粉末活性炭強(qiáng)化MBR耐重金屬?zèng)_擊及抗膜污染能力的試驗(yàn)

王成剛，鄭從歡，聶瑞光，彭學(xué)良，陳 銘

(江門(mén)市崖門(mén)新財(cái)富環(huán)保工業(yè)有限公司，廣東江門(mén) 529100)

氰化鍍銅是目前應(yīng)用最為廣泛的底層鍍銅工藝，氰化物有極強(qiáng)的絡(luò)合能力,能夠確保在任何基體上都能獲得結(jié)合力很好的底層銅鍍層。氰化鍍銅的槽液由銅氰絡(luò)鹽和一定量的游離氰化物及添加劑組成，主要成分包括氰化亞銅、酒石酸鉀鈉、氰化鈉、硫氰酸鉀等[1]。企業(yè)一般會(huì)將含銅含氰廢水混合后進(jìn)行處理，廢水經(jīng)調(diào)節(jié)池均質(zhì)后，先堿化，然后加入次氯酸鈉進(jìn)行一級(jí)破氰，二級(jí)破氰，再加堿和混凝劑、絮凝劑，形成金屬沉淀物絮體，進(jìn)入沉淀池分離，清水進(jìn)入后續(xù)生化系統(tǒng)處理[2]。

雖然含氰銅廢水進(jìn)行物化后各指標(biāo)出水濃度降低，但在生化系統(tǒng)的富集仍會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生抑制，從而導(dǎo)致活性污泥的性狀改變，發(fā)生膜污染，處理效果不理想的情況。因此，采用具有高污泥濃度的膜生物反應(yīng)器投加高吸附性能的粉末活性炭，既可以有效地將水中的微量重金屬富集，降低對(duì)微生物的影響，減緩膜污染的發(fā)展，又可以提高對(duì)氨氮、CODCr的去除效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)進(jìn)水

試驗(yàn)用的含氰銅廢水取自廣東省某工業(yè)園區(qū)的物理化學(xué)處理后的產(chǎn)水，具體水質(zhì)如表1所示。水質(zhì)中未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)為CODCr和氨氮。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)Tab.1 Designed Influent Quality

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用的裝置如圖1所示，試驗(yàn)污泥取自廣東省某污水處理廠，污泥濃度為8 g/L。膜生物反應(yīng)器(MBR)水力停留時(shí)間(HRT)為24 h，試驗(yàn)中所用膜組件為PVDF超濾中空纖維膜。投加的為120目的椰殼粉末活性炭，投加量為1 g/L。所用裝置與材料的具體信息如表2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic Diagram of Experiment Setup

表2 試驗(yàn)材料Tab.2 Test Materials

1.3 分析方法

總氰化物測(cè)定參照HJ 823—2017；氨氮測(cè)定參照HJ 666—2013；COD測(cè)定參照HJ 828—2017；重金屬含量測(cè)定參照HJ 776—2015；固體廢物銅、鋅測(cè)定參照GB/T 15555.2—1995；固體廢物總鉻測(cè)定參照HJ 749—2015；固體廢物鎳測(cè)定參照GB/T 15555.9—1995；急性毒性測(cè)定參照GB/T 15441—1995。

生物抑制性測(cè)定：有毒物質(zhì)對(duì)微生物的抑制作用，會(huì)降低微生物的新陳代謝活動(dòng)，消耗有機(jī)物的速度降低，耗氧速率就會(huì)降低。生物抑制性可以用呼吸速率來(lái)衡量，采用呼吸速率儀測(cè)定。將污泥和混有粉末活性炭的污泥接種到電鍍廢水中，比較單位時(shí)間，單位質(zhì)量污泥的呼吸速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物的去除效果

運(yùn)行穩(wěn)定后，CODCr和氨氮的去除效果如圖2、圖3所示。進(jìn)水CODCr穩(wěn)定在300～400 mg/L，由于MBR能維持較高微生物濃度，提高了系統(tǒng)對(duì)污染物整體的去除效率，出水平均CODCr為56.3 mg/L，且數(shù)值較為穩(wěn)定。氨氮進(jìn)水在50～60 mg/L，出水氨氮濃度低于5 mg/L，達(dá)到了電鍍行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)；投加粉末活性炭的MBR系統(tǒng)對(duì)CODCr的去除率進(jìn)一步提高，出水CODCr低于20 mg/L,氨氮去除率達(dá)到99%。

圖2 CODCr去除效果Fig.2 Effect of CODCr Removal

圖3 氨氮去除效果Fig.3 Effect of Ammonia Nitrogen Removal

研究表明，投加粉末活性炭后，活性污泥會(huì)以活性炭為載體形成生物活性炭，活性炭通過(guò)吸附及基團(tuán)捕捉效應(yīng)吸附水中有機(jī)物，吸附的污染物又會(huì)被微生物逐漸降解，從而使得活性炭的吸附能力再生，這樣就形成一個(gè)吸附-降解-吸附的動(dòng)態(tài)作用周期[3-4]，活性炭的存在提高了有機(jī)物和微生物的接觸頻率，提高系統(tǒng)中污染物的去除效率。

