水和廢水處理- Forschen科學

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研究文章
聚醚碸膜生物反應器處理魚類加工廢水的中試試驗與優化

簡·恩·姆布魯1 *Jan Hoinkis2Paul M Njogu1羅伯特Kinyua1以法蓮Gukelberger2現場Atiye2

1 肯尼亞喬莫·肯雅塔農業科技大學能源與環境技術研究所
2 德國卡爾斯魯厄應用科學大學應用研究中心

*通訊作者:簡·恩·姆布魯,肯尼亞喬莫·肯雅塔農業科技大學能源與環境技術研究所,電子郵件:janemburu53@gmail.com


摘要

本研究旨在測試和優化商用平板聚醚碸(PES)膜在好氧膜生物反應器(MBR)中處理魚類廢水的性能。廢水樣本從Makindi漁場(肯尼亞內羅畢)處理單元收集,並轉移到jkuat化學實驗室進行分析。測定生物需氧量(BOD)、化學需氧量(COD)、pH值、電導率;處理前用總溶解固體(TDS)、磷酸鹽、銨和硝酸鹽對廢水進行表征。廢水處理過程在容量為97 l的小型實驗室MBR裝置中進行,對MBR係統的所有運行條件進行了優化。實驗分兩個階段進行。在1中階段,廢水直接送入MBR曝氣池。在2nd階段,引入90 L反硝化罐,以促進硝酸鹽的減少。研究的商用埋入式平板膜PES組件在146.6±9(L/m)範圍內的透水性(WP)表現出相對相似的性能2*h*bar)和119.8±20(L/ m2*h*bar)分別用於模塊1和2,在有氧MBR中試期間。然而,它們容易受到汙垢的影響,從而導致WP降低,從而影響係統的效率。然而,通過化學清洗可以恢複滲透性。根據世界衛生組織廢水回用灌溉指南,滲透液COD濃度略高於< 100 mg/L的最大允許濃度。然而,兩個模塊的COD去除率均超過90%(行1和行2)3.滲透液中-N在5 ~ 30 mg/L的可接受範圍內43 -根據世界衛生組織廢水回用灌溉指南,降至≤5mg /L的可接受範圍。商業平板PES膜被發現是有效的生產廢水,可用於灌溉農業領域。然而,這些膜很容易被汙染。因此,在後續的研究中,我們將研究一種新型的低汙染膜。

關鍵字

膜生物反應器;聚醚碸(PES)膜;廢水處理

簡介

廢水處理、管理和再利用是東非維多利亞湖盆地地區麵臨的主要挑戰。該盆地的特點是人口密集的城市和城郊中心如雨後春筍般湧現。在大多數情況下,這些中心對雨水、農業徑流、工業廢水和城市市政汙水排水係統的處理基礎設施規劃不良[2]。沿湖建設的魚廠和養殖場直接對廢水進行處理。因此,太湖一直受到汙染和富營養化問題的困擾,而且隨著時間的推移,汙染和富營養化問題越來越嚴重[4,5]。根據最近在該地區進行的研究,由於過度富營養化[3],水葫蘆植物廣泛生長,覆蓋了盆地的大部分地區。這導致了湖[6]的氧氣消耗和魚類死亡。

該湖的漁業在該區域具有重大的經濟重要性,是家庭和商業用途的主要生計來源[7]。必須監測太湖的水質,並製定措施以減輕太湖流域內水資源不可持續使用所造成的影響。原因是良好的水質是維持所有生物生命的必要條件。它的可持續利用和保護是至關重要的。

