正渗透耦合厌氧工艺回收市政污水碳源.pdf

第 卷第 期 年 月南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：正渗透耦合厌氧工艺回收市政污水碳源郭文萱，张壹超，杨鹏飞，朱芳琳，刘志强（青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛）收稿日期：作者简介：郭文萱（），女，：；刘志强（联系人），教授，：引用格式：郭文萱，张壹超，杨鹏飞，等正渗透耦合厌氧工艺回收市政污水碳源南京工业大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：摘 要：以市政污水为研究对象，混凝、吸附为预处理工艺，正渗透和厌氧生物反应器为主体工艺，研究市政污水经碳源浓缩、厌氧消化后实现气体回收、能量自给的可能性。结果表明：复配投加 的聚合氯化铝和 的活性炭时市政污水化学需氧量（）和浊度的去除效果最好，经正渗透浓缩后市政污水中 可浓缩至 ，是原质量浓度的 倍；当混凝吸附污泥和厌氧污泥比例为 ，水力停留时间为 ，氨氮（）和 质量浓度分别低于 和 时，碳源浓缩液的产气效率最高。关键词：正渗透；市政污水；碳源浓缩；碳中和；厌氧消化中图分类号：；文章编号：（），（，）：，（），：；为秉承绿色发展观，平衡资源开发利用过程中的长短期利益关系，习近平总书记在 年提出了“目标”，即我国在 年前实现碳达峰以及在 年前实现碳中和。为达成这一目标，实现能源多元化和零排放的美好愿景，我国的水处理行业开始寻求改革转型。传统的污水处理工艺需要消耗大量的电能和药剂，处理流程中部分能量还会被直接矿化产生温室气体，有机能量回收率低且会造成环境污染。因此，一些污水厂开始引入“碳捕捉”技术，将污水中的碳源富集到污泥中，再对污泥中的碳源进行厌氧消化，以达到能源自给甚至产能外用。常见的“碳捕捉”技术有化学强化一级处理工艺（）和高负荷活性污泥工艺（）等。技术最早由 等提出，该技术对碳源的富集效果取决于混凝剂的品种以及投加方式。等对比（）和 对碳源的富集效果，发现 对碳源的富集效果更好，化学需氧量（）去除率可达。等发现混合投加混凝剂和絮凝剂相较于单一投加方式更能有效捕捉碳源。等长期研究采用 的污水厂，发现虽然 的捕获率只有，但其氧化率为，有机物持留达到了。技术的出现解除了早期吸附生物降解（）工艺脱氮能源需求的限制，使得 工艺得到了进一步发展。奥地利的 污水厂将 工艺与厌氧氨化以及热电联产工艺相结合，能源自给率高达，是世界首座资源化水厂。等对比了不同条件下 段的胞外聚合物（）产量以及碳源浓缩效果，结果表明污泥停留时间为 、溶解氧质量浓度为 时碳源浓缩效果最好。近年来，膜处理技术和微筛技术也相继被应用于捕捉碳源。等用高负荷膜生物反应器（）在水力停留时间 和污泥龄 的条件下浓缩污水中的有机物，发现可回收 的 且矿化率低于。等用正渗透膜浓缩污水，发现污水浓缩到原体积的 时，溶解性有机碳和总磷浓缩了 倍。段燕青用微筛技术回收活性污泥中的颗粒性碳源，发现孔径 的微筛能截留约 的碳源，颗粒性碳源的氧化损失降低了 。本文用混凝吸附做预处理以强化市政污水中碳源的浓缩效果，用正渗透膜处理技术对处理后的市政污水进行浓缩，再对浓缩液进行厌氧消化，考察市政污水浓缩液的产甲烷能力，探究对市政污水进行能源回收的可能性。材料与方法 原料液和汲取液试验的原料取自青岛市海泊河污水厂，汲取液取自团岛海域，市政污水和海水均需经简单过滤沉淀后再投入使用，水质指标如表 所示。表 试验用水水质指标 水质质量浓度（）（）氨氮（）总磷（）总氮（）电导率（）市政污水 海水 正渗透膜试验采用 正渗透膜，该膜活性层材质为三乙酸纤维，支撑层材质为聚酯丝网。对比其他正渗透膜，渗透膜具有水通量稳定、截留率高 和 浓 缩 效 果 好 等 优 点。所 用 膜 的 尺 寸 为 ，有效膜面积为 ，扫描电子显微镜（）图像如图 所示。厌氧试验污泥厌氧试验接种污泥取自青岛海泊河污水厂厌氧消化回流污泥，混合液悬浮固体质量浓度（）为 ，混合液挥发性悬浮固体质量浓度图 膜的 图像 （）为 ，可挥发性固体悬浮物与总悬浮固体质量比（）约为 ，为 。南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 混凝剂和吸附剂，纯度（质量分数），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；聚合氯化铝（）、聚合硫酸铁（），分析纯，天津鼎盛鑫化工有限公司；活性炭，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。