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我国水资源储量居世界第6位,但人均占有量极低,仅居世界第121位,是世界上最缺水的13个国家之一[1]。工业化和城市化的快速发展带来了大量的水环境污染,加上水资源短缺以及洪涝灾害等影响,我国水生态环境遭到严重破坏,江河湖海及部分地区地下水区域都出现不同程度的水污染[2]。河流区域污染主要体现在有机污染,主要包括生化需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、高锰酸钾指数和挥发酚等;湖泊污染主要体现在水体富营养化,主要包括总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸钾指数等;近岸海域污染主要包括磷酸盐、无机氮、重金属等。这些因素导致了水生态环境污染危害严重、影响范围广、治理难度大等[3]。
移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor, MBBR)是在传统活性污泥法和生物膜法的基础上发展起来的一种新型高效的污水处理技术,具有抗冲击负荷能力强、无需反冲洗、经济高效等优点[4-5],通常会与其他污水处理工艺结合,主要用于污水处理厂提标改造。 贾倩等[6]通过构建A2/O(厌氧-缺氧-好氧)-MBBR污水处理新工艺,强化对COD和NH3-N的去除效果,新工艺对COD和氨氮的去除率分别可达84.3%和82.93%,去除率均提高超过10%;吴越等[7]提出A2/O+MBBR+曝气生物滤池复合工艺,对某污水处理厂进行提标改造,在进水水质波动较大情况下,新工艺对COD的去除率可稳定在85%以上,TP去除率可达92.5%,氨氮去除率提升到95%,TN去除率可达83.5%,出水水质明显改善;李志超等[8]将MBBR与MBR工艺耦合并对某污水处理厂进行提标提量改造。改造后的新工艺在降低运维成本的同时,也保证了进水冲击和低温条件出水水质的稳定达标。
填料是MBBR的核心,填料的材质及表面性质会直接影响填料的挂膜性能及对污水的处理效果。优良的填料性能表现为生物亲和性好、亲水性好、亲电性好、比表面积大、使用周期较长且价廉易得等。以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(PU)等材料加工制备而成的传统填料因亲水性差、比表面积小等问题,导致MBBR启动和运行中出现填料挂膜速度慢、挂膜量少、污水处理效果差等问题,制约了填料在污水处理中的应用[4,9]。通常可对填料进行改性,提升实用性。李春梅[10]对聚乙烯填料分别进行液相氧化、液相氧化-水浴-丙烯酸、液相氧化-超声-丙烯酸3种改性,提高填料表面亲水性,结果表明改性后填料挂膜时间缩短,污染物去除率增加。MAO等[11] 在环状聚乙烯填料表面涂覆不同厚度和孔径的海绵来改善填料的亲水性及挂膜性能,改性后填料的亲水性和挂膜性能明显改善。欧日浩等[12]对聚乙烯填料进行液相氧化和明胶接枝改性,改性后填料表面粗糙度增加,亲水性提高。李莉等[13]采用液相氧化-水浴接枝丙烯酸对聚乙烯填料进行改性,结果表明改性后填料的脱氮效能明显提高。
高密度聚乙烯(HDPE)是一种高结晶度、非极性的热塑性树脂,具有良好的机械性能、可加工性、耐腐蚀性以及绝缘性等,应用领域广泛[14]。HDPE材料的密度和强度优于PE材料,但同样存在表面亲水性差、生物亲和性差等问题[9]。改性方式有物理改性和化学改性,物理改性有共混、表面涂敷、填充[15]等;化学改性有接枝、共聚、交联[16]等。
本研究对HDPE制成的K3填料进行表面涂覆改性,通过浸涂的方式将亲水性纳米SiO2、聚乙烯醇(PVA)、聚多巴胺(PDA)等材料负载在填料表面,制备亲水型改性填料;通过模拟MBBR工艺探究改性填料的挂膜性能及对COD、NH3-N、TN、TP等的处理强化效果,旨在为HDPE填料亲水改性的深入研究及在MBBR中的实际应用提供参考。
改性HDPE填料的制备及对MBBR脱氮除磷效果的强化
Preparation of modified HDPE carrier and its strengthening effect on nitrogen and phosphorus removal of MBBR
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摘要: 为解决传统填料亲水性差、挂膜速度慢等问题,对高密度聚乙烯(HDPE)填料进行亲水改性并改善填料的挂膜性能及在移动床生物膜反应器(MBBR)中的应用效果,用浸涂的方式将纳米SiO2、聚乙烯醇(PVA)、聚多巴胺(PDA)等材料涂覆在HDPE填料表面,对改性后填料进行接触角、SEM、FT-IR和XPS表征以及MBBR挂膜启动实验,研究化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的去除效果以及对填料挂膜时间、生物膜量、蛋白质和多糖含量的影响。结果表明:改性后,填料接触角由94.82°降至 60.1°,填料亲水性明显增强;填料表面出现褶皱,粗糙度增加;上述材料成功负载在填料表面并引入了亲水基团且未改变填料基本结构;填料挂膜时间由25 d提前至16 d,挂膜时间提前了9 d,COD、NH3-N、TN、TP去除率分别达到94.9%、95.4%、83.5%、71.6%,与改性前比分别提高了9.3%、6.7%、13.7%、11.5%;填料的生物膜量是改性前的1.57倍,从27.35 mg·g−1提高到42.87 mg·g−1,其中蛋白质和多糖的含量分别从改性前的6.48 mg·g−1和3.38 mg·g−1提高到8.83 mg·g−1和5.82 mg·g−1,分别为改性前的1.36倍和1.72倍。由此可以看出,表面涂覆可以提高HDPE填料的亲水性,改性后的HDPE填料可以缩短在MBBR中的挂膜时间及强化对COD、NH3-N、TN、TP的去除效果。本研究结果可为HDPE填料亲水改性的深入研究及在MBBR中的实际应用提供参考。