維多利亞湖流域廢水處理最常見的方法是使用滴灌過濾器和簡單的廢水穩定池。但這些方法除菌效率較低,在一定程度上隻能用於廢水的處理。為了實現消毒,必須進行進一步的處理,如化學消毒或使用微濾(MF)/超濾(UF)膜。這有助於去除一些MF和UF範圍內的成分,如糞便大腸菌群、鏈球菌和病毒[9]。膜生物反應器(MBR)技術是一種替代的廢水處理工藝,是對非洲各國普遍使用的活性汙泥工藝(ASP)的補充,其出水質量優於汙水穩定池[10]。MBR技術使用孔徑在MF -1 μ m和UF -0.1 μ m範圍內的膜,去除包括細菌和病毒在內的小顆粒,從而獲得高質量的流出液[10]。該技術目前已被許多國家采用,主要用於各種工業廢水的處理和再利用。在早期對人造模型紡織染料廢水進行的一項研究中,使用平板膜模塊[11]可達到95 - 97%的COD去除率。在另一項研究中,管狀膜組件(孔徑0.4µm)浸泡在60 L曝氣反應器中,用於染料廢水的處理。COD去除率為89 ~ 94%。 Up to now MBR technology has not been used for treatment of fish processing wastewater. Therefore the aim of this study was to investigate the effectiveness of using MBR technology on treatment of fish processing wastewater which can be introduced and adopted in the Lake Victoria region in Kisumu, Kenya. Specifically the aim of the study was to test and optimize the performance of commercial flat Polyethersulfone (PES) membranes submerged in a Membrane Bioreactor (MBR) for treatment of fish processing wastewater. The experiment was conducted at the Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology- Institute of Energy and Environmental Technology (JKUAT-IEET) laboratories using a small lab-scale MBR unit.

材料與方法
抽樣

每周至少兩次從肯尼亞內羅畢馬金迪漁場的處理單元收集魚類加工廢水樣本。樣品被運送到JKUAT實驗室進行分析,並使用MBR裝置進行處理過程研究。

實驗設計

對馬金迪養魚場處理廠處理前後的廢水(飼料)進行了定量化學分析。

生物需氧量(BOD5):按照水和廢水檢測標準方法[13],對廢水進行5 d生物需氧量(BOD5)分析。

化學需氧量(COD)對於飼料,使用德國默克公司(Merck KGaA) (ASTM D1252-06)的細胞測試對飼料的混合液體懸浮固體(MLSS)和滲透進行了測量。COD去除率計算如式1所示。

\ [\ % {\ rm {CODR}} \離開({移除率{\ rm{}}} \右){\ rm{=}} 100 - \離開({\壓裂{{COPD}} {{CODF}}} \) \乘以100 \,\,\,\,\,\,\,\,\, 方程{\ rm {}} 1 \]

CODP:滲透物COD, CODF:飼料COD

硝酸鹽和磷酸鹽采用紫外/可見分光光度計(型號:UV-1800),分別在220 nm和830 nm波長下,按照標準方法[13,14]進行分析。

膜生物反應器規格及操作:本研究采用小型實驗室規模的浸沒式膜生物反應器(iMBR)進行。iMBR係統由97 L的聚氯乙烯(PVC)曝氣池和兩個膜模塊組成,每個膜模塊裝有3個浸沒膜罩,每個膜罩的總膜麵積為0.33 m2.所用PES膜的技術規格如表1所示。這些是由Microdyn-Nadir提供的。

技術數據 超濾膜
活性層 PES
支持層 寵物
MWCO (kDa) 150 kDa
孔徑(µm) 0.04
水滲透性(L/(m2h酒吧) > 280

表1:PES膜技術規格由Microdyn-Nadir提供

膜模塊有兩條獨立的出口滲透線,它們彼此平行運行,以便使中試工廠能夠比較不同的膜模塊。每條滲透管線都安裝了一個模擬轉子流量計,其體積流量指示器的範圍為0.5 ~ 5 L/h,一個壓力計和滲透(吸入)泵,其速度控製為0.2 ~ 2 L/h。空氣起泡器係統連接流量為100 L/min的氣泵,向生物反應器槽提供空氣用於生物降解過程,並向膜模塊提供空氣支持膜橫流,從而控製膜汙染。iMBR係統采用EGA 142型pH計和2個電導率細胞模型(LTC 0,35/ 23vp, 5 μ S/cm ~ 500 mS/cm)。在實驗的第二階段,在MBR處理裝置中引入了一個90 L的反硝化槽(配有數字攪拌器),使廢水在曝氣和反硝化槽之間進行再循環。MBR裝置的原理圖和實驗中試裝置的照片如圖1和圖2所示。

