(暨南大学环境工程系,广东广州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态膜,利用原子吸收仪测定其在水体中的离子溶释过程,并通过渠式反应系统对该透水膜进行了生物挂膜和污水处理实验. 实验结果表明,经过这种透水混凝土膜法处理后的污水中化学需氧量(CODCr )的浓度可达到国家相关排放标准.
[关键词] 混凝土生态膜; 离子溶释; 污水处理
治理水污染已经成为当前城镇社会经济发展中迫切需要解决的重要问题之一. 但是按照传统活性污泥法工艺建设城市污水处理厂需要大量的投资,目前不是所有地区都有这样的经济承受力. 因此,寻求低成本高效污水处理技术是当务之急. 新型低成本透水混凝土生态膜法生活污水处理技术正是为了适应这种要求而研制开发的. 该技术是在广东省科技计划基金和国家自然科学基金的资助下,经过反复实验摸索,以水泥、砂石、电厂粉煤灰和活性材料等廉价材料制成了透水混凝土膜体,并采用微生物培养法使膜体表面粘挂多种微生物,形成具有物理过滤、生物吸附、化学吸附等多种功能的透水混凝土生态膜,其建设成本和运行成本可降低到传统活性污泥处理法的1 /3,而处理出水水质将可接近传统二级处理出水水质. 从理论上讲,它具有造价低、运行费用少、处理效率高、管理和维护方便的特点和优势,可望满足大中型住宅区污水处理的实际需要. 本文是该项研究的部分成果之一.
透水混凝土生态膜在材料组分和耐用性方面不同于普通生物膜,在结构形式上也不同于生态混凝土,具有普通生物膜的功能和生态混凝土耐久性好的优点.
关于生态混凝土的研究也是近10余年开展起来的. 国外从20世纪90年代开始研究能改善水质的混凝土材料,其中日本处于领先地位. 1995年日本混凝土工学协会提出了生态混凝土的概念[ 2 ] : 1995. 02～1996. 02日本长崎大学进行了生态混凝土海水现场试验,发现生态混凝土具有富集营养物质的功能[ 3 ] . 国外应用于污水处理的生态混凝土通常为大孔混凝土(porous concrete) ,在混凝土内具有大量的连通孔,因此有良好的透水性并依靠大孔混凝土的物理、化学以及生物化学作用来达到净水的目的[ 4 ] . 但是国外至今没有做到实际应用,主要原因是污水中的固体物质沉积在混凝土上,会很快堵塞大孔混凝土的孔隙,使其失去了净水功能;并且普通大孔混凝土净水效果(尤其是浊度等)还不够理想、混凝土在流动水中钙离子大量流失,使水泥水化产物分解而造成强度降低直至破坏,所以混凝土的耐久性不够,且没有设计出合理使用生态混凝土的实际工程应用方法和如何确定其净水效果. 国内近7年才开始有学者关注生态混凝土的研究;如同济大学材料科学与工程学院陈志山教授等[ 5 - 6 ] 1997年开始研究生态混凝土材料,采用普通水泥和砂石等材料制作生态混凝土,研制了一种沉淀、过滤和曝气三合一的(侧滤)处理装置,较好地解决了固体物质在生态混凝土上的堆积问题,在应用于上海市某小区、金山镇等地的生活污水处理实验中,取得了比较好的结果. 但是,迄今为止,用于城市污水处理的生态混凝土技术存在如下不足:一、污水中的固体物质沉积在混凝土上,很快堵塞了小孔混凝土的孔隙使其失去了净水功能;二、对生态混凝土的净水机理的了解还处在很模糊的状态[ 7 ] ;三、还没有设计出合理使用生态混凝土的实际工程应用的工艺技术方法.
鉴于以上原因,本课题组汲取了生态混凝土的研究经验,从生物膜技术出发,基于大幅降低挂膜介质成本的考虑,提出了混凝土生态膜的概念,并进行了组分选择、离子溶释测定、生物挂膜和污水处理实验研究.
1 实验方法
1. 1 组分选择实验
从经济实用角度,选定混凝土生态膜的组分材料主要为水泥、黄沙、碎石、粉煤灰和活性材料CRLT - 1. 实验比选了不同组分配比的强度、表面粗糙度、制作难度等,最终选定组分最佳配比为(质量分数) :水泥30%、黄沙35%、碎石20%、粉煤灰10%和CRLT - 1材料5%.
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1. 2 结构实验
考虑到制作方便,本课题研制的混凝土生态膜采用预留贯通孔的结构形式. 在实验中,试制了8种不同的预留孔结构形式的膜片,比较了各种膜片的孔隙比、比表面积、防堵塞性和结构强度.
1. 3 离子溶释实验
混凝土生态膜含有大量的钙、钠、铝等成分,在水体中会发生溶释现象,即某些金属会以离子态的形式从生态膜片溶释到水体中去. 本课题组对混凝土生态膜在自来水浸泡中钙离子、铝离子的溶释过程,采用原子吸收分光光度计(型号为WFX - 1C) 实测了浸泡过程中钙离子质量浓度(记作ρ(Ca2 + ) )和铝离子质量浓度,并同时进行了水体pH值变化过程的同步监测.
