剩余活性污泥濃縮正滲透技術(shù)

隨著城市污水處理量的增加和處理程度的提高，作為污水處理副產(chǎn)物的剩余污泥量在逐年增加。由于處理成本高且容易產(chǎn)生二次污染，剩余污泥的處理處置已經(jīng)成為社會關(guān)注的熱點。污泥濃縮作為剩余污泥處理處置的第一個環(huán)節(jié)，起到初步降低污泥體積以利于后續(xù)處理的作用。針對傳統(tǒng)重力濃縮工藝存在占地面積大、污泥濃縮效果差、上清液污染物濃度高等問題，科研人員提出了利用微濾（MF）膜分離技術(shù)進行剩余污泥濃縮的工藝（MST）。相對于傳統(tǒng)的重力濃縮工藝，MST工藝具有占地面積小、剩余污泥濃縮效率高、固體回收率高、上清液污染物濃度低等優(yōu)點。然而，MST工藝仍然存在膜污染嚴重、膜出水無法達標排放等瓶頸問題。

近年來，正滲透（FO）膜分離技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。FO技術(shù)利用膜兩側(cè)的滲透壓差使水分子自發(fā)地從水化學勢高的原料液側(cè)滲透到水化學勢低的汲取液側(cè)。由于FO過程不需要外加壓力且膜孔徑與反滲透膜相當，FO膜比MF膜具有更好的污染物截留效果和更小的膜污染趨勢?；?/span>FO技術(shù)的特點，有研究者提出采用FO膜進行剩余污泥濃縮（FST），在保證污泥濃縮效果的同時利用FO膜的高效截留能力實現(xiàn)膜出水的達標排放甚至回用，克服原有MST工藝存在的不足。然而，在已有的報道中，FST工藝的運行時間一般不超過30h，缺少在長期運行條件下FO對污泥濃縮效果的研究。此外，現(xiàn)有報道缺少對FO膜出水水質(zhì)和FO膜污染的系統(tǒng)分析。因此，為了驗證FST工藝長期運行的可行性，筆者以城市污水處理廠的剩余活性污泥作為研究對象，考察了兩個連續(xù)運行周期FST工藝的污泥濃縮效果、FO膜出水水質(zhì)、膜通量和膜污染等。

1、材料與方法

1.1 實驗裝置

FST工藝流程如圖1所示。FST工藝包括進泥系統(tǒng)、污泥濃縮裝置、汲取液系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)。貯泥罐中的剩余污泥（濃度為4~5g/L）由蠕動泵注入污泥濃縮裝置。污泥濃縮裝置的有效容積為3.8L，內(nèi)設(shè)一片FO膜組件（其活性層朝向污泥混合液），并配有液位控制器來維持污泥液位穩(wěn)定。FO膜組件采用三醋酸纖維（CTA）材質(zhì)的FO膜片，其有效面積為0.024m2。汲取液系統(tǒng)由1和5mol/LNaCl溶液組成。汲取液的循環(huán)速率為0.4L/min，通過在線電導率控制儀維持汲取液濃度的穩(wěn)定，即當汲取液電導率值低于1mol/LNaCl溶液對應的電導率時，濃鹽泵將5mol/L的NaCl溶液打入汲取液罐，直至汲取液電導率恢復到設(shè)定值。

為了減緩FO膜污染并維持微好氧環(huán)境防止氮磷釋放，在FO膜組件底部安裝了穿孔管進行曝氣，曝氣量控制在7L/min左右。FST工藝運行過程中的溫度始終維持在25~30℃。由于在污泥濃縮過程中不需要排泥，FST工藝的污泥停留時間（SRT）等于工藝的運行時間（約13d）。由于FO膜通量會隨著運行時間的延長逐漸衰減，FST工藝的水力停留時間（HRT）也會隨著FO膜通量的變化而變化（整個運行過程的HRT為26.6~52.8h）。

1.2 剩余活性污泥

實驗所用剩余活性污泥取自無錫蘆村污水處理廠，過篩去除砂礫等大顆粒后備用。剩余污泥的懸浮固體濃度（MLSS）為（4.6±0.8）g/L，揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）為（2.0±0.5）g/L，MLVSS/MLSS為0.44±0.06，黏度為（4.8±2.5）mPa?s。

1.3 分析方法

FO膜通量采用單位時間內(nèi)通過單位膜面積的透水量來表示，單位為L/（m2?h）。反應器中污泥混合液的電導率采用便攜式電導率儀測定。MLSS、MLVSS、進泥上清液、濃縮污泥上清液以及FO膜出水的NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN和TP濃度均采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）進行測定。進泥上清液、濃縮污泥上清液、FO膜出水的有機物濃度采用TOC分析儀測定。溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）和附著性胞外聚合物（BEPS）分別采用離心過濾法和熱水浴離心法進行提取。首先從反應器中取20mL污泥混合液置于離心管中，在8000r/min、4℃下離心10min，經(jīng)過0.45μm濾膜過濾后的上清液即為SMP；將上述沉淀污泥重新懸浮于等體積去離子水中，隨后在80℃下水浴30min，待冷卻后于12000r/min、4℃下離心15min，過濾后得到的上清液即為BEPS。SMP和BEPS的含量以蛋白質(zhì)和多糖含量的加和來表示。蛋白質(zhì)和多糖含量分別采用福林酚法和苯酚-硫酸法測定。