圖1:浸沒式/浸沒式膜生物反應器(iMBR)示意圖。

圖2:浸入式/浸入式膜生物反應器(iMBR)中試裝置照片。

對實驗室iMBR裝置的運行條件進行了優化,並對其使用自來水的功能進行了測試。讓MBR在吸氣模式下工作12分鍾,然後放鬆2分鍾,然後再次吸氣12分鍾,以此類推。表2給出了本實驗研究期間MBR的運行條件和2nd階段。

MBR運行條件及工藝參數 使用自來水 1階段 2nd階段
氣流(m)3./小時) 1±0.1 1±0.1 1±0.1
溫度(°C) 25±3 25±3 25±3
TMP (mbar) 45 - 55 45 - 55 45 - 55
pH值 7±0.5 7±0.5 7.50±0.5
滲透通量(L/m2×h) 2.3 - -6.9 3.78 - -7.6 6.80 - -7.6
水滲透性(L/m2百巴) 90.9 - -153.1 82.9 - -165.8 68.2 - -151.5
荷爾蒙替代療法(h) 21.6 - -64.7 21 - 168 18 - 20
料重比kg COD/(kg MLSS.d) - 1.2 - -4.7 1.5 - -2.0
有機負荷率(OLR)(Kg COD/m3..d) - 1.0 - -2.5 1.1 - -1.2
混合液體懸浮固體(g/L) - 5.0 - -6.0 6.0 - -8.0

表2:MBR運行情況。

在實驗開始時,魚類加工廢水(飼料)被泵入反應器槽。然後在池中注入來自JKUAT水處理廠二級處理沉澱池的細菌(活性)汙泥。所有實驗都在好氧模式下進行,空氣被供應到曝氣池中。MBR裝置連續運行120天和90天和2nd實驗階段分別為2018年1月- 5月和8月- 11月。啟動後馴化3周後開始數據采集。在2nd在本實驗階段,係統中引入反硝化池,曝氣池和反硝化池之間循環利用給水,以促進處理係統中硝酸鹽的去除。在處理過程中產生的多餘汙泥(約2-3升),每隔30天通過固定在曝氣池底部的出氣閥清除。回收的汙泥在農場裏用作肥料。

實驗結果
魚類加工廢水的特點

在處理前對飼料廢水進行了各種參數的分析,以確定其質量。得到的結果分別如表3和表4所示

測量值 1月 2月 3月 4月 五月
幹質量(g/L) 1.26±0.1 0.25±0.5 0.24±0.4 0.67±0.5 0.19±0.3
COD (mg/L) 2349±0.3 1380±0.2 2100±0.4 960±0.3 509±0.1
生化需氧量5(毫克/升) 320±0.5 260±0.9 300±0.6 204±0.9 200±0.1
NH4+- n(毫克/升) 4.4±0.04 6.5±0.04 7.6±0.04 3.3±0.04 4.4±0.04
沒有3.-N(毫克/升) 35.1±0.2 13.7±0.3 11.3±0.3 34.9±0.6 21.3±0.5
P-PO43(毫克/升) 8.3±0.2 7.7±0.2 11.1±0.4 14.9±0.1 20.4±0.1
pH值 7.0±0.5 6.6±0.5 6.90±0.5 6.7±0.5 6.3±0.5
電導率(µS /厘米) 830±0.2 250±0.1 521±0.6 240±0.5 550±0.1
TDS(毫克/升) 369±1 130.58±0.5 128±0.5 136±0.1 272±0.1

表3:魚類加工廢水的特點2018年階段。

魚類加工廢水分析(第二階段6月至11月)
測量值 6 - 8月 9月 10月
幹質量(g/L) 1.43±0.2 1.52±0.1 1.75±0.3 2.04±0.5
(毫克/升) 3.96±0.2 3.50±0.1 2.68±0.1 3.16±0.5
COD (mg/L) 1096±0.5 978±0.5 1260±1.2 960±0.4
生化需氧量5(毫克/升) 516±0.4 320±0.5 386±0.7 300±1.2
NH4+- n(毫克/升) 20.8±0.32 5.6±0.06 4.8±0.08 3.8±0.02
沒有3.-N(毫克/升) 3.6±0.04 2.07±0.2 3.8±0.1 4.2±0.2
P-PO43(毫克/升) 6.9±5 7.2±0.4 7.3±0.1 5.5±0.3
pH值 7.5±0.2 7.7±0.5 7.7±0.5 6.4±0.5
電導率(µS /厘米) 362±0.1 420±0.3 440±0.1 360±0.6