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关键词:
- HDPE填料 /
- 亲水改性 /
- 移动床生物膜反应器(MBBR) /
- 脱氮除磷
Abstract: In order to solve the problems of poor hydrophilicity and slow film-forming speed of traditional carriers, high-density polyethylene (HDPE) carriers were hydrophilic modified to improve the film-forming performance of the carriers and the application effect in the moving bed biofilm reactor (MBBR). Nano-SiO2, polyvinyl alcohol (PVA), polydopamine (PDA) and other materials were coated on the surface of HDPE carriers by dip coating, and the modified carriers were characterized by contact angle, SEM, FT-IR and XPS, as well as MBBR film-forming startup test, The removal effects of chemical oxygen demand (COD), ammonia nitrogen (NH3-N), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP), as well as their effects on the time of biofilm formation, biofilm mass, protein and polysaccharide content of carriers, were studied. The results showed that after modification, the contact angle of the filler decreased from 94.82° to 60.1°, and the hydrophilicity of the filler was significantly enhanced. The surface of the filler was wrinkled and its roughness increased. The above materials were successfully loaded on the surface of the filler and hydrophilic groups were introduced without changing the basic structure of the filler. The time of packing film hanging shifted from 25 days to 16 days, and the time of film hanging was 9 days in advance. The removal rates of COD, NH3-N, TN and TP reached 94.9%, 95.4%, 83.5% and 71.6%, they increased by 9.3%, 6.7%, 13.7% and 11.5% compared with those before modification, respectively. The amount of biofilm of the filler was 1.57 times as much as that before the modification, and increased from 27.35 mg·g−1 to 42.87 mg·g−1, of which the contents of protein and polysaccharide increased from 6.48 mg·g−1 and 3.38 mg·g−1 before the modification to 8.83 mg·g−1 and 5.82 mg·g−1, respectively, they were 6 times and 1.72 times higher than those before the modification. It can be seen that surface coating could improve the hydrophilicity of HDPE carriers, and the modified HDPE carriers could shorten the film hanging time in MBBR and enhance the removal effect of COD, NH3-N, TN and TP. The results of this study can provide a reference for further study on the hydrophilic modification of HDPE carriers and their application in MBBR. -
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