透水混凝土生態(tài)膜法處理城市生活污水

(暨南大學環(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,利用原子吸收儀測定其在水體中的離子溶釋過程,并通過渠式反應系統(tǒng)對該透水膜進行了生物掛膜和污水處理實驗. 實驗結果表明,經過這種透水混凝土膜法處理后的污水中化學需氧量(CODCr )的濃度可達到國家相關排放標準.

　　[關鍵詞] 　混凝土生態(tài)膜; 　離子溶釋; 　污水處理

　　治理水污染已經成為當前城鎮(zhèn)社會經濟發(fā)展中迫切需要解決的重要問題之一. 但是按照傳統(tǒng)活性污泥法工藝建設城市污水處理廠需要大量的投資,目前不是所有地區(qū)都有這樣的經濟承受力. 因此,尋求低成本高效污水處理技術是當務之急. 新型低成本透水混凝土生態(tài)膜法生活污水處理技術正是為了適應這種要求而研制開發(fā)的. 該技術是在廣東省科技計劃基金和國家自然科學基金的資助下,經過反復實驗摸索,以水泥、砂石、電廠粉煤灰和活性材料等廉價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,形成具有物理過濾、生物吸附、化學吸附等多種功能的透水混凝土生態(tài)膜,其建設成本和運行成本可降低
到傳統(tǒng)活性污泥處理法的1 /3,而處理出水水質將可接近傳統(tǒng)二級處理出水水質. 從理論上講,它具有造價低、運行費用少、處理效率高、管理和維護方便的特點和優(yōu)勢,可望滿足大中型住宅區(qū)污水處理的實際需要. 本文是該項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,在結構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.

　　關于生態(tài)混凝土的研究也是近10余年開展起來的. 國外從20世紀90年代開始研究能改善水質的混凝土材料,其中日本處于領先地位. 1995年日本混凝土工學協(xié)會提出了生態(tài)混凝土的概念[ 2 ] : 1995. 02～1996. 02日本長崎大學進行了生態(tài)混凝土海水現(xiàn)場試驗,發(fā)現(xiàn)生態(tài)混凝土具有富集營養(yǎng)物質的功能[ 3 ] . 國外應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、化學以及生物化學作用來達到凈水的目的[ 4 ] . 但是國外至今沒有做到實際應用,主要原因是污水中的固體物質沉積在混凝土上,會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、混凝土在流動水中鈣離子大量流失,使水泥水化產物分解而造成強度降低直至破壞,所以混凝土的耐久性不夠,且沒有設計出合理使用生態(tài)混凝土的實際工程應用方法和如何確定其凈水效果. 國內近7年才開始有學者關注生態(tài)混凝土的研究;如同濟大學材料科學與工程學院陳志山教授等[ 5 - 6 ] 1997年開始研究生態(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、過濾和曝氣三合一的(側濾)處理裝置,較好地解決了固體物質在生態(tài)混凝土上的堆積問題,在應用于上海市某小區(qū)、金山鎮(zhèn)等地的生活污水處理實驗中,取得了比較好的結果. 但是,迄今為止,用于城市污水處理的生態(tài)混凝土技術存在如下不足:一、污水中的固體物質沉積在混凝土上,很快堵塞了小孔混凝土的孔隙使其失去了凈水功能;二、對生態(tài)混凝土的凈水機理的了解還處在很模糊的狀態(tài)[ 7 ] ;三、還沒有設計出合理使用生態(tài)混凝土的實際工程應用的工藝技術方法.

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

1　實驗方法

　　1. 1　組分選擇實驗

　　從經濟實用角度,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. 實驗比選了不同組分配比的強度、表面粗糙度、制作難度等,最終選定組分最佳配比為(質量分數(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　結構實驗

　　考慮到制作方便,本課題研制的混凝土生態(tài)膜采用預留貫通孔的結構形式. 在實驗中,試制了8種不同的預留孔結構形式的膜片,比較了各種膜片的孔隙比、比表面積、防堵塞性和結構強度.