2.2 物化出水對(duì)活性污泥特性影響

2.2.1 污泥中重金屬

大量研究表明，重金屬對(duì)活性污泥處理系統(tǒng)的基本生理過(guò)程有不利影響，從而影響系統(tǒng)的處理效率，具體表現(xiàn)為：微生物的處理污染物的效率降低；對(duì)微生物產(chǎn)生呼吸速率抑制；微生物為抵御惡劣環(huán)境分泌胞外聚合物(EPS)[5-7]。選取出水穩(wěn)定條件下進(jìn)出水及活性污泥進(jìn)行重金屬含量測(cè)定，結(jié)果如表3所示。活性污泥通過(guò)絡(luò)合和離子作用對(duì)重金屬有一定的吸附作用，但效果不大，投加活性炭后污泥中的重金屬含量顯著增加，出水中的金屬含量下降，活性炭富集很多重金屬，優(yōu)化了微生物的生活環(huán)境，這也與2.1污染物去除效果吻合。

表3 金屬含量Tab.3 Content of Heavy Metal

2.2.2 生物毒性及抑制性

廢水生物毒性采用發(fā)光菌綜合毒性檢測(cè)。發(fā)光細(xì)菌法作為一種靈敏、快速、廉價(jià)的生物檢測(cè)手段，普遍應(yīng)用于生物毒性的測(cè)定[8]。發(fā)光細(xì)菌受到有害物質(zhì)干擾時(shí)，發(fā)光代謝受到影響，根據(jù)有害物質(zhì)的種類(lèi)與濃度不同，菌體發(fā)光強(qiáng)弱程度不同，據(jù)此以監(jiān)測(cè)有害物質(zhì)的毒性，結(jié)果如表4所示。

表4 生物毒性及呼吸速率檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Test Results of Biological Toxicity and Inhibition

物化出水對(duì)發(fā)光菌的抑制率為100%，經(jīng)過(guò)物化系統(tǒng)處理后的出水仍具有很高的生物毒性，會(huì)對(duì)膜反應(yīng)池中的微生物產(chǎn)生抑制作用，影響微生物對(duì)生化進(jìn)水中有機(jī)污染物的生化降解作用。

從結(jié)果來(lái)看，投加和未投加粉末活性炭的活性污泥呼吸速率存在差異，含銅氰廢水會(huì)對(duì)活性污泥產(chǎn)生抑制，投加的活性炭可以將水中的重金屬吸附到微孔、中孔中，或通過(guò)離子交換進(jìn)行化學(xué)吸附，從而減少水中重金屬含量，減少對(duì)微生物的沖擊。結(jié)果再次證明，含銅氰廢水對(duì)微生物有抑制作用，而粉末活性炭可以減少其毒害。

2.3 對(duì)膜污染影響

2.3.1 粒徑變化

加入活性炭,使污泥混合液中小顆粒絮體結(jié)構(gòu)以及游離細(xì)菌微生物，以活性炭為載體，聚合成更大的污泥絮體結(jié)構(gòu)，形成了更大的污泥顆粒，添加了活性炭的活性污泥的粒徑范圍向高粒徑方向偏移，相比MBR活性污泥平均粒徑增大了72 μm。在曝氣作用下，污泥粒徑越大，膜表面錯(cuò)流作用增強(qiáng)，越不易沉積在膜的表面，因此，投加粉末活性炭形成的較大的污泥粒徑有利于改善水力學(xué)性能，減緩膜污染的發(fā)生[9-10]。

圖4 粒徑分布Fig.4 Particle Size Distribution

2.3.2 跨膜壓差變化

試驗(yàn)期間均不排泥，不進(jìn)行在線清洗、反沖洗及離線化學(xué)清洗，在運(yùn)行50 d時(shí)進(jìn)行一次化學(xué)清洗，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。膜污染的發(fā)展可以分為兩個(gè)階段：第一階段在跨膜壓差隨著運(yùn)行緩慢地增長(zhǎng)，主要由混合液中的微生物代謝產(chǎn)物，溶解性物質(zhì)、膠體物質(zhì)附著在膜表面所引起，即使在膜表面保持良好的水力條件下，緩慢污染也會(huì)發(fā)生；第二階段在膜表面有明顯的污染物沉積，膜孔的堵塞造成實(shí)際通量比臨界通量大，膜組件通量的不均勻性，使得局部通量大于臨界通量，跨膜壓差跳躍發(fā)展[11]。投加活性炭的MBR膜污染第一階段發(fā)展緩慢，且第二階段相對(duì)于未投加活性炭的污染程度低，這是由于投加的活性炭減緩了重金屬對(duì)微生物的毒害，活性炭吸附了更多的有機(jī)物，減緩了膜面有機(jī)物的污染。

圖5 跨膜壓差變化Fig.5 Variation of TMP in MBR and MBR-AC

3 結(jié)論

活性炭具有很強(qiáng)的離子交換和吸附能力，將活性炭加入到MBR系統(tǒng)后，它能夠與微生物相互促進(jìn)，使系統(tǒng)的氨氮去除率達(dá)到99%，COD去除率可達(dá)92%以上；其次，活性炭能夠吸附水中的重金屬，降低重金屬對(duì)系統(tǒng)的抑制作用；活性炭的投加使活性污泥平均粒徑增大了72 μm，有效降低膜污染程度。活性炭的加入產(chǎn)生了“1+1>2”的協(xié)同作用，進(jìn)一步加強(qiáng)了MBR系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。