氧化石墨烯A2O膜生物反应器与共混聚砜（PSf）复合膜处理高浓度废水的系统性能评价外文翻译资料

 2022-08-04 15:22:14

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爱思唯尔期刊

氧化石墨烯A2O膜生物反应器与共混聚砜（PSf）复合膜处理高浓度废水的系统性能评价

由Harish RavishankarABC，Shamima MoazzemA，Veeriah JegatheesanA共同撰写

  1. 澳大利亚墨尔本皇家墨尔本理工大学工程学院
  2. 爱尔兰高威国立大学自然科学学院微生物学系
  3. 爱尔兰戈尔韦国立大学瑞安学院

亮点：

A2O-MBR系统成功地处理了高浓度含铅废水。

较长的水力停留时间有利于铅的去除

铅的去除取决于进水COD的浓度

在A2O膜生物反应器系统中，生物吸附对铅的去除起着重要作用。

SEM-EDS表明膜的污染和未污染部分与铅有关。

文章信息：2019.4.3收到文章，于2019.5.28发表，2019.6.7可以于网上查阅

主编：LiShu

摘要：

采用A2/O-MBR系统对含铅5mg/L的高浓度合成废水进行了处理研究。研究表明：系统对氨氮和COD的去除率约为99%，最大去除率为总去除率的52%,磷和总氮的平均最小去除率为72%。最大铅去除率为98%,水力停留时间（HRT）为144h，出水COD降低到85%。通过铅的质量平衡计算得出，大部分铅的去除是通过厌氧和缺氧池中生物量的累积完成的。氧化石墨烯共混PSf膜的使用寿命是未共混PSf膜的1.4倍。对其他膜的SEM-EDS分析表明，在膜的污染和未污染部分有铅峰，表明铅与污染物质的结合以及膜在铅分离中的作用。

关键词：A2O膜生物反应器，防污膜，氧化石墨烯（氧化石墨烯），铅（Pb），聚砜

1.介绍

膜生物反应器（MBR）已经成功应用于处理不同的废水流。几十年来，关于MBR的应用已经有了大量的实验结果，包括高强度工业废水废物（Lin等人，2012年）。主要优点包括体积小占地面积小，处理质量好，产泥量少，处理效果好以及其操作的灵活性使其成为最受欢迎的废水处理系统（Visvanathan等人，2000年）。

铅是工业废水中的主要污染物，在电子、采矿、电池、金属电镀和精加工、肥料、钢制造业、陶瓷和玻璃工业等各个行业都会产生（Katsou等人，2011a）。铅是一种神经毒性物质，即使在低暴露水平下也会对健康造成危害（Mousa等人，2015年）。

工业废水与城市废水的特性不同，它们的特点取决于所从事的行业和工艺的类型。与城市污水相比，工业废水具有较高的有机强度（gt;1000 COD /L）具有极端的理化性质和不可生物降解的重金属等对环境有毒的物质（Lin等人，2012年）。这些极端条件使治理变得困难，需要多种治理技术的结合。另一方面，城市污水高营养物质，如氨、氮、磷和悬浮固体（Sun等人，2016年）。这种水会导致富营养化和藻类大量繁殖，从而对环境特别是海洋造成危害，对公众健康构成直接威胁。

富营养化的废水大部分经过生物处理。其中一种传统技术是A2/O工艺采用厌氧、缺氧和好氧处理去除污水中的氮、磷和其他营养物质（Banu等人，2009年）。生物处理可以通过吸附来促进重金属的去除与微生物的络合作用。重金属附着MBR系统中的污泥颗粒也有报道（Arevalo等人，2013年）。为了回收处理过的水，分离微生物、悬浮固体和有机物生物膜是必不可少的。在很多情况下，膜分离过程是耦合的生物处理，以实现悬浮颗粒的去除。A2/O膜生物反应器就是这样一个系统，它将生物和膜分离过程结合。这个系统可以有效地处理废水中的营养物质和其他物质，并产生可重复利用的生物膜。然而，这种系统的主要缺点是膜污染。文献中报告了许多克服污染问题的方法（Hu等人，2013；Zhao等人，2014；Zinadini等人，2014；Le Clech等人，2006）。其中一种方法是使用具有抗污染性能的改性膜（Zhao等人，2014). 根据我们以前的研究，我们成功地演示氧化石墨烯共混PSf膜的防污效果（Ravishankar等人，2018a）。

