透水混凝土生態(tài)膜法處理城市生活污水

(暨南大學(xué)環(huán)境工程系,廣東廣州510632)

　　[摘　要] 　采用水泥、碎石、粉煤灰及活性材料CRLT - 1等制作了不同配比的透水混凝土生態(tài)膜,利用原子吸收儀測(cè)定其在水體中的離子溶釋過(guò)程,并通過(guò)渠式反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)該透水膜進(jìn)行了生物掛膜和污水處理實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)這種透水混凝土膜法處理后的污水中化學(xué)需氧量(CODCr )的濃度可達(dá)到國(guó)家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn).

　　[關(guān)鍵詞] 　混凝土生態(tài)膜; 　離子溶釋; 　污水處理

　　治理水污染已經(jīng)成為當(dāng)前城鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中迫切需要解決的重要問(wèn)題之一. 但是按照傳統(tǒng)活性污泥法工藝建設(shè)城市污水處理廠需要大量的投資,目前不是所有地區(qū)都有這樣的經(jīng)濟(jì)承受力. 因此,尋求低成本高效污水處理技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急. 新型低成本透水混凝土生態(tài)膜法生活污水處理技術(shù)正是為了適應(yīng)這種要求而研制開(kāi)發(fā)的. 該技術(shù)是在廣東省科技計(jì)劃基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下,經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)摸索,以水泥、砂石、電廠粉煤灰和活性材料等廉價(jià)材料制成了透水混凝土膜體,并采用微生物培養(yǎng)法使膜體表面粘掛多種微生物,形成具有物理過(guò)濾、生物吸附、化學(xué)吸附等多種功能的透水混凝土生態(tài)膜,其建設(shè)成本和運(yùn)行成本可降低
到傳統(tǒng)活性污泥處理法的1 /3,而處理出水水質(zhì)將可接近傳統(tǒng)二級(jí)處理出水水質(zhì). 從理論上講,它具有造價(jià)低、運(yùn)行費(fèi)用少、處理效率高、管理和維護(hù)方便的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),可望滿(mǎn)足大中型住宅區(qū)污水處理的實(shí)際需要. 本文是該項(xiàng)研究的部分成果之一.

　　透水混凝土生態(tài)膜在材料組分和耐用性方面不同于普通生物膜,在結(jié)構(gòu)形式上也不同于生態(tài)混凝土,具有普通生物膜的功能和生態(tài)混凝土耐久性好的優(yōu)點(diǎn).

　　關(guān)于生態(tài)混凝土的研究也是近10余年開(kāi)展起來(lái)的. 國(guó)外從20世紀(jì)90年代開(kāi)始研究能改善水質(zhì)的混凝土材料,其中日本處于領(lǐng)先地位. 1995年日本混凝土工學(xué)協(xié)會(huì)提出了生態(tài)混凝土的概念[ 2 ] : 1995. 02～1996. 02日本長(zhǎng)崎大學(xué)進(jìn)行了生態(tài)混凝土海水現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)生態(tài)混凝土具有富集營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能[ 3 ] . 國(guó)外應(yīng)用于污水處理的生態(tài)混凝土通常為大孔混凝土(porous concrete) ,在混凝土內(nèi)具有大量的連通孔,因此有良好的透水性并依靠大孔混凝土的物理、化學(xué)以及生物化學(xué)作用來(lái)達(dá)到凈水的目的[ 4 ] . 但是國(guó)外至今沒(méi)有做到實(shí)際應(yīng)用,主要原因是污水中的固體物質(zhì)沉積在混凝土上,會(huì)很快堵塞大孔混凝土的孔隙,使其失去了凈水功能;并且普通大孔混凝土凈水效果(尤其是濁度等)還不夠理想、混凝土在流動(dòng)水中鈣離子大量流失,使水泥水化產(chǎn)物分解而造成強(qiáng)度降低直至破壞,所以混凝土的耐久性不夠,且沒(méi)有設(shè)計(jì)出合理使用生態(tài)混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用方法和如何確定其凈水效果. 國(guó)內(nèi)近7年才開(kāi)始有學(xué)者關(guān)注生態(tài)混凝土的研究;如同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳志山教授等[ 5 - 6 ] 1997年開(kāi)始研究生態(tài)混凝土材料,采用普通水泥和砂石等材料制作生態(tài)混凝土,研制了一種沉淀、過(guò)濾和曝氣三合一的(側(cè)濾)處理裝置,較好地解決了固體物質(zhì)在生態(tài)混凝土上的堆積問(wèn)題,在應(yīng)用于上海市某小區(qū)、金山鎮(zhèn)等地的生活污水處理實(shí)驗(yàn)中,取得了比較好的結(jié)果. 但是,迄今為止,用于城市污水處理的生態(tài)混凝土技術(shù)存在如下不足:一、污水中的固體物質(zhì)沉積在混凝土上,很快堵塞了小孔混凝土的孔隙使其失去了凈水功能;二、對(duì)生態(tài)混凝土的凈水機(jī)理的了解還處在很模糊的狀態(tài)[ 7 ] ;三、還沒(méi)有設(shè)計(jì)出合理使用生態(tài)混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用的工藝技術(shù)方法.