表4:2 .魚類加工過程中的廢水特征nd2018年階段。
其中正負(±)表示標準差值

水滲透率(WP)、通量和跨膜壓力(TMP)隨操作時間的變化

進行了一項工藝研究,以確定MBR裝置中的水滲透率(WP)、通量和跨膜壓力(TMP)。從處理過程中測試的其他參數是COD,銨,硝酸鹽和磷酸鹽的去除率。圖3顯示了在1實驗階段。

圖3:水滲透性(WP)、通量和跨膜壓力(TMP)隨操作時間(天)的變化階段。

圖3顯示了WP、TMP和通量與操作時間(天)的關係。在1的開頭在本試驗階段,為了優化係統在馴化期間的性能,設置模塊1和模塊2的初始滲透流量為1.5 L/h。如圖3所示,啟動實驗的特點是TMP波動較大,範圍為20±1 ~ 36±4 mbar。兩種滲透係的WP均為56.8±8 L/m2h bar和54.1±6 L/m2百巴分別。這歸因於在膜開始適應環境的馴化階段係統的不穩定性。這個發現也得到了其他作者[15]的證實。研究了商業膜在側流和浸沒式膜生物反應器中處理紡織廢水的性能。第21天,調整流量至5 L/h,以穩定係統。從第25天開始,分別觀察到模塊1和模塊2的TMP穩定值在40-55和45-50毫巴之間。WP也從60.6增加到110.2 (L/m2h bar)和60.6 ~ 95.7(L/m2h bar),而滲透線1和2的通量分別在4.5 ~ 5.8 L/m²*h和5.1 ~ 6.8 L/m²*h之間變化。然而,兩種滲透管道在更換廢水或充盈廢水時,都觀察到WP的波動。正如其他作者[15]所指出的那樣,這可能是由於給水性質的差異造成的。然而,作者正在研究紡織染料廢水。值得注意的是,在進行測試期間,該係統的WP在增加,而通量和TMP保持相對恒定。最終兩種膜的通透性均在140-150 L/m之間2h酒吧。這表明膜在1實驗階段。試驗第二階段連續進行90 d,流速為(5 L/h)。觀察到的結果如圖4所示。

圖4:水滲透(WP)、通量和跨膜壓力(TMP)隨操作時間(天)的變化nd階段。

如圖4所示,從實驗開始,觀察到兩個模塊的TMP常數在45-50毫巴之間變化。然而,從第80天一直到實驗結束,模塊1和模塊2在85-250和60-200毫巴的範圍內顯著上升。值得注意的是,1號線和2號線的透水性差異很大,這可能是由於2號線汙垢增加造成的。從試驗第80天到試驗結束,兩種品係的可濕性粉劑也顯著下降。這歸因於膜的突然汙染。此時,對膜進行化學清洗以恢複初始TMP。從MBR中取出模塊後,在一個額外的槽中進行該過程。用12%次氯酸鈉溶液和50%檸檬酸溶液分別去除汙垢和結垢。在清洗膜後,過氧化氫被用來滅活殘留的氯。

COD去除率

COD去除率試驗分別進行了109天和90天和2nd實驗階段。采集飼料樣品進行COD測定。從1號線和2號線的滲透液也收集在單獨的容器中進行COD測量。圖5為1、2號線在1實驗階段。

圖5:飼料中COD、出水水質及COD去除效率1階段。

實驗開始至第14天CODR(去除率)較低(範圍為15-28%,藍線)。這歸因於適應所需的時間,即需氧細菌培養在MBR反應器內的複製和生長。COD穩定值R然而,在隨後的時期觀察到排斥反應(去除效率)。飼料中COD濃度在2349.0±0.5 mg/L ~ 509.0±0.5 mg/L之間波動,滲透膜中COD濃度在187±0.3 mg/L ~ 63.0±0.1 mg/L之間變化。

從第60天開始,滲透液中的COD水平低於世界衛生組織關於廢水回用灌溉[16]的指南中規定的< 100 mg/L的最大允許濃度。平均鱈魚R從第1行和第2行收集的混合樣品的差異在85.0 - 95.9%之間。

