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物化法去除城市汙水中汙染因子分析

物化法去除城市汙水中汙染因子分析

發布日期:2019-03-13 作者: 點擊:

 2008年荷蘭製定“NEWs框架”, 係統地提出了如何回用汙水, 以及如何回收汙水中的能源資源, 被稱為新一代的汙水處理理念.隨著能源資源短缺問題日趨嚴重, 越來越多的汙水廠選擇轉型.典型的案例有荷蘭Dokhaven廠、新加坡NEWater項目和美國得州EI Paso項目等.無論“NEWs框架”還是各實踐項目, 膜技術都因其對原水水量水質的適應性較強、運行和出水穩定、操作簡單、節約占地麵積等優點而備受推崇.在能量回收方麵, 通常用微濾將非溶解性有機物和溶解性有機物區分開來, 分別回收; 在汙水回用方麵, 則常用納濾和反滲透來滿足不同的回用要求.

  反觀現有的城市汙水處理廠卻僅旨在汙水的達標排放, 並未對其中的資源能源以及汙水本身進行回收回用.此外, 絕大部分城市汙水處理廠的處理工藝是以生物處理為主的, 但處理的廢水卻不都是百分百的生活汙水.一部分工業廢水的匯入使其存在較高的環境風險性, 像汙泥上浮、汙泥膨脹等問題常有報道.因此, 有必要尋找一種簡單、高效且穩定的方法來應急, 甚至於作為新一代汙水處理廠的工藝參考; 回看膜技術在汙水處理領域的應用, 雖然在能量回收和汙水回用方麵都發揮著重要的作用, 但卻忽視了兩個問題:一是城市汙水中的溶解性有機物成分複雜, 不同種類的有機物往往表現出不同的物化特性, 而不同級配的膜對有機物的截留特性亦存在差異性, 故其回收方式應多元化.二是經膜處理後的廢水可作再生水回用, 但被膜富集的目標汙染物, 尤其是溶解性有機物並沒有加以回收利用.因此, 有必要了解不同級配的膜在汙水處理中對溶解性有機物的篩分特性.

  本文選擇城市汙水廠沉砂池出水為研究對象, 以膜逐級篩分為主的物化法為處理工藝, 探究其處理城市汙水的可行性, 同時分析不同級配的膜對城市汙水中溶解性有機物的篩分特性, 以期為概念汙水廠因地製宜的實踐提供多元參考, 並為更好地回收廢水中的能量載體——有機物提供理論基礎, 做到分類收集, 以利於能源轉化最大化.

  1 材料與方法1.1 實驗流程

  為避免無機顆粒對實驗結果的影響, 取汙水廠沉砂池出水為實驗原始水樣, 其基本水質情況見表 1.首先設計微絮凝過濾單元, 選擇工業上常用的精製硫酸鋁為絮凝劑, 目的在於降低原水的SS, 以減輕膜汙染; 隨後設計膜逐級抽濾單元, 選擇常用的0.45、0.22和0.15 μm的醋酸纖維膜以及納濾膜, 探討不同級配的膜對汙水中各類汙染物的去除特性, 重點探討膜逐級抽濾對城市汙水中有機物的篩分特性.

  1.2 實驗方法

  取上述流程中的各級出水, 測其各項常規指標判斷以膜逐級篩分為主的物化法處理城市汙水的可行性.為減小因檢測分析方法帶來的實驗誤差, 膜對溶解性有機物的去除特性分析方法如下:首先對實驗原始水樣中溶解性有機物的相對分子質量及物質含量進行分析, 了解其大致相對分子質量範圍和各區間的占比情況, 以及物質類別和各類別的占比情況.然後對各處理單元不同流程的出水進行采樣, 分析每個出水水樣中溶解性有機物的相對分子質量範圍和各區間的占比情況, 以及物質類別和各類別占比.最後將每個水樣與上一級處理水樣進行對比, 即可得出每一級處理過程對汙水中溶解性有機物的去除特性.

  上述方法中, 需要說明兩點:一是通常人們以能否通過0.45μm膜來區分溶解性有機物和非溶解性有機物, 故在本實驗中所有膜過濾的出水水樣均認為隻含有溶解性有機物, 且為避免醋酸纖維膜表麵的含碳物質對DOC測量值的貢獻, 膜出水的前30 mL水樣全部廢棄.二是原水與微絮凝過濾出水的水樣須經GF/F膜過濾後, 方可測量分析.且GF/F膜須在450℃的高溫下經馬弗爐烘4 h後, 冷卻至常溫使用.