　　鑒于以上原因,本課題組汲取了生態(tài)混凝土的研究經(jīng)驗(yàn),從生物膜技術(shù)出發(fā),基于大幅降低掛膜介質(zhì)成本的考慮,提出了混凝土生態(tài)膜的概念,并進(jìn)行了組分選擇、離子溶釋測(cè)定、生物掛膜和污水處理實(shí)驗(yàn)研究.

1　實(shí)驗(yàn)方法

　　1. 1　組分選擇實(shí)驗(yàn)

　　從經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度,選定混凝土生態(tài)膜的組分材料主要為水泥、黃沙、碎石、粉煤灰和活性材料CRLT - 1. 實(shí)驗(yàn)比選了不同組分配比的強(qiáng)度、表面粗糙度、制作難度等,最終選定組分最佳配比為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) :水泥30%、黃沙35%、碎石20%、粉煤灰10%和CRLT - 1材料5%.

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　　1. 2　結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)

　　考慮到制作方便,本課題研制的混凝土生態(tài)膜采用預(yù)留貫通孔的結(jié)構(gòu)形式. 在實(shí)驗(yàn)中,試制了8種不同的預(yù)留孔結(jié)構(gòu)形式的膜片,比較了各種膜片的孔隙比、比表面積、防堵塞性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.

　　1. 3　離子溶釋實(shí)驗(yàn)

　　混凝土生態(tài)膜含有大量的鈣、鈉、鋁等成分,在水體中會(huì)發(fā)生溶釋現(xiàn)象,即某些金屬會(huì)以離子態(tài)的形式從生態(tài)膜片溶釋到水體中去. 本課題組對(duì)混凝土生態(tài)膜在自來(lái)水浸泡中鈣離子、鋁離子的溶釋過(guò)程,采用原子吸收分光光度計(jì)(型號(hào)為WFX - 1C) 實(shí)測(cè)了浸泡過(guò)程中鈣離子質(zhì)量濃度(記作ρ(Ca2 + ) )和鋁離子質(zhì)量濃度,并同時(shí)進(jìn)行了水體pH值變化過(guò)程的同步監(jiān)測(cè).

　　1. 4　生物掛膜實(shí)驗(yàn)

　　為了實(shí)現(xiàn)生態(tài)膜的生物吸附功能,必須在膜片表面掛接微生物膜體. 本課題組采用廣州獵德污水處理廠和廣州經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)污水處理廠活性污泥作為接種微生物,以生活污水作為培養(yǎng)基,并適量添加牛肉膏、淀粉、葡萄糖等補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物,在渠式自動(dòng)控制生物掛膜系統(tǒng)中對(duì)混凝土膜片進(jìn)行微生物掛膜.

　　1. 5　生活污水處理實(shí)驗(yàn)

　　采用廣州市天河區(qū)生活污水,在渠式混凝土生態(tài)膜反應(yīng)系統(tǒng)中,進(jìn)行了污水凈化實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)是在自制的渠式反應(yīng)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)中進(jìn)行的,并采用連續(xù)進(jìn)水回流式運(yùn)行方式.

2　結(jié)果與討論

　　2. 1　混凝土生態(tài)膜的結(jié)構(gòu)

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　　混凝土生態(tài)膜的結(jié)構(gòu)比較結(jié)果見(jiàn)表1.

　　從表1可見(jiàn),小型膜S01～S03的孔隙率和比表面積都較高,并且不易堵塞、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也較好,故本課題實(shí)驗(yàn)研究主要是采用小型膜.

　　通過(guò)合理布置生態(tài)膜在渠式反應(yīng)器內(nèi)的排列方式,可有效改善反應(yīng)器內(nèi)的水流流態(tài)和防止污水短流,確保污水與生態(tài)膜面有充足的接觸反應(yīng)機(jī)會(huì).

　　2. 2　鈣離子和鋁離子溶釋

　　鈣離子和鋁離子溶釋過(guò)程的變化見(jiàn)圖2和圖3.