试验装置试验装置由正渗透和厌氧消化两部分组成，如图 所示。正渗透试验装置由原料液量杯、汲取液量杯、蠕动泵、膜组件以及天平组成，水流方向由蠕动泵提供动力实现，膜组件由上下两块有机玻璃反应腔室夹住正渗透平板膜片而构成，上下腔室内均设有浸没式的水流通道。厌氧试验装置由上流式厌氧污泥床（）反应器主体、蠕动泵、出水罐、湿式气体流量计和甲烷收集瓶组成，反应器内置搅拌桨保持污泥混合。正渗透浓缩后的市政污水在蠕动泵的作用下向上通过污泥床，在厌氧环境中发酵降解出 和甲烷，产生的气体导入湿式气体流量计收集。图 试验装置示意图 分析方法 采用重铬酸钾法和碱性高锰酸钾法测定；含量（质量浓度，下同）采用纳氏试剂分光光度法测定；含量采用过硫酸钾氧化 紫外分光光度法测定；含量采用钼酸铵分光光度法测定；电导率采用哈纳 型台式电导率仪测定；采用哈希 型多参数分析仪测定；浊度采用哈希 型便携式浊度仪测定。计算方法截留率的计算方法见式（）。（）（）式中：为截留率（基于原料液侧污染物剩余），；为试验开始原料液中污染物的质量浓度，；为试验开始时原料液的体积，；、分别为试验开始和结束时汲取液中污染物的质量浓度，；、分别为试验开始和结束时汲取液的体积，。药剂负荷（）的计算方法见式（）。（）式中：为去除污染物质量，；为药剂投加质量，。结果与讨论 混凝剂种类和剂量的选择试验正式开始前对市政污水水样进行混凝预处理，能够有效提高市政污水的浓缩率和降低膜污染。目前，常用的混凝剂有、和。取不同剂量的混凝剂置于烧杯中进行小试试验，搅拌静置 后取上清液，考察 种混凝剂在不同投加量下对市政污水药剂负荷和 去除率的影响，结果见图。由图 可知：污水中 的去除率先随着混凝剂投加量（以混凝剂在污水中的质量浓度计，下同）的增大而增大，当混凝剂投加量达到一定值后 去除率基本趋于平稳。同一投加量时，对 的去除率皆高于 和 的，最大去除率可达。此外，对比 种混凝剂在不同投加量下的药剂负荷，和 的药剂负荷优于。当投加量为 时，药剂负荷达到峰值，对应的 去除率为；当 投加量为 时，药剂负荷达到峰值，对应的 去除率为。因此，选择 作混凝剂，最佳投加量为 。第 期郭文萱等：正渗透耦合厌氧工艺回收市政污水碳源图 混凝剂种类和投加量对药剂负荷和 去除率的影响 复配吸附剂投加量的选择单独添加混凝剂虽然可以提高市政污水 的去除率，但是污水中过半的 仍旧存在于上清液中，因此，考虑进一步添加吸附剂来降低污水浊度，从而强化原料液侧碳源的浓缩效果。先往每个水样中添加质量浓度为 的，再投入不同剂量的活性炭粉末以探究混凝剂复配吸附剂后对污水中 和浊度去除效果的影响，结果见图。图 吸附剂不同投加量下 和浊度去除率的变化 由图 可知：去除率会随着吸附剂投加量的增大而增大，去除率峰值可达 ，相较于单独投加 的 时提高了 。浊度去除率先随投加量的增大而增大，当活性炭投加量为 时，去除率为 ，达到了最大值。当活性炭投加量大于 时，浊度去除率会随着投加量的增大呈现波动，这主要因为过量的混凝剂和吸附剂会导致胶体脱稳，从而使污水中的悬浮物增多，浊度去除率下降。因此，选用 作为活性炭的投加量，复配 的 对正渗透前的市政污水进行预处理，去除率可达 。市政污水碳源浓缩效果已知未经混凝吸附处理的市政污水的 质量浓度约为 ，将未处理的污水、投加混凝剂的污水和复配投加混凝剂和吸附剂的污水分别通过正渗透装置运行 ，运行过程中原料液侧浓缩的市政污水始终不向外排出，考察正渗透处理后 种污水的 浓缩情况，结果见图。图 不同处理条件对 浓缩效果的影响 由图 可知：前 增长较快，后趋于平缓，这主要是膜孔堵塞和膜两侧渗透压差降低引起水通量下降所致。对比 种工况下 的浓缩情况可知，复配 和活性炭的污水 浓缩效果最好，试验结束时 为初始的 倍，达到了 ，约是直接浓缩时的 倍，比单独投加 时的高出了约 。这证实了复配 和活性炭可以有效去除污水中有机物和悬浮物的结论，同时还表明混凝吸附可以有效减少膜污染，强化碳源浓缩。污泥比例对产气效果的影响为保证厌氧反应器内环境和微生物量的稳定，将混凝吸附产生的污泥与厌氧污泥按不同比例（、和）混合，考察各混合比例下葡萄糖营养液的产气情况，从而为后续浓缩液产甲烷试验确定最佳的污泥配方，结果见图。由图 可知：反应前期产气量增速较快，约在第 天和第 天左右有较大增量，第 天后基本稳定。