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1.6试验装置与工艺流程
试验装置与流程如图1所示。
图1工艺流程
1—空气压缩机;2—稳压阀;3—气体流量调节阀;4—压力表;5—柱状膜组件;6—液体流量调节阀;7—磁力泵;8—DO&pH探头;9—取样槽;10—料液罐;11—搅拌器。
合成橡胶废水由磁力泵驱动进入MABR工段的储料罐,当料液达到1.2L后停止进料。料液经磁力泵驱动由膜组件底端进入,从顶端排出,通过循环管路在MABR中不断循环流动,通过控制磁力泵转速来调节料液流速大小。经空气压缩机压缩后的空气从膜组件顶端进入中空纤维膜内,氧气透过膜壁进入生物膜被微生物利用进行生化反应,中空纤维膜内剩余气体由膜组件底端排出。通过气体流量调节阀调节中空纤维膜内空气压力。料液在MABR中的HRT为24h,料液中的污染物在循环过程中不断被生物膜中的微生物降解。期间通过开启关闭取样槽附近管路上的液体流量调节阀,进行相关数据的读取,MABR阶段结束时,从取样槽中取样进行水质分析。
经MABR系统处理后的料液由磁力泵驱动进入搅拌槽内进行混凝操作,与此同时进料磁力泵开启进行MABR进料操作。在絮凝操作中,调节搅拌桨转速为50r/min运行1min后,将转速调至800r/min并添加PAC和PAM运行30s,之后依次将转速下调至150、100、60r/min并各自运行5min,最后停止运行搅拌机,待料液静置1.5h后取上层清液进行水质分析,上清液由磁力泵驱动进入净水储存罐,下层絮凝体则由阀门排出另作处理。至此一个批次废水处理结束,再重复以上操作进行另一批次的处理。
试验中合成橡胶废水的COD、NH4+-N和色度分别为480mg/L、18mg/L、290倍。所有阶段的操作温度保持为室温(约25℃)。
1.7去除机理分析
MABR系统的生物膜形成后分为好氧层和厌氧层,两个生物功能层协同发挥MABR系统的生化作用(如图2所示)。
图2生物膜内多层结构及典型底物在生物膜中的浓度分布
需氧层内的主要微生物为需氧异养细菌和硝化细菌,它们在有氧环境下降解料液中的有机物和NH4+-N,NH4+-N被转化为硝酸盐氮(NO3--N)和亚硝酸盐(NO2--N);厌氧层内的主要微生物为厌氧异养细菌和反硝化细菌,它们在厌氧条件下降解料液中的有机物和来自需氧区的NO3--N,NO3--N被转化为N2进入料液中。2个区域的边界处生长着大量兼性菌,其既能在有氧条件下生存也能在厌氧条件下生存,在MABR阶段发挥着重要作用。料液在1个处理周期内有很长一段时间处于厌氧阶段,这在一定意义上有助于提高料液的可生化性,有利于有机物的去除。
2结果与讨论
2.1MABR工段曝气压力对性能的影响
控制料液流速为0.01m/s,考察中空纤维膜内空气压力对MABR性能的影响。调节膜内空气压力分别为0.05、0.10、0.15MPa,料液中的COD、NH4+-N和DO随时间变化情况分别见图3、图4。
图3不同曝气压力下料液中COD和NH4+-N随时间变化
图4不同曝气压力下料液中DO随时间变化
图3表明,膜内空气压力分别为0.15、0.10MPa时COD去除率比0.05MPa时的去除率高很多,分别达到68.5%、72.5%,但0.15MPa时的COD去除率要比0.10MPa时的去除率低,对此合理的解释为:膜内空气压力过高,氧气更容易穿透生物膜,生物膜中厌氧层的存在时间较短,从而导致厌氧异养细菌和反硝化细菌的活性过早受到限制,影响COD的去除。图3中,膜内空气压力为0.15、0.10MPa时NH4+-N去除率明显高于0.05MPa时的去除率,分别达到91.2%、72.5%,在低浓度氧气环境下,硝化细菌的活性受到严重限制导致NH4+-N去除率低。S.Matsumoto等建立了1个多种类模型预测氧气的加载量能显著影响硝化与反硝化过程的效率。随着膜内空气压力的提高,生物膜中的硝化细菌活性得到加强,从而有利于硝化过程的进行。
图4中,最初12h内来自中空纤维膜膜内的氧气几乎全部在生物膜内被消耗。运行18h后,需氧异养细菌去除COD的过程和硝化细菌去除NH4+-N的过程因为料液中可降解有机质和氨氮浓度很低而受到限制,生物膜对氧气的需求量也相应大幅度减少。氧气绝大部分透过生物膜而直接进入料液导致料液中DO升高,此时生物膜内厌氧层中的微生物活性几乎停止,厌氧层的水解酸化作用消失。因此,为使MABR有效处理合成橡胶废水,同时节约经济成本,选择最佳膜内空气压力为0.08MPa。
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