严格的铅排放标准使工业废水难以进入城市下水道（USEPA，2005），研究采用A2O膜生物反应器系统处理工业废水中铅的去除具有重要意义。氧化石墨烯的应用共混PSf膜与原PSf膜的比较将提供更多关于处理性能和膜在铅分离中的作用的知识。数据所获得的数据也可以用来设计和开发全规格的工业及市政污水处理技术混合废水流。

因此，在本研究中，我们采用了氧化石墨烯混合PSfA2/O膜生物反应器系统中膜的性能研究用铅去除高浓度合成废水。A2/O MBR在不同的操作条件下并对其养分去除性能进行了监测通过总磷、总氮、化学需氧量（化学需氧量）。对系统的除铅效果进行了检测和分析对铅进行了平衡，以了解其作用机理。纯PSf和氧化石墨烯共混PSf膜的性能通过浊度和跨膜压力进行评价（TMP）。研究了膜在铅分离中的作用通过扫描电子显微镜能量色散X射线光谱（SEM-EDS）分析。

2.材料和方法

2.1.A2O MBR系统和操作条件

和我们之前工作中报告的示意图一样，本研究中使用的系统与A2O MBR系统具有相同的性能（Ravishankar等人，2018a）。该系统最初采用安格尔海污水处理厂的活性污泥进行接种。活性污泥的特性如表1所示。厌氧、缺氧和好氧池的水力容量、聚丙烯球数、空气喷射率和合成橡胶成分与我们之前提交的数据相同。（Ravishankar等人，2018）

A2O MBR系统运行了一年（分成四个季度）。一季度，对活性污泥的生物学性能进行了驯化条件。将表面积为0.0196 m2的PSf（15%）膜安装在好氧室内罐子。对进料流量、再循环率、泵的微小调整同时，对MBR系统进行了定时设置。

在第二季度，随着葡萄糖浓度上升，引入了5mg/L的铅离子（以硝酸铅）。这样做是为了向系统中添加铅，克服葡萄糖对生物的影响。总养分和铅对A2O膜生物反应器系统的去除性能进行了现场监测从本季度开始。在第三季度，A2O MBR系统在6.37Lm—2h—1的流量下运行，该流量低于原始PSf膜的临界通量（Ravishankar等人，2018a）随着水力停留时间（HRT）的延长和水力停留时间的降低再循环率。在第四季度，血糖水平下降降低到第一季度的浓度。去吧介绍了PSf（15%PSf和1%氧化石墨烯）共混膜的制备方法与未经处理的PSf（15%PSf）进行了比较这个季度。期间的跨膜（TMP）使用安装的压力持续监控操作的稳定性仪表。四年期间运行情况的进一步详情表2列出了四分之一

2.2.分析技术

采用Hach便携式万用表探头（MM150）进行监测pH、电导率、总溶解固体（TDS）、温度、溶解氧（DO）和氧化还原A2O膜生物反应器的电位（ORP）等参数。渗透液浊度使用Hach（2100 N）浊度计测量。MLSS是采用标准方法（APHA，1998）测量。在每个储罐中（即厌氧、缺氧和好氧储罐）F/M根据MLVSS的累积添加量计算比率存。根据经验法则转换计算MLVSS比值，即COD/BOD和MLVSS/MLSS分别为2.0和0.8（Tchobanoglous等人，2003年）。根据这些换算系数，F/M（g）,BOD (g),MLVSS （d/L)得出了四个季度的比率。

反应器消化法（方法8000）用于使用Hach高量程COD测试试剂盒测量COD。总氮总氮和总磷用过硫酸盐估算消解（方法10072）和钒酸钼（方法10127）方法采用高量程Hach试剂盒。水杨酸法10031）用于氨（NH3-N）的高量程估算氨醋酸试剂盒。硝酸盐（NO3-N） 亚硝酸盐（NO2)使用镉还原法（方法8171）和亚铁估算硫酸盐法（方法8153）。所有样本均为以3000 rpm离心5分钟，并使用上清液进行分析。过滤后测定样品中的铅含量使用原子吸收光谱法（AAS）140217nm。