  1.3 分析方法1.3.1 水常規六項

  COD:重鉻酸鹽法(GB 11914-89); TP:過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89); TN:堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-89); NH4+-N:納氏試劑分光光度法(HJ 5352009); SS:英國partech740汙泥濃度計; pH:雷磁phs-3e計; DOC: Multi 3100N/C測定儀.

  1.3.2 溶解性有機物相對分子質量的測定

  采用高效液相色譜測定水樣中的相對分子質量, 原理是利用已知相對分子質量的標準物質, 在一定的實驗條件下測得相對分子質量與出峰時間的關係, 在相同的實驗條件下, 根據此關係可由出峰時間反推被測物的相對分子質量[15].色譜柱型號:PL1149-6820 aquagel-OH 20 8 μm 300×7.5 mm Agilent, 檢測器為紫外-可見檢測器, 設置檢測波長為254 nm.流動相為磷酸鹽緩衝溶液, 流量設置為0.5 mL ·L-1, 進樣量設置為20 μL.本實驗中選用聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)為標準物質(Mr:77 000、17 000、6 800、4 300), 利用丙酮(Mr:58)來校正溶解性有機物的相對分子質量.擬合的曲線如式(1), R2為0.941 1.

 

  式中, Mr為相對分子質量; t為出峰時間, min.

  1.3.3 三維熒光光譜

  采用5J1-0004型熒光分光光度計對樣品中的溶解性有機物進行分類、分析.設置激發波長(Ex)200~450 nm, 發射波長(Em)範圍250~600 nm.掃描間隔采用Ex為5 nm, Em為5 nm, 掃描速度為2 400 nm ·min-1, 以超純水作空白樣.測得數據用Matlab軟件校準後采用尋峰法和熒光區域積分法分析.

  2 結果與討論2.1 常規因子去除特性分析

  各級出水的各項常規因子的平均指標如表 2所示.分析表格中的數據可以發現, 微絮凝過濾對COD、TP和SS的去除效果極佳, 去除率分別為44.86%、89.24%和95.65%.經0.45 μm的醋酸纖維膜過濾後, 各項指標均有所下降, 其中COD、TN和TP去除效果較為顯著, 去除率分別為35.96%、11.68%和89.66%.通過對比發現, 三級微濾膜除第一級對各項汙染因子的去除效果顯著外, 緊接著的兩極微濾膜無論孔徑再小, 其去除效果較第一級相比甚微.經納濾的出水, 各項汙染因子均有明顯下降, 去除效果顯著的指標有COD、TN和NH4+-N, 去除率分別為30.22%、7.96%和22.74%.縱觀以膜篩分為主的整個物化流程, 可發現該物化係統對COD、TP、SS和pH的處理效果極佳, 隨著原始水樣COD的波動, 整套物理係統處理效果較為穩定, 整體去除率保持在78.59%.但對TN和NH4+-N的去除效果一般, 如圖 1所示.綜上所述, 經以膜篩分為主的物化法處理後的城市汙水為低碳氮比廢水, 需進一步處理方可達標.

 

 

  2.2 各級膜出水中溶解性有機物相對分子質量分布特征

  一定相對分子質量區間內的溶解性有機物往往表現出類似的物化特性.城市汙水中的有機物成分複雜, 在“能量概念工藝中”通常將非溶解性有機物和溶解性有機物區分開來, 分別回收.溶解性有機物約占城市汙水有機物的30%~40%, 相對分子質量分布範圍極廣.按照相對分子質量對不同級配的膜處理城市汙水後截留的溶解性有機物進行分類, 可以提高對有機物在不同膜處理過程中的規律性認識, 同時可以為能量回收和汙水回用方法的優化選擇提供理論的支持.

