王 磊

(中國(guó)電力建設(shè)股份有限公司，北京 100048)

0 引言

近年來(lái)，造紙工業(yè)飛速發(fā)展，其排放的廢水占全國(guó)排放的9.89%。造紙廢水若處置不當(dāng)，其排放對(duì)于全國(guó)廢水總排放BOD的貢獻(xiàn)值超過(guò)25%［1］。將生物反應(yīng)器與膜分離相結(jié)合而形成的膜生物反應(yīng)器被認(rèn)為是廢水處理與回用的新型技術(shù)，并得到廣泛研究和應(yīng)用。膜生物反應(yīng)器技術(shù)有較強(qiáng)的懸浮物去除能力，可以提高污泥的濃度，達(dá)到強(qiáng)化處理的效果以及較為寬泛的處理濃度范圍［2-6］。與傳統(tǒng)污水處理廠相比，生物反應(yīng)器在體積、處理效果、自動(dòng)化方面均有優(yōu)勢(shì)，但是需要承擔(dān)較高的處理費(fèi)用、膜污染等問(wèn)題［7-9］。

1 材料和方法

1.1 中試MBR系統(tǒng)

中試外置式MBR反應(yīng)器示意圖如圖1所示。系統(tǒng)由生物反應(yīng)池和外置膜池組成，有效容積為500 L。廢水由集水池經(jīng)進(jìn)水泵提升至生物反應(yīng)池，安裝減壓閥和氣體流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量。生物反應(yīng)池中設(shè)置兩個(gè)水位傳感器控制池內(nèi)水位，在線探頭分別檢測(cè)水溫、溶解氧濃度和pH?；旌弦河呻x心泵輸送到膜池內(nèi)進(jìn)行泥水分離。膜池內(nèi)裝有三個(gè)壓力傳感器分別測(cè)定進(jìn)口、出口和過(guò)濾壓力。

膜組件技術(shù)參數(shù)表見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)接種污泥為某污水處理廠剩余污泥。該污泥沉降性能良好，反應(yīng)器初始接種MLSS=4 830 mg/L，SVI=89 mL/g。系統(tǒng)采取不排泥，通過(guò)進(jìn)水對(duì)接種污泥進(jìn)行馴化和培養(yǎng)，污泥濃度逐漸增長(zhǎng)。污泥濃度達(dá)到10 000 mg/L開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)排泥，使污泥齡保持在30 d左右，穩(wěn)定運(yùn)行后污泥濃度在15 000 mg/L左右。生物池溶解氧濃度維持在2 mg/L～3 mg/L。運(yùn)行壓力介于0.5 bar～1.5 bar。反應(yīng)器進(jìn)水為實(shí)際造紙廢水，混合造紙廢水水樣取自集水池出水，水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

COD，MLSS，色度等指標(biāo)均采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。

圖1 中試膜生物反應(yīng)器裝置

表1 膜組件技術(shù)參數(shù)

表2 進(jìn)水水質(zhì)特征

2 結(jié)果與討論

2.1 COD生物降解效果

試驗(yàn)期間系統(tǒng)進(jìn)水與出水COD濃度變化如圖2所示。由于系統(tǒng)進(jìn)水取自造紙廠廢水集水池實(shí)際廢水，進(jìn)水COD在2 487 mg/L～5 905 mg/L內(nèi)波動(dòng)，變化較大。但系統(tǒng)仍表現(xiàn)出良好的COD去除能力。穩(wěn)定運(yùn)行階段，進(jìn)水COD濃度為3 900 mg/L左右，出水COD為250 mg/L左右，COD平均去除率為93.7%。系統(tǒng)對(duì)COD去除效果穩(wěn)定，表現(xiàn)出較強(qiáng)抗沖擊負(fù)荷能力。

Dufresn·R等發(fā)現(xiàn):對(duì)于COD和懸浮固體的去除而言，MBR方法更占優(yōu)勢(shì)，去除率可以分別達(dá)到99%和90.0%［10］。韓懷芬等［11］發(fā)現(xiàn)要提高污泥濃度使得COD降低至100 mg/L以下，水利停留時(shí)間18 h比較合適。然而水利停留時(shí)間為40 h的活性污泥法，其COD仍然無(wú)法降至100 mg/L以下。

圖2 膜生物反應(yīng)器對(duì)COD的去除效果

2.2 色度去除效果

試驗(yàn)期間系統(tǒng)對(duì)色度的去除效果如圖3所示。測(cè)定色度的波長(zhǎng)設(shè)定為436 nm。試驗(yàn)期間進(jìn)水色度變化較大，在10 m－1～80 m－1范圍內(nèi)波動(dòng)。出水色度在試驗(yàn)初期波動(dòng)較大，到試驗(yàn)后期，能穩(wěn)定維持在10 m－1以下。色度平均去除率為79.2%。

