周超，夏四清，高乃云，楚文海

(同濟大學 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，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[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60年代末的美國[11]，20世紀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]。同濟大學三好塢水體屬于典型的封閉式校園景觀水體，長期處于嚴重的富營養(yǎng)狀態(tài)。同濟大學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)定等特點的洗浴廢水再生利用，出水回用于三好塢景觀水體，實現(xiàn)對外零排放。本文作者采用上述膜生物反應(yīng)器對洗浴廢水進行處理回用研究，確定該工藝最佳運行參數(shù)，并考察其用于洗浴廢水回用的可行性。

1 實驗裝置與方法

試驗期間，洗浴廢水水質(zhì)變化情況如表1所示。

1.1 工藝流程

同濟大學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和真空計監(jiān)控。

1.2 測試方法

化學需氧量(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))進行馴化，控制廢水COD5質(zhì)量濃度，使馴化過程中進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)，最終實現(xiàn)運行穩(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 實驗結(jié)果與討論

2.1 MBR運行參數(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30 min；當通量達到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)運行時，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

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

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

2.2 水質(zhì)指標變化

水力停留時間t是膜生物反應(yīng)器運行中的一個重要操作參數(shù)，降低停留時間會導致較高的有機負荷率，而提高停留時間會得到更好的去除效果[15]。本試驗以水質(zhì)指標去除率對t的變化情況進行工藝參數(shù)優(yōu)化，同時對MBR活性污泥性能進行分析。

2.2.1 CODCr的去除

表2所示為水質(zhì)指標去除率對水力停留時間的變化。由表2可知：試驗初期，即污泥馴化期，膜池上清液以及出水都隨進水水質(zhì)而波動，處理效果不理想。隨污泥逐步適應(yīng)水質(zhì)進入適應(yīng)期，上清液和出水水質(zhì)得到改善，出水完全達標，此時活性污泥十分活躍。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，因為膜只能截留較大分子污染物，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)指標去除率對水力停留時間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，達標準要求。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)。盡管之后進水總氮有時較高，但去除效果均較理想，說明生物膜有一定的抗沖擊負荷能力。上清液總氮和出水總氮差值不大，這是因為總氮是無機物，過膜水平高，所以，膜對其截流作用不強，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，截流了世代時間較長的亞硝化細菌和氨氧化細菌，MBR對氨氮的去除極好。初期就有較高的去除率，隨時間推移去除率逐漸增加并趨于穩(wěn)定，最后達到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水含磷量較少，所以MBR對其去除較高，甚至達100%。只有個別情況，由于進水總磷含量太低去除率不是很高，后期去除沒有預想中穩(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含量未達標。隨時間推移，LAS去除率逐漸增加直到馴化結(jié)束時已接近80%。從膜池生物去除率來看，好氧生物的作用較大，隨時間去除率進一步提高，高達90%且相對穩(wěn)定，說明活性污泥對LAS已經(jīng)適應(yīng)。污泥能在短時間內(nèi)適應(yīng)水質(zhì)是因為接種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間的變化。從表 3可看出：MBR具有較強的去除能力(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，從氮的去除也可說明這一點。

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

圖5 運行期污泥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)；缺氧池水力停留時間為1.3～1.5 h；好氧池水力停留時間為3～4 h；污泥停留時間為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，化學需氧量、總氮、氨氮、總磷、陰離子表面活性劑、生物化學需氧量、濁度的去除率均高于90%，甚至達100%，有很好的脫氮除磷效果，也有一定的抗沖擊負荷能力，可保證COD5去除率較高，同時保證膜通量，出水水質(zhì)能夠達到標準。

(3) 膜生物反應(yīng)器工藝用于凈化補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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