧微生物降解作用和旋轉(zhuǎn)膜的物理截留作用來實現(xiàn)。從圖2 還可知,膜的截留功能使得系統(tǒng)整體運行效果相對穩(wěn)定。在工況7條件下,出水COD 可控制在296. 3 ~ 629. 6 mg /L 范圍內(nèi),去除率為91. 5% ~ 96. 4%,均**90%。相較于文獻[9]、[10],本試驗的AnRMBR 系統(tǒng)對養(yǎng)豬廢水中COD 的去除率高,處理效果較好。
2. 2 產(chǎn)氣性能
圖3 為AnRMBR 系統(tǒng)的產(chǎn)氣量變化??芍S著AnRMBR 系統(tǒng)的運行,進水容積負荷增加,每日產(chǎn)氣量總體呈現(xiàn)上升趨勢。*97 天,當容積負荷為6. 67 kgCOD/( m3·d) 時,產(chǎn)氣量達到較高值( 445L /d) 。Song 等人[10]在處理養(yǎng)豬廢水的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律,即沼氣產(chǎn)量與進水容積負荷存在線性關(guān)系,產(chǎn)氣量在一定程度上會隨著容積負荷的增加而增大。在工況7 條件下,雖然進水水質(zhì)不穩(wěn)定導致了產(chǎn)氣量有所波動,但是AnRMBR 系統(tǒng)在該階段的產(chǎn)氣量較高,平均值為140 L /d,即平均容積產(chǎn)氣率為1. 4 m3 /( m3·d) ,其產(chǎn)氣性能與趙青玲[11]采用UASB 處理養(yǎng)豬廢水的產(chǎn)氣性能類似。
2. 3 膜過濾性能
圖4 為AnRMBR 系統(tǒng)運行期間的膜過濾阻力??梢钥闯觯诠r1 ~ 4 期間,除了*10 天膜過濾阻力突然小幅上升至4. 27 × 1012 m - 1 以外,該階段的膜過濾阻力相對穩(wěn)定,均能控制在1. 78 × 1012 m - 1以下。這表明AnRMBR 系統(tǒng)在該階段并未發(fā)生嚴重的膜污染,膜過濾性能良好。但是,在工況5 期間,當膜通量從25. 0 L /( m2·h) 上升至32. 5 L /( m2·h) 時,膜過濾阻力急劇上升,*51 天上升至17. 9 × 1012 m - 1,說明膜污染嚴重。為了控制膜污染的發(fā)展,在*52 天( 工況6) 將膜通量降低至28. 5L /( m2·h) ,但是此工況下的膜過濾阻力仍呈現(xiàn)上升趨勢,甚至*65 天上升至82. 0 × 1012 m - 1。
在工況5 和6 條件下,為保證系統(tǒng)的正常運行,在*51、58、65、71 天分別對膜組件進行離線水洗以恢復膜通量?;诠r5 和6 下膜組件的運行情況,在*71 天將系統(tǒng)運行的膜通量恢復至25. 0 L /( m2·h) ,此后膜過濾阻力相對穩(wěn)定,可控制在3. 3× 1012 m - 1以下??梢钥闯觯驹囼炛挟斈ね俊?5. 0 L /( m2·h) 時,AnRMBR 系統(tǒng)的膜組件可以通過自身的往復式旋轉(zhuǎn)來強化膜表面的水力剪切力,從而控制膜污染的發(fā)展。因此,該系統(tǒng)在處理養(yǎng)豬廢水時,為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,膜通量可維持在25. 0 L /( m2·h) ,此膜通量數(shù)值與白玲等人[6]采用浸沒式厭氧雙軸旋轉(zhuǎn)膜生物反應器處理模擬啤酒廢水的膜通量水平相同。
2. 4 厭氧污泥特性
圖5 為AnRMBR 系統(tǒng)運行期間污泥濃度及顆粒粒徑的變化。
從圖5 可以看出,隨著系統(tǒng)的運行,污泥濃度逐漸上升,由初始的5. 9 g /L 上升至30. 7 g /L。An-RMBR 系統(tǒng)啟動運行初期,污泥體積平均粒徑隨著微生物的馴化生長而逐漸增大,但33 d 后則呈現(xiàn)下降的趨勢,由154. 8 μm 逐漸減小至91. 2 μm。膜組件長期往復式旋轉(zhuǎn)的剪切作用和進水懸浮物的增多可能是導致污泥粒徑減小的原因。此外,反應器內(nèi)重金屬的累積也可能是污泥粒徑減小的另一誘因。馬明海等人[12]發(fā)現(xiàn),重金屬Zn、Cu 和Pb 的投加會導致部分好氧顆粒污泥解體,污泥粒徑顯著減小。該AnRMBR 系統(tǒng)處理的廢水為養(yǎng)殖廢水,含有Zn、Cu、Pb 和Cd 等重金屬[13],因此隨著系統(tǒng)的運行,由于膜截留作用和污泥吸附作用,重金屬在反應器內(nèi)逐漸累積,可能導致了污泥顆粒變小。
Kornboonraksa 等人[2]在采用膜生物反應器處理養(yǎng)豬廢水時發(fā)現(xiàn),與其他污泥性質(zhì)相比,污泥濃度和粒徑對膜過濾性能具有顯著影響。污泥濃度的增加和粒徑的減小會加劇膜污染。當AnRMBR 系統(tǒng)運行至中后期,在污泥濃度上升和污泥粒徑減小的情況下,膜過濾性能受到了潛在威脅,此時膜通量的提高將會加大嚴重膜污染發(fā)生的概率。這可能是47 ~ 70 d,當膜通量由25. 0 L /( m2·h) 分別增加至32. 5 和28. 5 L /( m2·h) 時膜過濾阻力迅速上升的原因。因此,基于污泥特性的變化情況,膜通量的提高應受到限制。在本試驗過程中,為了保證良好的膜過濾性能,膜通量較終應控制在25. 0 L /( m2·h)以下。
① 采用AnRMBR 系統(tǒng)處理以養(yǎng)豬廢水為代表的畜禽養(yǎng)殖廢水,在5. 68 kgCOD/( m3·d) 的容積負荷條件下,AnRMBR 系統(tǒng)對COD 的平均去除率為94. 7%,平均容積產(chǎn)氣率為1. 4 m3 /( m3·d) ,除污效果和產(chǎn)氣性能較好。
② 當AnRMBR 系統(tǒng)的膜通量為25. 0 L /( m2·h) 時,膜過濾阻力在3. 3 × 1012 m - 1 以下,表明系統(tǒng)有效控制了膜污染,運行性能穩(wěn)定。綜上所述,AnRMBR 系統(tǒng)能夠處理以養(yǎng)豬廢水為代表的畜禽養(yǎng)殖廢水。
③ 在AnRMBR 系統(tǒng)運行的中后期,污泥濃度上升,顆粒粒徑減小,限制了膜通量的提高。
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