采用膜生物反應(yīng)器處理回用洗浴廢水

周超，夏四清，高乃云，楚文海

(同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200092)

一般城市污水處理大多采用活性污泥處理系統(tǒng)，如常規(guī)活性污泥法、氧化溝(OD)等。而隨淡水短缺和更嚴(yán)格環(huán)境法規(guī)的推動，膜生物反應(yīng)器技術(shù)(Membrane bioreactor, MBR)已成為生活污水的主要治理方法之一[1]。膜生物反應(yīng)器技術(shù)作為一種將傳統(tǒng)活性污泥生物降解技術(shù)(CAS)和高效多孔膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型廢水處理技術(shù)[2-4]，兼顧污水處理和再生使用兩方面功能，具有占地少、污泥排放量低、出水水質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，廣泛應(yīng)用于市政廢水、工業(yè)廢水和地表水治理[7-9]，特別是在中水回用方面的巨大潛力，使其受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注[10]。膜生物反應(yīng)器在污水處理工藝的應(yīng)用研究起源于20世紀(jì)60年代末的美國[11]，20世紀(jì)80年代后期，其作為一種很有前途的技術(shù)已成功應(yīng)用到世界不同地區(qū)的城市污水處理中[12]。我國對膜生物反應(yīng)器污水處理工藝的研究起步相對較 晚[13]。同濟(jì)大學(xué)三好塢水體屬于典型的封閉式校園景觀水體，長期處于嚴(yán)重的富營養(yǎng)狀態(tài)。同濟(jì)大學(xué)洗浴廢水處理中水回用示范工程，以節(jié)水節(jié)能為目的，在學(xué)生浴室旁安裝了一套生產(chǎn)規(guī)模裝置，用以 MBR工藝為主體，以氣浮、曝氣生物濾池為輔助的組合工藝將具有水量變化大、污染輕、水質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)的洗浴廢水再生利用，出水回用于三好塢景觀水體，實(shí)現(xiàn)對外零排放。本文作者采用上述膜生物反應(yīng)器對洗浴廢水進(jìn)行處理回用研究，確定該工藝最佳運(yùn)行參數(shù)，并考察其用于洗浴廢水回用的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)期間，洗浴廢水水質(zhì)變化情況如表1所示。

1.1 工藝流程

同濟(jì)大學(xué)洗浴廢水回用處理工藝流程如圖 1所示，其主要處理單元是容積140 L的曝氣池。膜生物反應(yīng)器內(nèi)裝有聚乙烯中空微濾膜塊，其表面積為3 m2，孔徑為0.4 μm，空氣由抽氣泵通過膜塊下方的軸向多孔管進(jìn)入，提供給微生物氧氣。調(diào)節(jié)池洗浴廢水通過抽水泵吸入生物反應(yīng)池，水泵由水位指示器控制，保持試驗(yàn)期間曝氣池內(nèi)固定水位。膜濾出水通過連接膜塊的抽水泵抽吸，出水流速和跨膜壓差分別通過流量計(jì)和真空計(jì)監(jiān)控。

1.2 測試方法

化學(xué)需氧量(COD)采用重鉻酸鉀法測定；氨氮(NH3-N)采用納氏試劑比色法測定；總氮(TN)質(zhì)量濃度采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；混合液懸浮固體(MLSS)、混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)和懸浮物(SS)質(zhì)量濃度采用重量法測定；生物化學(xué)需氧量(BOD5)采用微生物傳感器快速測定法測定；總磷(TP)質(zhì)量濃度采用鉬酸銨分光光度法測定；膜生物反應(yīng)器臨界通量通過通量步進(jìn)方法確定[14]。

1.3 污泥馴化

接種污泥取自曲陽污水廠曝氣池回流污泥(ρ(MLSS)為 9.85 g/L), 污泥沉降比為 72%)，污泥質(zhì)量濃度為 2.50 g/L，外觀棕褐色，鏡檢生物相豐富。啟動生物反應(yīng)池內(nèi)回流泵，使整個(gè)反應(yīng)池的污泥處于不斷循環(huán)的狀態(tài)，系統(tǒng)暫不出水，同時(shí)投加一定量營養(yǎng)物質(zhì)維持污泥營養(yǎng)，悶曝2 d。停止回流泵，采取連續(xù)流(水量7 L/(m2·h))進(jìn)行馴化，控制廢水COD5質(zhì)量濃度，使馴化過程中進(jìn)水陰離子表面活性劑(LAS)含量逐步升高，直至完全成為原廢水，以求污泥逐漸適應(yīng)廢水水質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定，使處理水量(7 L/m2·h)逐步遞增至次臨界通量區(qū)(12～15 L/m2·h)。