圖6為1號線和2號線在2 .過程中觀察到的飼料COD、滲透和平均COD去除效率nd實驗階段。

圖6:飼料中COD、出水COD去除率及期間COD去除率2nd階段。

在2nd階段,CODR從開始和整個實驗期間觀察到穩定的值。飼料COD濃度為1268±0.5 mg/L ~ 960.0±0.1 mg/L,進水COD濃度為121.2±0.5 mg/L ~ 100.0±0.4 mg/L。該水平略高於世界衛生組織廢水回用灌溉指南中< 100 mg/L的最大允許濃度。這主要發生在飼料COD從1000 mg/L上升到1200 mg/L的時期。從第70天開始,滲透COD在100 mg/L左右波動。模塊1和模塊2的平均CODR在87.4- 92%之間變化。除了在填充MBR槽期間發生的波動外,觀察到兩個商業模塊都具有良好的生物降解性能。

含氮化合物的去除效率

為了評價MBR處理工藝出水的質量,通過測定硝態氮(NO)濃度來確定對含氮化合物的去除效果3.-N)和氨氮(NH4-N)在進料和滲透。在1實驗階段如圖7所示。

圖7:硝酸鹽濃度(NO3.-N)和氨氮(NH4-N)在進料和滲透期間1階段。

在1中實驗階段,硝酸鹽濃度(NO3.-N)分別為34.9±0.06 mg/L ~ 10.8±0.02 mg/L和23.2±0.16 mg/L ~ 7.0±0.34 mg/L。氨氮濃度(NH4-N)分別為13.7±0.03 mg/L ~ 4.0±0.05 mg/L和5.7±0.05 mg/L ~ 2.0±0.02 mg/L。NO的水平3.根據世界衛生組織廢水回用灌溉指南[16],滲透液中的-N在5 ~ 30 mg/L的可接受範圍內。但在第60天,NO含量增加3.-N被注意到了。這主要發生在換水的時期。NO的增加3.實驗結束時,滲透液中-N的去除率較低,且飼料中-N含量增加。因此,需要在MBR處理係統中引入反硝化池作為一種糾正措施,以促進NO的去除3.-N通過反硝化過程。過量的NO3.-N對魚類沒有直接影響;然而,它支持池塘中水生雜草的生長,引起溶解氧的極端波動,從而導致魚類死亡。

圖8顯示了在MBR處理裝置中引入反硝化罐(配有數字攪拌器)後獲得的結果nd本研究階段。NO的濃度3.飼料(進水)中的-N在13.0±0.03 mg/L ~ 7.5±0.04 mg/L之間變化,出水(滲透)濃度分別降低到6.1±0.05 mg/L ~ 3.6±0.04 mg/L之間。NH4飼料中-N濃度為13.7±0.05 mg/L ~ 4.0±0.04 mg,出水中-N濃度分別為5.7±0.02 mg/L ~ 2.0±0.05 mg。NO的水平3.飼料中-N顯著高於NH4 -N。這主要是因為廢水樣品是直接從處理裝置的排水係統中收集的,而不是從穩定槽中。NO的水平3.根據世界衛生組織廢水回用灌溉指南[16],滲透液中-N在5 ~ 30 mg/L的可接受範圍內。NO3.-N和NH4滲透液中的-N是由於廢水在曝氣池和脫氮(缺氧池)之間循環流動過程中,在處理裝置中發生的硝化反硝化過程。

圖8:硝酸鹽濃度(NO3.-N)和氨氮(NH4-N)在進料和滲透期間2nd階段。

硝化作用發生在曝氣池中,向懸浮微生物提供空氣進行代謝。在這種情況下,好氧硝化細菌通過兩個漸進步驟將廢水中的銨轉化為硝酸鹽。在第一步中,亞硝基單胞菌活性先將銨氧化為亞硝酸鹽,再將亞硝基細菌氧化為硝酸鹽。在第二步反硝化過程中,異養菌以硝酸鹽為電子受體,在缺氧條件下代謝生物降解底物。在這個過程中,硝酸鹽被還原為氣態的二氮(N2),然後以惰性氣體的形式釋放到大氣中。沒有3.-N和NH4本實驗得到的-N去除率與其他作者[17]得到的結果一致。