出现较大增量主要是因为厌氧微生物消化了混凝剂表面的有机物和内部的长链有机物。当混凝吸附污泥和厌氧污泥比例为 时，累计产气量可达 ，约是比例 时的 倍，但是该混合南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷图 不同污泥比例下累计厌氧产气量的变化 比例下营养液的前期产气效果较差。当混凝吸附污泥和厌氧污泥比例为 时，营养液前期产气速率快，但试验结束时累计产气量远小于 时的累计产气量。因此，混凝吸附污泥和厌氧污泥比例为时，综合产气效率最高。水力停留时间对浓缩液产甲烷效果的影响正渗透浓缩后的市政废水中含有高浓度的污染物，可能会阻碍厌氧产气进程，所以需要延长水力停留时间以提高产气性能。将 节中复配投加 和活性炭的碳源浓缩液在各水力停留时间下连续运行 ，考察其产甲烷情况，结果见图。图 不同水力停留时间下甲烷产量的变化 由图 可知：各水力停留时间下甲烷产量主要集中在前 ，第 天时甲烷产率达到峰值。当水力停留时间为 时，甲烷产量最低且不稳定，这可能是因为水力停留时间过低，厌氧微生物与有机物无法完全反应。当水力停留时间为 时，甲烷产率最高可达 ，累计产甲烷量可达，按照 理论最大产甲烷量为 进行计算，此时浓缩液的厌氧可生化率为 ，厌氧产气效率高。此外，水力停留时间为 和 时，浓缩液的可生化率也能达到 左右，这主要是因为混凝吸附耦合正渗透的浓缩方式能够避免厌氧微生物的破壁，实现碳源的高效浓缩。浓度对产气效果的影响文献研究表明，高浓度的 会导致盐析作用，从而使得脱氢酶活性降低，厌氧微生物原生质分离。因此，在水力停留时间为 的条件下，将含空白组在内的 组不同 质量浓度的培养液进行产气实验，考察 对产气速率的影响，结果见图。图 不同质量浓度下产气量的变化 由图 可知：产气过程主要集中在反应前期，与空白组进行对照，低浓度的 对产气效果有促进作用，高浓度的 则会阻碍产气。当 质量浓度低于 时，的产气速率峰值均在 左右；当 浓度高于 时，营养液的产气速率较空白组均下降了约。可以看出，对产气进程有“低促高抑”的作用。这表明，厌氧微生物在低浓度的 溶液中活性提高，在高浓度的 溶液中活性降低，应控制碳源浓缩液中的盐反渗量，使 浓度低于 。浓度对产气效果的影响除市政污水浓缩液中反渗的 外，浓缩液中的 也会对厌氧微生物的活性产生影响。用 和葡萄糖配置含空白组在内的 组不同 质量浓度的培养液，考察各组培养液的产气情况，结果见图。由图 可知：质量浓度在 以下时，各组的产气速率均大于空白组，最高可比空白组提高近；当 质量浓度为 时，培养液的产气速率低于空白组，这表明在该浓度下厌 第 期郭文萱等：正渗透耦合厌氧工艺回收市政污水碳源图 不同 浓度下产气量的变化 氧微生物活性降低，产气进程被抑制。低浓度的之所以会促进产气进城是因为其为厌氧微生物提供了必需的增殖元素，同时还提高了反应器内挥发性脂肪酸与碱度的比值，平衡了反应器内的。由此可判断，质量浓度约为 的碳源浓缩液对厌氧产气有促进作用。结论）、混凝剂中，对市政污水 的去除效果最好。当 投加量为 时，药剂负荷最佳，去除率可达 。）复配投加 的 和 的活性炭可进一步提升 去除率至 ，同时还能降低污水的浊度。）对混凝吸附后的市政污水进行正渗透膜浓缩处理，连续运行 后，浓度可至 ，较处理前浓缩了 倍。）混凝吸附污泥与厌氧污泥比例为 、水力停留时间为 时浓缩液的产气效果最好。在该条件下对正渗透浓缩后的市政污水进行产气试验，碳源浓缩液的可生化率为 。）控制碳源浓缩液 质量浓度低于 和 质量浓度低于 ，能提升厌氧微生物的活性从而促进产气。参考文献：王凤，安芮坤，赵璟祎碳中和目标下的政府制度创新南京工业大学学报（社会科学版），（）：王灿，张雅欣碳中和愿景的实现路径与政策体系中国环境管理，（）：张羽就，席佳锐，陈玲，等中国城镇污水处理厂能耗统计与基准分析中国给水排水，（）：，（）：唐娇娇，谢军祥，陈重军，等城镇污水处理厂碳中和技术及案例化工进展，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，：，：，：，：段燕青基于微筛截留 厌氧发酵的城镇污水 污泥碳源反硝化利用研究太原：太原理工大学，（），：王忺混凝吸附强化分离浓缩生活污水合肥：合肥工业大学，：，（）：裴康越市政污泥含氮物质调控对污泥脱水性能及厌氧产气性能影响的研究武汉：华中科技大学，（责任编辑 林本兰）南 京 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