FST工藝運行結(jié)束以后，對FO膜污染進行分析。首先裁取5cm×5cm的FO污染膜，將膜面污染物輕輕刮下，從而獲得膜面的可逆污染物，再將去除可逆污染物的FO膜通過超聲（50Hz，10min）提取不可逆污染物。FO膜的可逆污染物和不可逆污染物的總固體（TS）和揮發(fā)性固體（VS）濃度采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）進行測定。此外，裁取1cm×1cm的FO污染膜，在35℃下烘干以后用場發(fā)射電子顯微鏡（FE-SEM）觀察污染膜的形態(tài)，并通過X射線能譜分析儀（EDS）分析污染膜面的元素種類。

2、結(jié)果與討論

2.1 污泥濃度的變化

FST工藝進行了兩個周期的剩余污泥濃縮實驗。具體來說，第一個周期運行結(jié)束后排出反應器中的濃縮污泥，然后對FO膜進行物理清洗，注入新的剩余污泥后進行第二個周期的污泥濃縮。兩個連續(xù)運行周期內(nèi)污泥濃度的變化見圖2?？梢钥闯?，當進泥濃度為5g/L左右時，經(jīng)過13d的運行，FST工藝在兩個運行周期內(nèi)都可以將剩余污泥的MLSS和MLVSS分別提升到30g/L和12.5g/L以上，實現(xiàn)了污泥濃縮。與MST工藝相比，FST工藝獲得了相同的剩余污泥濃縮效果，滿足了污泥濃縮要求。由于采用曝氣來緩解FO膜污染，FST工藝運行過程中始終維持微好氧環(huán)境（DO濃度為1~2mg/L），導致MLSS和MLVSS的累積消解率分別達到20%和22%左右，在一定程度上實現(xiàn)了剩余污泥減量化。

污泥消解過程一般伴隨著EPS的變化。為了進一步驗證污泥濃縮過程中污泥減量來自消解，對FST工藝運行過程中SMP和BEPS的變化進行了分析，結(jié)果如圖3所示。可以看出，在FST工藝運行過程中EPS呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其中BEPS的下降趨勢明顯，而SMP的下降趨勢相對緩慢。

在污泥濃縮過程中，由于缺乏營養(yǎng)物質(zhì)，EPS容易被微生物利用，造成EPS濃度下降。在EPS降解過程中，主要是BEPS被微生物降解為小分子有機物釋放到混合液中，成為SMP的一部分，因此SMP的濃度下降程度不大。上述EPS的變化趨勢進一步佐證了FST工藝運行過程中確實存在一定量的污泥消化。

2.2 FO膜通量和混合液電導率的變化

FST工藝運行過程中FO膜通量與污泥混合液電導率的變化如圖4所示。可以看出，在FST工藝運行過程中，反應器中污泥混合液的電導率不斷上升，第一個周期從最初的7.6mS/cm升高到21.2mS/cm，而第二個周期從最初的7.1mS/cm升高到18.2mS/cm。鹽度積累主要歸因于污泥濃度的升高和汲取液溶質(zhì)的反向擴散。為了區(qū)分二者對鹽度積累的貢獻，借助將剩余污泥靜沉濃縮到30g/L的對比實驗，分別計算了污泥濃度升高和反向鹽擴散導致的鹽度積累值。結(jié)果表明，污泥濃度升高導致的鹽度積累值小于3mS/cm，而兩個運行周期的反向鹽擴散導致的鹽度積累值分別為13.3和10.8mS/cm，這說明FST工藝運行過程中鹽度積累主要歸因于反向鹽擴散。此外，根據(jù)已報道的反向擴散通量的計算方法，FST工藝在兩個運行周期中反向鹽擴散通量分別為3.52和2.64g/（m2?h）。與電導率的變化相反，FO膜的運行通量呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，第一個周期由最初的6.04L/（m2?h）下降到第13天的3.04L/（m2?h），而第二個周期由最初的5.36L/（m2?h）下降到第13天的2.97L/（m2?h）。根據(jù)已有的文獻報道，FO膜通量的下降主要歸因于鹽度積累和膜污染。為了區(qū)分鹽度積累和膜污染對FO膜通量衰減的貢獻，在第一個運行周期結(jié)束后，對FO膜進行了物理清洗（采用海綿擦拭和水流沖洗的方式去除可逆污染物質(zhì)），隨后將FO膜投入第二個周期。結(jié)果表明，在FST工藝的第二個運行周期，FO膜通量的變化與第一個周期相似，這說明膜污染對FO膜通量衰減的貢獻不大，鹽度積累是導致FO膜通量衰減的主因。此外，第二個運行周期的FO膜初始通量略低于第一個周期的，說明FO膜存在一定的不可逆污染，但是經(jīng)過物理清洗后FO膜初始通量恢復了90%左右，表明可逆污染是FO膜的主要污染類型。