表1 試驗(yàn)期間洗浴廢水水質(zhì)Table 1 Quality of bath wastewater during test

圖1 洗浴廢水回用處理工藝流程圖[6]Fig.1 Flow diagram of treatment process[6]

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 MBR運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 MBR臨界通量

圖2所示為臨界通量測定圖。由圖2可見：每階通量值遞增2～3 L/(m2·h)，歷時(shí)30 min；當(dāng)通量達(dá)到17 L/(m2·h)，跨膜壓差增加較為迅速，故臨界通量在15～17 L/(m2·h)區(qū)域范圍。MBR恒流操作分為3個(gè)區(qū)域：超臨界區(qū)(17 L/(m2·h)以上)、臨界區(qū)(15～17 L/(m2·h))和次臨界區(qū)(15 L/(m2·h)以下)。MBR在超臨界區(qū)運(yùn)行時(shí)，跨膜壓差上升很快，而在次臨界區(qū)，跨膜壓差變化緩慢。因此確定膜通量在次臨界區(qū)運(yùn)行。

圖2 臨界通量測定圖[6]Fig.2 Measurement of critical flux[6]

2.1.2 最佳曝氣量

當(dāng)曝氣強(qiáng)度小于經(jīng)濟(jì)曝氣強(qiáng)度時(shí)，懸浮固體向膜表面運(yùn)動的速度大于懸浮固體脫離膜表面的速度，導(dǎo)致懸浮固體迅速在膜表面沉積，此時(shí)膜污染主要由懸浮固體在膜表面的沉積所控制，跨膜壓差上升速率隨曝氣強(qiáng)度減小而增加；而當(dāng)曝氣強(qiáng)度大于經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度時(shí)，膜污染主要由溶解性有機(jī)物在膜表面的沉積所控制，此時(shí)跨膜壓差上升速率隨曝氣強(qiáng)度增大而增大。如圖3所示，經(jīng)分析確定曝氣量為450～550 L/(m2·h)。

圖3 跨膜壓差與曝氣強(qiáng)度關(guān)系[6]Fig.3 Relationship of transmembrane pressure and aeration strength[6]

2.2 水質(zhì)指標(biāo)變化

水力停留時(shí)間t是膜生物反應(yīng)器運(yùn)行中的一個(gè)重要操作參數(shù)，降低停留時(shí)間會導(dǎo)致較高的有機(jī)負(fù)荷率，而提高停留時(shí)間會得到更好的去除效果[15]。本試驗(yàn)以水質(zhì)指標(biāo)去除率對t的變化情況進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，同時(shí)對MBR活性污泥性能進(jìn)行分析。

2.2.1 CODCr的去除

表2所示為水質(zhì)指標(biāo)去除率對水力停留時(shí)間的變化。由表2可知：試驗(yàn)初期，即污泥馴化期，膜池上清液以及出水都隨進(jìn)水水質(zhì)而波動，處理效果不理想。隨污泥逐步適應(yīng)水質(zhì)進(jìn)入適應(yīng)期，上清液和出水水質(zhì)得到改善，出水完全達(dá)標(biāo)，此時(shí)活性污泥十分活躍。在污泥成熟期，由于污泥漸漸老化，溶解性物質(zhì)和胞外聚合物逐漸增多。但由于膜的截流作用，出水水質(zhì)仍穩(wěn)定。開始膜的截留作用不明顯，因?yàn)槟ぶ荒芙亓糨^大分子污染物，而由于生物作用，較大分子污染物已被分解，且膜面的凝膠層尚未形成。隨時(shí)間推移，膜面凝膠層的逐步形成，從而增大了膜的去除效果。

表2 水質(zhì)指標(biāo)去除率對水力停留時(shí)間t的變化Table 2 Removal rate of water quality index on t %

2.2.2 總氮的去除

膜生物反應(yīng)器出水 TN質(zhì)量濃度始終低于 15 mg/L，達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求。馴化初期脫氮效果不太好且上清液和出水總氮變化隨進(jìn)水總氮而變化。適應(yīng)階段處理效果較好，說明膜生物反應(yīng)器內(nèi)污泥活性較好且已適應(yīng)水質(zhì)。盡管之后進(jìn)水總氮有時(shí)較高，但去除效果均較理想，說明生物膜有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。上清液總氮和出水總氮差值不大，這是因?yàn)榭偟菬o機(jī)物，過膜水平高，所以，膜對其截流作用不強(qiáng)，只有膜面凝膠層對總氮有一定去除作用。