  本實驗采用高效液相色譜法對原水及各級處理出水中溶解性有機物的相對分子質量進行測定, 通過相應地線性換算, 其相對分子質量分布情況如表 3.原水中溶解性有機物相對分子質量分布範圍廣, 但主要集中在4個水平:大於30 000、15 000左右、8 500左右和小於7 500, 其占比分別為3.680 9%、85.876 9%、10.176 1%和0.266 1%.經微絮凝處理後, DOC下降21%, 其中相對分子質量大於30 000的溶解性有機物占比從3.680 9%下降至0.813 6%, 相對分子質量在1 500左右的溶解性有機物占比從85.876 9%下降至67.204 5%, 說明微絮凝對相對分子質量大於15 000的大分子溶解性有機物有一定的去除效果.經0.45 μm和0.22 μm的醋酸纖維膜抽濾後的出水, 其色譜圖幾乎相同.說明兩者對溶解性有機物的去除特性相近, 這就是為何許多學者在研究溶解性有機物時會選擇0.45 μm和0.22 μm的微濾膜作前處理.經0.45 μm的醋酸纖維膜抽濾後, DOC去除率在6.7%, 相對分子質量大於30 000的溶解性有機物已全部去除.0.15 μm的醋酸纖維膜和納濾對溶解性有機物的去除效果顯著, DOC去除率分別為14.3%和41.7%.但所有相對分子質量的占比變化卻不明顯, 說明0.15 μm的微濾膜和納濾對溶解性有機物的去除特性與有機物相對分子質量分布的相關性較小.

 

  2.3 三維熒光光譜分析2.3.1 尋峰法

  各級出水中溶解性有機物的三維熒光光譜圖如圖 2, 橫坐標為發射波長(Em), 縱坐標為激發波長(Ex).根據Chen等描述的熒光峰位置與激發波長、發射波長範圍的關係, 可識別特定的熒光基團信號.從圖 2可以看出, 原水的三維熒光光譜中有一個明顯的熒光峰群和一個單峰(峰群B和峰T1).峰群B位於熒光區域Ⅳ, 其熒光峰的中心位於Ex/Em=275~280 nm/305~345 nm, 包含類酪氨酸熒光峰和類色氨酸熒光峰.單峰T1位於熒光區域Ⅱ, 其熒光峰的中心位於Ex/Em=225~235 nm/340~350 nm, 屬於類色氨酸熒光峰.上述蛋白物質主要來源於城市居民的排泄物、餐廚廢液和洗滌廢水等.其中峰群B的熒光強度還與微生物的代謝有關[28].由於該汙水廠處理廢水為百分百的生活汙水, 原水中的微生物活性較高, 其代謝產物的熒光貢獻率較大, 故峰群B的熒光強度較高; 經微絮凝處理後, 峰群B的麵積明顯減小, 僅剩一個單峰B1, 其熒光峰的中心位於Ex/Em=230~235 nm/340~350 nm.較原水相比, 區域Ⅱ和Ⅳ內熒光峰的強度也明顯減弱, 說明微絮凝過濾對類酪氨酸和類色氨酸這兩種蛋白物質的富集效果顯著.經0.44 μm的醋酸纖維膜抽濾後的出水, 其熒光譜圖與微絮凝過濾後的出水相比, 單峰B1的熒光麵積略有減少, 熒光強度降低明顯.而單峰T1並無變化, 說明0.45 μm的微濾膜對微生物代謝產生的類酪氨酸有一定的去除效果, 但對汙水中的類色氨酸去除效果甚微.經0.22 μm與0.15 μm微濾膜處理後的出水, 其熒光光譜圖與0.45 μm微濾膜出水的熒光光譜圖差異甚微, 熒光峰B1與熒光峰T1僅在熒光強度上略微減弱.納濾出水的熒光光譜圖與上級出水相比, 其熒光峰的強度及麵積均有明顯變化.說明納濾對汙水中的蛋白質有很好的去除效果.

  圖 2

圖 2 各級出水三維熒光圖譜

  2.3.2 熒光區域積分法

  熒光區域積分法是按照特定的激發波長和發射波長範圍將三維熒光光譜劃分成5個區域, 參考Chen和姚璐璐等的劃分方法:區域Ⅰ代表芳香蛋白類物質Ⅰ, 熒光範圍為Ex/Em=200~250 nm/260~320 nm; 區域Ⅱ代表芳香蛋白類物質Ⅱ, 熒光範圍為Ex/Em=200~250 nm/320~380 nm; 區域Ⅲ代表富裏酸類物質, 熒光範圍為Ex/Em=200~250 nm/380~550 nm; 區域Ⅳ代表溶解性微生物代謝產物, 熒光範圍為Ex/Em=250~450 nm/260~380 nm; 區域Ⅴ代表腐殖酸類物質, 熒光範圍為Ex/Em=250~450 nm/380~550 nm.利用Origin 9.0軟件對各個區域進行積分, 然後將所得各區域的積分體積標準化, 以反映各區域中特定結構有機物的相對含量.