　　1. 3　離子溶釋實驗

　　混凝土生態(tài)膜含有大量的鈣、鈉、鋁等成分,在水體中會發(fā)生溶釋現(xiàn)象,即某些金屬會以離子態(tài)的形式從生態(tài)膜片溶釋到水體中去. 本課題組對混凝土生態(tài)膜在自來水浸泡中鈣離子、鋁離子的溶釋過程,采用原子吸收分光光度計(型號為WFX - 1C) 實測了浸泡過程中鈣離子質量濃度(記作ρ(Ca2 + ) )和鋁離子質量濃度,并同時進行了水體pH值變化過程的同步監(jiān)測.

　　1. 4　生物掛膜實驗

　　為了實現(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濟開發(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、葡萄糖等補充營養(yǎng)物,在渠式自動控制生物掛膜系統(tǒng)中對混凝土膜片進行微生物掛膜.

　　1. 5　生活污水處理實驗

　　采用廣州市天河區(qū)生活污水,在渠式混凝土生態(tài)膜反應系統(tǒng)中,進行了污水凈化實驗.實驗是在自制的渠式反應系統(tǒng)(見圖1)中進行的,并采用連續(xù)進水回流式運行方式.

2　結果與討論

　　2. 1　混凝土生態(tài)膜的結構

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　　混凝土生態(tài)膜的結構比較結果見表1.

　　從表1可見,小型膜S01～S03的孔隙率和比表面積都較高,并且不易堵塞、結構強度也較好,故本課題實驗研究主要是采用小型膜.

　　通過合理布置生態(tài)膜在渠式反應器內的排列方式,可有效改善反應器內的水流流態(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機會.

　　2. 2　鈣離子和鋁離子溶釋

　　鈣離子和鋁離子溶釋過程的變化見圖2和圖3.

　　從圖2可知,在浸泡的初期(2～3 d)由于水體鈣離子質量濃度很低,在質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)生化學反應,逐漸生成沉淀物而沉淀,使水體中鈣
離子質量濃度逐漸降低,水體的pH值也隨之下降. 從圖3可知,在混凝土生態(tài)膜的浸泡過程中,鋁離子的吸光度(記作A )幾乎沒有變化,這表明水體鋁離子質量濃度幾乎沒有變化,說明混凝土生態(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

　　在渠式自動控制生物膜系統(tǒng)中對混凝土膜片進行微生物掛膜發(fā)現(xiàn),掛膜系統(tǒng)運行1 d后,膜片表面即開始有微生物附著, 5 d后膜片表面微生物膜體已經基本形成, 1周后膜片表面生物膜體已發(fā)展接近成熟,掛膜完成. 通過顯微鏡觀察和鑒別, 10 d后生物膜體生長的主要微生物種類見表2.

　　2. 4　生活污水處理實驗結果

　　混凝土生態(tài)膜法連續(xù)進水回流式污水處理實驗結果列于表3. 表中COD為化學需氧量.

　　從表3可見,當采用連續(xù)流運行方式時,在進水化學需氧量CODC r = 100～293 mg/L情況下,出水CODC r = 9～65 mg/L,已經達到或接近城市二級污水處理廠對CODC r要求的排放標準(CODCr ≤60 mg/L).實驗觀測到下列現(xiàn)象:

　　(1)透水混凝土生態(tài)膜片單位表面積CODC r負荷(簡稱表面負荷,記作LCOD )對處理系統(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 )同膜片表面負荷的關系見圖5,總體趨勢是隨著膜片表面負荷的增加, 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,見圖6.

3　結論

　　(1)透水膜生物掛膜需要10 d以上的時間,掛膜完成后膜面生長著多種微生物和后生動物,其中以菌類、纖毛蟲類和輪蟲類居多.

　　(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負荷的生物量就越大,處理效果就越好. 因此,工程上應當盡可能提高透水膜的表面積.

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

　　實驗研究表明,采用水泥、砂石、電廠粉煤灰和活性材料等廉價材料制成了透水混凝土膜體經過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,可望能夠應用于實際污水處理工程. 在實驗條件下,整個處理系統(tǒng)的排水COD質量濃度基本達到城市二級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,對氨氮和總磷的去除效果還有待測定.