2.2.3 氨氮的去除

由于曝氣以及膜的截流作用，截流了世代時(shí)間較長的亞硝化細(xì)菌和氨氧化細(xì)菌，MBR對氨氮的去除極好。初期就有較高的去除率，隨時(shí)間推移去除率逐漸增加并趨于穩(wěn)定，最后達(dá)到90%，出水氨氮含量接近于0。

2.2.4 總磷的去除

污泥生長需要一定的磷且進(jìn)水含磷量較少，所以MBR對其去除較高，甚至達(dá)100%。只有個(gè)別情況，由于進(jìn)水總磷含量太低去除率不是很高，后期去除沒有預(yù)想中穩(wěn)定，有可能是系統(tǒng)未排泥。

2.2.5 LAS的去除

馴化初期系統(tǒng)對 LAS[16]去除不高，出水 LAS含量未達(dá)標(biāo)。隨時(shí)間推移，LAS去除率逐漸增加直到馴化結(jié)束時(shí)已接近80%。從膜池生物去除率來看，好氧生物的作用較大，隨時(shí)間去除率進(jìn)一步提高，高達(dá)90%且相對穩(wěn)定，說明活性污泥對LAS已經(jīng)適應(yīng)。污泥能在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)水質(zhì)是因?yàn)榻臃N污泥取自生活污水處理廠，而生活污水處理廠水中也含有一定的LAS，因此，接種污泥中有些污泥已有去除LAS的能力。

2.2.6 BOD5的去除

馴化初期，上清液和出水水質(zhì)隨進(jìn)水而波動，BOD5含量已較低，生物去除吸收較快。適應(yīng)期膜生物反應(yīng)器出水十分穩(wěn)定，最低去除率為95%，最高為100%，說明活性污泥對BOD5的去除相當(dāng)有效。

2.2.7 濁度的去除

表3所示為濁度和懸浮物去除率對水力停留時(shí)間的變化。從表 3可看出：MBR具有較強(qiáng)的去除能力(去除率為99%)；濁度反映水中SS對光線透過的阻礙程度，測定結(jié)果表明MBR能優(yōu)質(zhì)出水。經(jīng)過38 d的測定，發(fā)現(xiàn) SS和濁度去除率較穩(wěn)定，不需再繼續(xù)檢測。

2.2.8 污泥特性

用生活污水廠的污泥作為接種污泥，可較快適應(yīng)污水水質(zhì)，易于接種馴化。圖 4所示為馴化期污泥MLSS變化曲線。由圖4可知：馴化期污泥質(zhì)量濃度一直呈增長趨勢，初期增長較快，之后增長較為穩(wěn)定，保持在2.20～2.50 g/L之間。

圖4 馴化期污泥MLSS變化曲線Fig.4 MLSS curve of sludge in domesticated period

圖5所示為運(yùn)行期污泥MLVSS與MLSS質(zhì)量濃度變化曲線。由圖5看出：污泥總體呈增長趨勢，且在 2.50～4.00 g/L之間?；钚晕勰嗵卣鲄?shù) f (f為MLVSS與MLSS濃度比)變化不大，可看出污泥的活性一直很強(qiáng)，從氮的去除也可說明這一點(diǎn)。

表3 濁度和懸浮物去除率對水力停留時(shí)間t的變化Table 3 Removal rate of turbidity and SS on t %

圖5 運(yùn)行期污泥MLVSS與MLSS質(zhì)量濃度變化曲線Fig.5 Mass concentration of MLVSS and MLSS of sludge in operating period

3 結(jié)論

(1) MBR運(yùn)行的最佳工藝參數(shù)如下：通量值為13～15 L/(m2·h)；抽停出水時(shí)間為 12 min，停止 3 min；曝氣量為 450～550 L/(m2·h)；缺氧池水力停留時(shí)間為1.3～1.5 h；好氧池水力停留時(shí)間為3～4 h；污泥停留時(shí)間為60～80 d；污泥濃度為3.00～4.00 g/L。

(2) 該條件下工藝對洗浴廢水的處理效能較高，化學(xué)需氧量、總氮、氨氮、總磷、陰離子表面活性劑、生物化學(xué)需氧量、濁度的去除率均高于90%，甚至達(dá)100%，有很好的脫氮除磷效果，也有一定的抗沖擊負(fù)荷能力，可保證COD5去除率較高，同時(shí)保證膜通量，出水水質(zhì)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 膜生物反應(yīng)器工藝用于凈化補(bǔ)償河道水取得了較好效果。采用MBR結(jié)合BAF、氣浮等工藝處理洗浴廢水。試驗(yàn)證明，膜生物反應(yīng)器用于洗浴廢水回用是可行的。

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