研究表明單獨(dú)MBR工藝對(duì)造紙廢水色度去除效果有限。需要后續(xù)處理工藝或者組合工藝進(jìn)一步降低出水的色度。Roozi等人采用納濾技術(shù)能有效地將造紙廢水色度降低到1 m－1以下［12］，而在一份與光催化相結(jié)合的膜生物反應(yīng)器處理研究中，研究者發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)于濁度、色度、COD均有較高的去除率［13］。

圖3 膜生物反應(yīng)器對(duì)色度的去除效果

2.3 污泥濃度變化

試驗(yàn)期間系統(tǒng)內(nèi)污泥濃度變化如圖4所示。啟動(dòng)運(yùn)行初期，采用不排泥，通過(guò)進(jìn)水對(duì)接種污泥進(jìn)行馴化和培養(yǎng)，污泥濃度逐漸增長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)100 d左右的運(yùn)行，MLSS由接種時(shí)的4 850 mg/L逐步增加至10 000 mg/L左右?？紤]到高污泥濃度和長(zhǎng)污泥齡會(huì)加快膜污染速度，降低膜壽命，此后將系統(tǒng)SRT控制為30 d，遠(yuǎn)長(zhǎng)于傳統(tǒng)活性污泥工藝。由于采用膜組件進(jìn)行混合液泥水分離，試驗(yàn)期間系統(tǒng)內(nèi)污泥濃度呈緩慢增加的趨勢(shì)。到達(dá)穩(wěn)定階段后，MLSS維持在15 000 mg/L左右。第75天和第200天，系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行事故，造成系統(tǒng)內(nèi)污泥濃度的降低。

圖4 運(yùn)行期間污泥濃度變化

2.4 膜通量和跨膜壓差變化

進(jìn)水水質(zhì)、膜材料、膜組件形式和操作條件等因素都能影響膜組件滲透通量。對(duì)于特定的膜組件，膜通量的變化主要取決于進(jìn)水組分在膜內(nèi)部和膜表面積累造成的膜污染。試驗(yàn)期間膜通量和跨膜壓差的變化如圖5所示。接種污泥開(kāi)始運(yùn)行后到實(shí)驗(yàn)的第150天，膜組件跨膜壓差增長(zhǎng)緩慢，與此同時(shí)膜通量緩慢下降。150 d以后，跨膜壓差迅速增加，膜通量急劇下降。

圖5 運(yùn)行期間膜通量與跨膜壓差變化

隨著膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行，膜污染問(wèn)題開(kāi)始逐步顯現(xiàn)出來(lái)。若不進(jìn)行有效的清洗，將降低膜處理效率，增加電費(fèi)成本。比較常見(jiàn)的處理方式除膜更換之外還有利用化學(xué)、物理方法等清洗［14，15］。本實(shí)驗(yàn)中，啟動(dòng)運(yùn)行后到第150天，膜通量下降緩慢，此后跨膜壓差有一個(gè)明顯的上升，伴隨膜通量的顯著下降。繼續(xù)運(yùn)行到第240天，跨膜壓差急劇升高，此時(shí)膜通量已降低到最低并趨于不變。表明此時(shí)膜污染已非常嚴(yán)重，需要進(jìn)行清洗以恢復(fù)過(guò)濾能力。而從保持系統(tǒng)較高產(chǎn)水量的角度，在第150天左右就需對(duì)膜組件進(jìn)行清洗，以避免膜通量的顯著下降，同時(shí)減少膜污染對(duì)膜的使用壽命的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

1)膜生物反應(yīng)器能高效處理造紙廢水，穩(wěn)定運(yùn)行階段，進(jìn)水COD濃度為3 900 mg/L左右，出水COD為250 mg/L左右，COD平均去除率為93.7%;出水色度在試驗(yàn)初期波動(dòng)較大，到試驗(yàn)后期，能穩(wěn)定維持在10 m－1以下，色度平均去除率為79.2%。

2)系統(tǒng)穩(wěn)定后，MLSS維持在15 000 mg/L。較長(zhǎng)的污泥停留時(shí)間和高污泥濃度使系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷低，污泥產(chǎn)量少。同時(shí)試驗(yàn)期間跨膜壓差增長(zhǎng)緩慢，綜合考慮膜組件清洗周期為150 d。

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