  將本實驗各級出水中溶解性有機物的三維熒光光譜圖按上述要求積分, 得到各區域的標準化積分後計算各項占比, 繪製各級出水熒光區域占比圖, 即圖 3, 橫坐標為各級出水, 縱坐標Pi, n為各個區域的標準化積分體積與所有區域標準化積分體積的比值.從中可明顯發現, 在該物化處理係統中, 特定結構有機物的相對含量僅在微絮凝過濾和納濾兩個處理單元中出現變化, 其餘各個單元均無變化, 而各級出水水樣的DOC含量卻都有所降低.這說明微絮凝過濾和納濾對城市汙水中溶解性有機物的去除具有選擇性, 其選擇性與有機物的結構相關.而孔徑為0.45、0.22和0.15 μm的微濾膜對城市汙水中溶解性有機物的去除無選擇性.

  圖 3

圖 3 各級出水熒光區域積分占比

  原水中芳香蛋白類物質Ⅰ的占比為30.21%, 芳香蛋白類物質Ⅱ的占比為18.89%, 富裏酸類物質的占比為18.89%, 溶解性微生物代謝產物的占比為11.33%, 腐殖酸類物質占比為20.68%.經微絮凝過濾後, 其出水中五類溶解性有機物的占比依次變為14.28%、14.28%、23.81%、23.01%、24.62%, DOC濃度也從115mg ·L-1降低至95mg ·L-1.從DOC及各項占比變化來看, 微絮凝過濾主要對城市汙水溶解性有機物中的芳香蛋白類物質有很好的富集效果, 經計算微絮凝過濾對芳香蛋白類物質Ⅰ的富集程度為60.93%, 對芳香蛋白類物質Ⅱ的富集程度為37.52%.經0.15 μm微濾膜過濾後的出水中各項占比情況與微絮凝過濾一致, 依次分別為14.28%、14.28%、23.81%、23.01%、24.62%, 而納濾後的出水中各項占比均變為20.00%, DOC濃度從70mg ·L-1降低至40mg ·L-1.從DOC及各項占比變化來看, 納濾主要對城市汙水溶解性有機物中的富裏酸類物質和腐殖酸類物質有很好的富集效果, 經計算納濾對富裏酸類物質的富集程度為52.01%, 對腐殖酸類物質的富集程度為53.57%.此外, 經0.45 μm和0.22 μm的微濾膜過濾後, 城市汙水中溶解性有機物的各項占比一致, 且所測DOC含量相同, 故可認為兩者對有機物的去除效果相似.這也解釋了為何許多研究中為避免非溶解性有機物和無機顆粒對實驗的影響, 選擇0.45 μm或0.22 μm的微濾膜作前處理, 以更準確地分析水樣中的溶解性有機物.

  3 結論

  (1) 經膜逐級篩分為主的物化方式處理後的城市汙水屬於低碳氮比的廢水.

  (2) 微絮凝過濾主要富集的是原水中非溶解性有機物和相對分子質量大於30 000的芳香類蛋白物質, 富集程度在60.93%, 尤其是類酪氨酸和類色氨酸.

  (3) 0.45 μm和0.22 μm醋酸纖維膜能將相對分子質量大於30 000的溶解性有機物全部富集, 但是不同孔徑微濾膜對有機物的富集沒有選擇性.

  (4) 納濾主要對城市汙水中的富裏酸類物質和腐殖酸類物質有很好富集效果, 富集程度分別為52.01%和53.57%, 溶解性有機物的總體富集程度在42%左右, 其富集特性與有機物相對分子質量的相關性較小.(來源:環境科學 作者:徐婷)

成都生活汙水處理廠家小編收集於網絡。


本文網址:http://www.architecture2001.com/news/439.html

關鍵詞:城市汙水處理,城市汙水處理廠家,城市汙水處理技術

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