　　從圖2可知,在浸泡的初期(2～3 d)由于水體鈣離子質(zhì)量濃度很低,在質(zhì)量濃度梯度的作用下,鈣離子從膜體溶釋到水體,使水體中鈣離子質(zhì)量濃度顯著增大,水體pH值也隨之顯著增大(浸泡0、1、2、3、5、10、13 d的pH值分別為6. 5、7. 8、8. 6、9. 5、8. 7、8. 1、7. 8). 隨著水體鈣離子不斷增多,鈣離子與水中其他氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),逐漸生成沉淀物而沉淀,使水體中鈣
離子質(zhì)量濃度逐漸降低,水體的pH值也隨之下降. 從圖3可知,在混凝土生態(tài)膜的浸泡過(guò)程中,鋁離子的吸光度(記作A )幾乎沒(méi)有變化,這表明水體鋁離子質(zhì)量濃度幾乎沒(méi)有變化,說(shuō)明混凝土生態(tài)膜中的鋁離子并未發(fā)生顯著的溶釋現(xiàn)象.

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　　2. 3　微生物掛膜

　　在渠式自動(dòng)控制生物膜系統(tǒng)中對(duì)混凝土膜片進(jìn)行微生物掛膜發(fā)現(xiàn),掛膜系統(tǒng)運(yùn)行1 d后,膜片表面即開(kāi)始有微生物附著, 5 d后膜片表面微生物膜體已經(jīng)基本形成, 1周后膜片表面生物膜體已發(fā)展接近成熟,掛膜完成. 通過(guò)顯微鏡觀察和鑒別, 10 d后生物膜體生長(zhǎng)的主要微生物種類(lèi)見(jiàn)表2.

　　2. 4　生活污水處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　混凝土生態(tài)膜法連續(xù)進(jìn)水回流式污水處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3. 表中COD為化學(xué)需氧量.

　　從表3可見(jiàn),當(dāng)采用連續(xù)流運(yùn)行方式時(shí),在進(jìn)水化學(xué)需氧量CODC r = 100～293 mg/L情況下,出水CODC r = 9～65 mg/L,已經(jīng)達(dá)到或接近城市二級(jí)污水處理廠對(duì)CODC r要求的排放標(biāo)準(zhǔn)(CODCr ≤60 mg/L).實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到下列現(xiàn)象:

　　(1)透水混凝土生態(tài)膜片單位表面積CODC r負(fù)荷(簡(jiǎn)稱(chēng)表面負(fù)荷,記作LCOD )對(duì)處理系統(tǒng)污染物的去除效果影響很大,膜片平均單位表面積CODCr去除量(記作λCOD )同表面負(fù)荷成正比,如圖4所示.

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　　(2)處理系統(tǒng)的COD去除率(記作RCOD )同膜片表面負(fù)荷的關(guān)系見(jiàn)圖5,總體趨勢(shì)是隨著膜片表面負(fù)荷的增加, COD去除率下降,并且COD去除率下降速度隨著表面負(fù)荷的增大而減緩.

　　(3) COD去除率與膜片總表面積(記作S )成正比遞增,見(jiàn)圖6.

3　結(jié)論

　　(1)透水膜生物掛膜需要10 d以上的時(shí)間,掛膜完成后膜面生長(zhǎng)著多種微生物和后生動(dòng)物,其中以菌類(lèi)、纖毛蟲(chóng)類(lèi)和輪蟲(chóng)類(lèi)居多.

　　(2)采用的透水混凝土膜片表面積越大,能夠掛接的微生物數(shù)量就越多,參與生化降解廢水有機(jī)負(fù)荷的生物量就越大,處理效果就越好. 因此,工程上應(yīng)當(dāng)盡可能提高透水膜的表面積.

　　(3)隨著進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的增加,單位面積膜片的吸附量也增加,這說(shuō)明透水膜具有一定的抗沖擊負(fù)荷的能力. 但是,在高有機(jī)負(fù)荷情形下,必須有足夠的膜片數(shù)量和反應(yīng)時(shí)間,才能有較好的處理效果.

　　實(shí)驗(yàn)研究表明,采用水泥、砂石、電廠粉煤灰和活性材料等廉價(jià)材料制成了透水混凝土膜體經(jīng)過(guò)生物掛膜形成的透水混凝土生態(tài)膜具有較好的污水凈化能力,可望能夠應(yīng)用于實(shí)際污水處理工程. 在實(shí)驗(yàn)條件下,整個(gè)處理系統(tǒng)的排水COD質(zhì)量濃度基本達(dá)到城市二級(jí)污水處理廠排放要求,總體處理效果同采用的膜體總表面積成正比. 但是,目前該系統(tǒng)處理規(guī)模還較小,對(duì)氨氮和總磷的去除效果還有待測(cè)定.