磷酸的去除效率

磷酸(P-PO)分析43.-)飼料和滲透液的濃度,以評價MBR處理工藝獲得的出水質量。第一階段觀察到的結果如圖9所示。

圖9:磷酸鹽濃度(P-PO43.-)在進料和滲透過程中1階段。

如圖9所示,P-PO43.飼料中含量為14.9±0.05 mg/L ~ 7.1±0.04 mg/L,滲透液中含量為21.8±0.04 mg/L ~ 4.5±0.02 mg/L。P-PO濃度增加43.-在滲透液中被注意到,這意味著可能去除效率低,並在處理係統中積累。的P-PO43.-根據世界衛生組織廢水回用灌溉指南[16],滲透水平高於≤5mg /L的可接受範圍。P-PO含量極高43.-在水體中支持水生雜草的生長,引起溶解氧的極端波動。這可能導致富營養化,影響環境和水生生物的死亡。因此,采用混凝劑(水合硫酸鋁/明礬)作為一種糾正措施,以促進廢水中磷酸鹽的降低。這些結果也被其他作者[15]證實。圖10顯示了在處理係統中使用明礬後得到的結果。

圖10:磷酸鹽濃度(P-PO43.-)在進料和滲透過程中nd階段

在2nd本實驗相,55.2 mg/L明礬作為硫酸鋁AI2(所以43..18H2每次更換廢水[18]時,不斷向脫硝池中加入O,持續30分鍾。廢水以每分鍾300轉的速度不斷攪拌。廢水的pH值在6.5 ~ 7.0之間變化。實驗期間,廢水在曝氣池和缺氧池之間循環流動。飼料中P-PO4 - 3-含量為10.0±0.05 ~ 6.1±0.05 mg/L,滲透液中P-PO4 - 3-含量為5.2±0.25 mg/L ~ 3.8±0.1 mg/L。P-PO43.-根據世界衛生組織廢水回用灌溉[16]的指引,滲透濃度降至≤5mg /L的可接受範圍。減少P-PO43.滲濾液中濃度的增加與化學混凝劑AI的加入有關2(所以43.汙水[19]。金屬離子加入廢水後,水解形成帶正電荷的金屬水解種。這些物質有助於中和P-PO的負電荷43.-從而導致它們相互吸引,從而粘在一起形成大顆粒(不可溶的磷絡合物)。這將停留在活性汙泥中,並與剩餘汙泥[19]一起去除。

結論

在有氧MBR的中試測試中,兩種被研究的商用淹沒平板膜PES模塊的透水性表現相對相似。然而,它們容易受到汙垢的影響,從而導致水滲透性(WP)下降,從而影響係統的效率。然而,通過化學清洗可以恢複滲透性。根據世界衛生組織灌溉廢水回用指南[16],滲透液COD濃度略高於< 100 mg/L的最大允許濃度。然而,超過90%的CODR(去除率)達到兩個模塊(行1和2)3.滲透液中-N在5 ~ 30 mg/L的可接受範圍內43.-根據世界衛生組織關於廢水回用灌溉[16]的指導方針,降至≤5毫克/升的可接受範圍。商業平板PES膜被發現是有效的生產廢水,可重複用於農業領域的灌溉。然而,這些膜很容易被汙染。因此,其中一個膜模塊將在後續工作中被新開發的低汙染膜所取代,並將其作為商業標準。實驗將在相同的工作條件下進行,並從可濕性和耐汙性兩個方麵評價和比較它們的性能。

確認

該研究獲得了歐盟地平線2020研究和創新計劃的資助,資助協議編號為689427,用於VicInAqua項目。


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條信息

文章類型:研究文章

引用:Mburu JN, Hoinkis J, Njogu PM, Kinyua R, Gukelberger E,等。(2019)利用膜生物反應器技術處理魚類加工廢水的聚醚碸膜的試驗和優化。國際J水廢水處理5(1):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.158

版權:©2019 Mburu JN,等人。這是一篇開放獲取的文章,根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布,該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製,前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

  • 收到日期:2019年1月7日

  • 接受日期:2019年4月5日

  • 發表日期:2019年4月15日