2.3 出水水質(zhì)情況

FST工藝運行過程中進泥上清液、濃縮污泥上清液和FO膜出水的水質(zhì)見表1。可以看出，由于工藝運行過程中伴隨著剩余污泥的消化和污泥濃度的升高，濃縮污泥上清液中各項水質(zhì)指標的濃度均高于進泥上清液。然而，由于FST工藝維持在微好氧環(huán)境，濃縮污泥上清液并未出現(xiàn)大量NH4+-N釋放到上清液中的現(xiàn)象，與此同時濃縮污泥上清液中的NO3--N濃度卻在不斷上升。由于FO膜的高效截留能力，FO膜出水中的TOC濃度小于3mg/L，NH4+-N和TN濃度分別小于0.3和9mg/L，TP更是檢測不出。為了實現(xiàn)NaCl和水的分離，FO膜出水一般還會采用納濾、膜蒸餾和反滲透等技術(shù)進行處理。考慮到實際運行的要求，FST工藝將會采用反滲透進行汲取液溶質(zhì)和水的分離。在FST工藝運行過程中，FO膜出水的TOC、NH4+-N、NO3--N、TN和TP濃度均可以達到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920―2002）和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918―2002）一級A標準，可以直接排放或回用。相比于MST工藝與傳統(tǒng)的重力濃縮工藝，FST工藝的出水水質(zhì)具有明顯優(yōu)勢。

2.4 膜污染分析

FST工藝運行兩個周期后污染的FO膜與物理清洗后的FO膜的照片如圖5（a）、（b）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，FO膜表面有一層明顯的污染物，但是經(jīng)過簡單的物理清洗后，FO膜表面的污染物基本被去除。這表明在FST工藝運行過程中FO膜污染以可逆污染為主，與前面獲得的結(jié)論一致。與MST工藝相比，在相同的污泥濃度下，FST工藝的膜污染更輕且通量恢復率更高，這充分說明了FO膜在高污泥濃度下具有更好的抗污染能力，更適合污泥濃縮。

為了進一步分析FO膜面污染物的形貌特征，在運行結(jié)束后借助SEM對污染的FO膜和物理清洗后的FO膜進行了分析，見圖5（c）、（d）?？梢钥闯觯廴镜?/span>FO膜表面明顯覆蓋著一層污染物，不過FO膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)依稀可見，這說明在污泥濃度持續(xù)上升的FST工藝中FO膜的污染并不嚴重。經(jīng)過物理清洗后，FO膜面還是殘留了少量污染物質(zhì)，但是FO膜的結(jié)構(gòu)基本顯現(xiàn)出來。

為了進一步了解FO膜表面污染物質(zhì)的組成，分別對FO膜面的可逆污染物和不可逆污染物進行了分析，結(jié)果表明，可逆污染物的TS為50.58g/m2，遠大于不可逆污染物的（18.40g/m2），且二者都以有機物和微生物為主（其VS/TS分別為0.84和0.91）。FO膜面的有機物和微生物主要來自濃縮污泥的EPS。EDS分析結(jié)果表明，FO污染膜表面C、O、Fe、Si、N元素的占比分別為49.4%、39.5%、4.1%、1.7%和1.4%，物理清洗后FO膜表面相應的元素占比分別為40.8%、36.3%、5.7%、3.5%和3.3%，可見膜表面的元素組成變化不大，這也說明了物理清洗的局限性，并不能去除不可逆污染物。此外，相比于新膜表面僅含有C、O、S三種元素，新增的N元素說明FO膜表面存在微生物或者有機物，Si、Fe等元素的出現(xiàn)說明FO膜表面也存在一定的無機污染物。

3、結(jié)論

①FST工藝經(jīng)過13d的運行，在維持進泥濃度為4~5g/L的條件下，成功地將剩余污泥MLSS濃縮到30g/L以上。同時，出水水質(zhì)滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920―2002）和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918―2002）一級A標準，可以直接排放或者作為城市雜用水進行回用。

②FO膜的抗污染能力強，FST工藝膜污染以可逆污染為主，簡單的物理清洗可達到約90%的通量恢復率。FO膜面可逆污染物的TS遠大于不可逆污染物的，且均以有機物和微生物為主。FST工藝運行過程中FO膜通量下降主要歸因于污泥濃度上升和反向鹽滲透導致的鹽度積累而不是膜污染。（來源：江南大學環(huán)境與土木工程學院，江蘇省生物質(zhì)能與減碳技術(shù)工程實驗室，江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心）