DMAc和NMP的有氧与厌氧处理——用于膜生产的处理方案

《Water Resources and Industry》：Aerobic and anaerobic treatment of DMAc and NMP - Treatment options for membrane production

本研究通过对比移动床生物膜反应器（MBBR）、两阶段人工湿地（VFCW）和厌氧反应器处理含DMAc和NMP的废水，发现VFCW在DOC去除率（98%）和氮完全硝化方面表现最优，MBBR在最佳条件下达95%去除率，而厌氧处理对DMAc有效但对NMP降解缓慢，需进一步优化。

　　在膜制造工业中，N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）是常用的有机溶剂。由于这些溶剂的使用，会产生含有溶剂的废水。通常，这些废水会通过外部处理或处置，但这会增加处理成本和环境负担。为了寻找一种更可持续的处理方案，研究团队在实验室环境下对多种废水处理技术进行了测试，包括移动床生物膜反应器（MBBR）、两阶段垂直流人工湿地（VFCW）以及厌氧处理方法。研究旨在评估这些技术在处理溶剂废水方面的可行性，为实际应用提供数据支持。

实验结果显示，DMAc和NMP在好氧条件下均具有较高的可降解性。MBBR和VFCW分别平均实现了95%和98%的溶解有机碳（DOC）去除率。值得注意的是，在VFCW中，溶剂中的氮可以被完全硝化，而MBBR中的硝化过程则受到负荷的影响。相比之下，厌氧处理的实验结果则存在较大差异。DMAc几乎可以被完全降解，而NMP在厌氧条件下降解速度较慢。

在实验设计方面，研究团队采用了多种处理技术，并对不同溶剂的处理效果进行了系统评估。针对DMAc和NMP，分别设计了不同的测试系列，包括VFCW、MBBR和厌氧处理。其中，VFCW被设计为两阶段系统，第一阶段填充砾石，第二阶段填充沙子。MBBR则采用玻璃反应器，通过控制氧气供应和pH值来优化处理效果。厌氧处理包括批次实验和连续搅拌反应器（CSTR），这些实验评估了溶剂在不同条件下的降解能力。

在测试过程中，团队发现不同处理技术对溶剂的去除效率存在显著差异。对于VFCW，当溶剂负荷较高时，系统表现出较高的去除能力，但也会出现短期的负荷过载现象。在MBBR中，溶剂的去除效率受到pH值和氧气浓度的影响较大。例如，当pH值超过9.0时，处理效率会显著下降。这表明，MBBR对环境条件的变化更为敏感，而VFCW则在pH波动时表现出更强的稳定性。此外，MBBR中溶剂的去除效率通常高于VFCW，但在氮的去除方面，VFCW具有更明显的优势。

研究还发现，溶剂的降解过程会影响废水中的氮含量和pH值。例如，在处理DMAc时，由于其降解过程中会产生大量的氨，这会进一步影响硝化过程。在厌氧处理中，DMAc表现出较高的可降解性，而NMP则在降解过程中遇到更多困难。特别是，NMP的环状结构使其在厌氧条件下难以被完全降解，因此通常建议通过焚烧进行处置。

在数据分析方面，研究团队对多种参数进行了测量，包括总有机碳（TOC）、总氮（TN）、氨氮（NH4-N）、硝酸盐氮（NO3-N）、硝酸盐氮（NO2-N）以及溶解性有机碳（DOC）和挥发性脂肪酸（VFA）等。通过这些数据，团队评估了不同处理技术的性能，并比较了它们在实际应用中的可行性。例如，在VFCW中，处理效率较高，但对pH值的敏感度较低，而MBBR则需要更多的操作控制。

在处理过程中，团队还关注了不同技术对废水处理的能耗和操作成本。VFCW作为近自然处理技术，其运行能耗较低，操作管理也较为简单，但需要较大的占地面积。相比之下，MBBR虽然具有较高的处理效率，但需要持续的供氧和pH调节，这会增加能耗和操作复杂度。因此，选择适合的处理技术需要综合考虑处理效率、能耗、占地面积以及操作条件。

研究结果表明，VFCW和MBBR在处理溶剂废水方面均表现出良好的性能，但在不同方面各有优劣。VFCW适合处理高负荷的废水，能够实现较高的DOC去除率，同时对氮的去除效果更佳。MBBR则更适合处理中等负荷的废水，但其运行条件更为复杂，需要更多的维护和控制。此外，厌氧处理在处理DMAc时表现出良好的效果，但NMP的处理则相对困难，尤其是在高负荷条件下。

研究还强调了溶剂处理过程中可能遇到的挑战。例如，在处理高浓度的溶剂废水时，需要考虑溶剂对微生物的潜在毒性以及对处理系统的干扰。在VFCW中，由于溶剂的降解会改变pH值，从而影响硝化过程。因此，设计和运行VFCW时，需要特别关注pH值的管理，以确保氮的完全硝化。此外，高浓度溶剂废水的处理还可能影响到生物膜反应器中的微生物群落，进而影响处理效率。

为了进一步优化处理技术，研究团队建议进行更多的现场试验，以验证不同技术在实际应用中的表现。例如，对于VFCW，可以考虑在系统中引入植物，以提高其处理能力。此外，对于厌氧处理，虽然NMP的处理效率较低，但通过调整处理条件，如增加HRT（水力停留时间）和优化微生物群落，可能会提高其降解能力。

总体而言，这项研究为膜制造行业废水处理提供了重要的数据支持。通过比较不同处理技术的性能，研究团队为选择适合的废水处理方案提供了科学依据。VFCW和MBBR在处理溶剂废水方面均表现出良好的效果，但需要根据具体的处理需求和环境条件进行选择。此外，研究还强调了处理过程中可能遇到的问题，如pH值波动对处理效率的影响，以及高浓度溶剂废水对微生物的潜在毒性。这些发现对于制定更有效的废水处理策略具有重要意义。