2.3.铅的质量平衡

为了解铅的去除机理，进行了质量平衡实验。质量平衡是使用方程式

Mass (Pb in) frac14; Mass (Pb accumulated) thorn;Mass (Pb out)

上述方程是针对A2O膜生物反应器系统实现的并根据计算结果对单个储罐进行了质量平衡从系统示意图（图1）导出的方程式。

Q0 C0 = Q0 C1 E

Q0 C1 Q1 C4 frac14; (Q0 Q1) C2 F

（Q0 Q1) C2 = Q1 C4 Q0 C3 G

式中，Q0 C0是从进料槽进入厌氧槽的铅质量（mg d/L)，Q0 C1进入缺氧罐的铅质量，其中Q0 C0是从进料罐进入厌氧罐的铅质量（mg d/L)，Q0 C1从厌氧池进入缺氧池的铅质量（mg d/L)，Q1 C4从好氧循环的铅质量罐至缺氧罐，（Q0 Q1）C2从缺氧罐进入的铅质量池至好氧池，Q0 C3膜中以渗透形式析出的铅质量，E为厌氧过程中累积的铅质量槽中，F为缺氧槽中铅的累积质量，G为好氧池中铅的累积质量。

从采样点采集样本（见图1）根据每个储罐的保留时间（即0、24、40、80进料、厌氧、缺氧、好氧循环和循环时间分别为80h分别为渗透槽）。该系统被认为具有达到质量平衡计算的稳定状态。铅浓度取三个样品的平均值，并用于分析方程（2）-（4）。

2.4.扫描电子显微镜能量色散X射线光谱学（SEM-EDS）

用量子扫描电镜研究了污染膜的表面形貌及其组成。取小片膜表面样品用标准技术制备并涂上碳。用阿兹特克能谱仪对样品成分进行了表征微量分析。

2.5铅去除率

铅的去除率用下面给出的公式计算。

式中，Cin是进入时的铅浓度，Cout的铅浓度是排出时的铅浓度。

3.结果与讨论

3.1.A2O膜生物反应器基本参数的时间变化

A2O MBR的健康状况通过以下参数进行监测：pH、温度、溶解氧（DO）和氧化还原电位。这些参数对生物脱氮除磷至关重要。

在A2O工艺中，磷最初由厌氧区的聚磷菌（PAO）释放。这时被存在于好氧区的微生物所消耗，由此来去除水流中的磷（Tchobanoglous等人，2003年）。硝化和反硝化作用发生在好氧段和缺氧段（Tchobanoglous等人，2003年）。这个系统结合生物脱氮除磷设计从而有助于通过单步过程实现去除。在下面讨论了各个参数的时间变化。

3.1.1. pH、温度、溶解氧（DO）和氧化、还原电位（ORP）

厌氧、缺氧、好氧和渗透池的平均pH值分别为7.0、7.6、8.6和8.7。合成饲料的pH值很高，但在厌氧池中下降到7.0。Sadelac（1991）据报道，当pHgt;6.5时是适合除磷的，而硝化反硝化的最适pH值为7-7.2（Tchobanoglous等人，2003）和7-8（Dawson和Murphy，1972）。好氧池中的碱度提升是由于在除磷过程中，PHB的氧化和正磷酸盐的利用。在ph9.5以下时，氨气提脱氮可忽略不计，脱氮主要是由于现有系统中的硝化-反硝化过程。

生物过程对温度很敏感，而且它们的活性也很强随着温度升高，直到达到最大速率，之后出现抑制（Jeyanayagam，2005,Jeyanayagam,2005）显示对硝化作用和磷吸收的抑制作用在温度分别达到40℃和30℃以上。从温度数据观察到平均温度厌氧池和缺氧池的温度约为25℃，厌氧池和缺氧池的温度约为20℃为硝化和磷吸收提供了适宜的条件。

溶解氧是硝化作用和去除磷的关键。低溶解氧（lt;0.5mg/L）)可大大抑制硝化作用速率（Tchobanoglous等人，2003年）。对于除磷，在好氧区，最低溶解氧需要1mg/L（Jeyanayagam，2005年）。厌氧和厌氧条件下的平均溶解氧水平缺氧罐分别为0.20mg/L和0.22 mg/L,曝气池的溶解氧为7.5mg/L，渗透溶解氧为7.7mg/L,溶解氧

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