1. 4 生物挂膜实验
为了实现生态膜的生物吸附功能,必须在膜片表面挂接微生物膜体. 本课题组采用广州猎德污水处理厂和广州经济开发区污水处理厂活性污泥作为接种微生物,以生活污水作为培养基,并适量添加牛肉膏、淀粉、葡萄糖等补充营养物,在渠式自动控制生物挂膜系统中对混凝土膜片进行微生物挂膜.
1. 5 生活污水处理实验
采用广州市天河区生活污水,在渠式混凝土生态膜反应系统中,进行了污水净化实验.实验是在自制的渠式反应系统(见图1)中进行的,并采用连续进水回流式运行方式.
2 结果与讨论
2. 1 混凝土生态膜的结构
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混凝土生态膜的结构比较结果见表1.
从表1可见,小型膜S01～S03的孔隙率和比表面积都较高,并且不易堵塞、结构强度也较好,故本课题实验研究主要是采用小型膜.
通过合理布置生态膜在渠式反应器内的排列方式,可有效改善反应器内的水流流态和防止污水短流,确保污水与生态膜面有充足的接触反应机会.
2. 2 钙离子和铝离子溶释
钙离子和铝离子溶释过程的变化见图2和图3.
从图2可知,在浸泡的初期(2～3 d)由于水体钙离子质量浓度很低,在质量浓度梯度的作用下,钙离子从膜体溶释到水体,使水体中钙离子质量浓度显著增大,水体pH值也随之显著增大(浸泡0、1、2、3、5、10、13 d的pH值分别为6. 5、7. 8、8. 6、9. 5、8. 7、8. 1、7. 8). 随着水体钙离子不断增多,钙离子与水中其他氧化物发生化学反应,逐渐生成沉淀物而沉淀,使水体中钙离子质量浓度逐渐降低,水体的pH值也随之下降. 从图3可知,在混凝土生态膜的浸泡过程中,铝离子的吸光度(记作A )几乎没有变化,这表明水体铝离子质量浓度几乎没有变化,说明混凝土生态膜中的铝离子并未发生显著的溶释现象.
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2. 3 微生物挂膜
在渠式自动控制生物膜系统中对混凝土膜片进行微生物挂膜发现,挂膜系统运行1 d后,膜片表面即开始有微生物附着, 5 d后膜片表面微生物膜体已经基本形成, 1周后膜片表面生物膜体已发展接近成熟,挂膜完成. 通过显微镜观察和鉴别, 10 d后生物膜体生长的主要微生物种类见表2.
2. 4 生活污水处理实验结果
混凝土生态膜法连续进水回流式污水处理实验结果列于表3. 表中COD为化学需氧量.
从表3可见,当采用连续流运行方式时,在进水化学需氧量CODC r = 100～293 mg/L情况下,出水CODC r = 9～65 mg/L,已经达到或接近城市二级污水处理厂对CODC r要求的排放标准(CODCr ≤60 mg/L).实验观测到下列现象:
(1)透水混凝土生态膜片单位表面积CODC r负荷(简称表面负荷,记作LCOD )对处理系统污染物的去除效果影响很大,膜片平均单位表面积CODCr去除量(记作λCOD )同表面负荷成正比,如图4所示.
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(2)处理系统的COD去除率(记作RCOD )同膜片表面负荷的关系见图5,总体趋势是随着膜片表面负荷的增加, COD去除率下降,并且COD去除率下降速度随着表面负荷的增大而减缓.
(3) COD去除率与膜片总表面积(记作S )成正比递增,见图6.
3 结论
(1)透水膜生物挂膜需要10 d以上的时间,挂膜完成后膜面生长着多种微生物和后生动物,其中以菌类、纤毛虫类和轮虫类居多.
(2)采用的透水混凝土膜片表面积越大,能够挂接的微生物数量就越多,参与生化降解废水有机负荷的生物量就越大,处理效果就越好. 因此,工程上应当尽可能提高透水膜的表面积.
(3)随着进水有机负荷的增加,单位面积膜片的吸附量也增加,这说明透水膜具有一定的抗冲击负荷的能力. 但是,在高有机负荷情形下,必须有足够的膜片数量和反应时间,才能有较好的处理效果.
实验研究表明,采用水泥、砂石、电厂粉煤灰和活性材料等廉价材料制成了透水混凝土膜体经过生物挂膜形成的透水混凝土生态膜具有较好的污水净化能力,可望能够应用于实际污水处理工程. 在实验条件下,整个处理系统的排水COD质量浓度基本达到城市二级污水处理厂排放要求,总体处理效果同采用的膜体总表面积成正比. 但是,目前该系统处理规模还较小,对氨氮和总磷的去除效果还有待测定.
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