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(jìn)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(yán)重、膜出水無法達(dá)標(biāo)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(xué)勢高的原料液側(cè)滲透到水化學(xué)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(dāng)，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(jìn)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(dá)標(biāo)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(jìn)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(dǎo)率控制儀維持汲取液濃度的穩(wěn)定，即當(dāng)汲取液電導(dǎo)率值低于1mol/LNaCl溶液對應(yīng)的電導(dǎo)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(dǎo)率恢復(fù)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(jìn)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(yīng)器中污泥混合液的電導(dǎo)率采用便攜式電導(dǎo)率儀測定。MLSS、MLVSS、進(jìn)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(jìn)行測定。進(jìn)泥上清液、濃縮污泥上清液、FO膜出水的有機(jī)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(jìn)行提取。首先從反應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yīng)器中的濃縮污泥，然后對FO膜進(jìn)行物理清洗，注入新的剩余污泥后進(jìn)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(dāng)進(jìn)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(dǎo)致MLSS和MLVSS的累積消解率分別達(dá)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(jìn)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(jìn)行了分析，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，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(jī)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(jìn)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(dǎo)率的變化

FST工藝運行過程中FO膜通量與污泥混合液電導(dǎo)率的變化如圖4所示?？梢钥闯?，在FST工藝運行過程中，反應(yīng)器中污泥混合液的電導(dǎo)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(kuò)散。為了區(qū)分二者對鹽度積累的貢獻(xiàn)，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(kuò)散導(dǎo)致的鹽度積累值。結(jié)果表明，污泥濃度升高導(dǎo)致的鹽度積累值小于3mS/cm，而兩個運行周期的反向鹽擴(kuò)散導(dǎo)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(kuò)散。此外，根據(jù)已報道的反向擴(kuò)散通量的計算方法，FST工藝在兩個運行周期中反向鹽擴(kuò)散通量分別為3.52和2.64g/（m2?h）。與電導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)，在第一個運行周期結(jié)束后，對FO膜進(jìn)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(xiàn)不大，鹽度積累是導(dǎo)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(fù)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(jìn)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(biāo)的濃度均高于進(jìn)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(jìn)行處理?？紤]到實際運行的要求，FST工藝將會采用反滲透進(jìn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)》（GB18918―2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)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(jìn)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(jìn)行了分析，見圖5（c）、（d）?？梢钥闯?，污染的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(yán)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(jìn)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(jìn)行了分析，結(jié)果表明，可逆污染物的TS為50.58g/m2，遠(yuǎn)大于不可逆污染物的（18.40g/m2），且二者都以有機(jī)物和微生物為主（其VS/TS分別為0.84和0.91）。FO膜面的有機(jī)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(yīng)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(jī)物，Si、Fe等元素的出現(xiàn)說明FO膜表面也存在一定的無機(jī)污染物。

3、結(jié)論

①FST工藝經(jīng)過13d的運行，在維持進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)》（GB18918―2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)，可以直接排放或者作為城市雜用水進(jìn)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(dá)到約90%的通量恢復(fù)率。FO膜面可逆污染物的TS遠(yuǎn)大于不可逆污染物的，且均以有機(jī)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(dǎo)致的鹽度積累而不是膜污染。（來源：江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)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）