动态膜生物反应器过滤性能提升及强化除磷研究

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动态膜生物反应器是一种利用过滤初期形成在大孔径过滤基网上的动态生物膜层进行污染物截留的膜生物反应器。其出水水质与微滤/超滤膜相当。因其具有通量高、能耗低及膜廉价等优点而受到越来越多的关注。但是,反应器运行过程中动态膜层的不稳定性限制了其大规模的应用。动态膜层污泥的沉积过程受到操作条件和污泥性质等多方面因素的影响。本研究对运行模式和电场力两方面在动态膜过滤过程的调控作用进行了实验探究。对不同运行模式和电场影响下的动态膜过滤特征、过滤堵塞模型、动态膜微观形貌、膜污染缓解机理进行了探究与对比。此外,还尝试了以铝板作为阳极,将电解除磷与动态膜生物反应器进行耦合以提高动态膜生物反应器的除磷效率,为实际废水处理提供相关参考数据。主要内容如下:(1)探究恒压与恒流运行条件对高通量动态膜过滤特征的影响,分析膜堵塞机理的差异。发现恒压运行模式下的动态膜(P-SFDM)过滤周期较恒流运行模式下的动态膜(J-SFDM)短,动态膜形成迅速,15 min内出水浊度可降至2 NTU以下,而J-SFDM形成缓慢,高通量运行10 h之后,出水浊度才降至2 NTU以下。P-SFDM对于大分子溶解性有机物有着更优的截留效果。P-SFDM动态膜堵塞更符合完全堵塞模型,而J-SFDM膜堵塞初期符合标准堵塞规律,后期遵循间接堵塞规律。P-SFDM泥饼有着更大的活性污泥粒径以及更高的胞外聚合物含量,膜表面污泥絮体更加疏松多孔。此外,P-SFDM需要频繁反洗再生,其吨水能耗高达0.19 kwh/t,明显高于J-SFDM的0.14 kwh/t。(2)探究电场调控作用下低通量恒流动态膜过滤特征及膜污染减缓机理。施加恒定电压的反应器E-DMBR按过滤特征可分为两个阶段,一是在刚开始运行阶段,电极表面产生的氢气泡附着占据了大量的膜孔位点,使得膜面有效过滤面积减小,膜阻力较对照反应器C-DMBR发展迅速;二是运行至第三个周期时,E-DMBR稳定过滤时间延长,平均结垢率相较于C-DMBR下降了约40.3%。在第二阶段中,E-DMBR中形成的动态膜膜面污泥较C-DMBR中具有更低的胞外聚合物含量和更大的粒径。E-DMBR动态膜层中电活性细菌(Lactococcus(13.62%))及与反硝化过程相关的细菌(norank_f__env.OPS_17(8.25%)、unclassified_f__Comamonadaceae(2.40%))丰度较C-DMBR上升。此外,外加负电势条件下,活性污泥表面极性张力显著增大。在短程分离距离下,极性作用能绝对值最大,对动态膜形成初期起主导作用。研究结果表明,电场调控下,动态膜粒径增大,极性增强,动态膜微生物群落发生演替,稳定过滤时间延长。(3)在上述研究的基础上,以铝板作为阳极,探究电絮凝-动态膜生物反应器的过滤特征和除磷性能。实验结果表明,施加2.4 A/m~2恒定电流的EC-DMBR-2有着最长的稳定过滤周期,平均结垢率为5.15 k Pa/h,相较于C-DMBR(8.79 k Pa/h)下降了41.44%。而过高的恒电流条件下(EC-DMBR-3,4.8 A/m~2),电极表面产生的氢气泡附着占据膜孔道反而加快了膜污染进程。与对照相比,动态膜稳定过滤时间缩短了约3 h。EC-DMBR中污泥粒径的增大和污泥上清液zeta电位绝对值的降低是动态膜稳定过滤时间延长的主要原因。不同电流密度下运行的EC-DMBR对COD去除率均达到90%以上,与普通C-DMBR相比无显著差异。而EC-DMBR对总磷的去除效率均在85-90%以上,较C-DMBR有显著提升(去除率在60%左右)。此外,EC-DMBR(2.4A/m~2)运行期间铝磷比为1.14,低于纯电解除磷反应器的1.3。同时,EC-DMBR中参与磷去除的Thiothrix丰度均较C-DMBR上升。
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