單秀華，高書(shū)香，褚會(huì)麗，王 晶

(承德石油高等專科學(xué)校石油工程系，河北 承德 067000)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)廢水排放總量在逐年增加，而城市污水處理率卻較低。日趨嚴(yán)重的水污染不僅降低了水體的使用功能，進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾，而且嚴(yán)重威脅到城市居民的飲水安全和健康。城市污水主要包括工業(yè)廢水和生活污水，污水中會(huì)有大量的難降解有機(jī)物，增加了污水的處理難度，影響著污水處理技術(shù)的選擇。膜生物反應(yīng)器法是近年來(lái)發(fā)展較快的較有效的一種污水處理方法［1-3］，其出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定、剩余污泥產(chǎn)量少，能有效降低污水中的氨氮及難降解有機(jī)物含量［4］，但高昂的膜制造成本和膜污染制約了膜技術(shù)的應(yīng)用。為滿足日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，特別是零排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展了另一種新型的污水處理工藝-活性炭膜生物反應(yīng)器(GAC-MBR)污水處理技術(shù)，該技術(shù)對(duì)難降解有機(jī)物處理具有顯著的效果，由沙特阿美公司運(yùn)用西門(mén)子水處理技術(shù)(SWT)研究試驗(yàn)完成。

1 膜生物反應(yīng)器(MBR)污水處理技術(shù)

膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor，MBR)在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注，MBR是高效膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)活性污泥法的結(jié)合，是一種新型的污水處理技術(shù)。它與傳統(tǒng)污水處理法相比具有許多特殊優(yōu)點(diǎn)，出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定、占地面積小、剩余污泥產(chǎn)量少等［5］。該技術(shù)幾乎能將所有的微生物截留在生物反應(yīng)器中，這使反應(yīng)器中的生物污泥濃度提高，理論上污泥泥齡可以無(wú)限長(zhǎng)，使出水的有機(jī)污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，對(duì)難降解的工業(yè)廢水也非常有效。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

1969年美國(guó)的Smith等人首次報(bào)道了將活性污泥法與超濾膜組件相結(jié)合用于處理城市污水的工藝研究［6］;1996年Ueda等人開(kāi)展了應(yīng)用一體式膜分離活性污泥處理城市污水的生產(chǎn)性研究;Livingston等人使用萃取膜生物反應(yīng)器成功進(jìn)行了一氯硝基苯化工廢水處理研究等。本世紀(jì)初，人們對(duì)膜生物反應(yīng)器的研究方興未艾，使得該項(xiàng)技術(shù)正在逐漸趨于成熟。目前在世界范圍內(nèi)，實(shí)際運(yùn)行的MBR系統(tǒng)已經(jīng)超過(guò)500套，約66%的工程在日本，其余主要在北美和歐洲。這些工程中98%以上是膜分離工藝與好氧生物反應(yīng)器相結(jié)合，約55%是膜浸式MBR，其余則是外置式MBR。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)的研究較晚，但發(fā)展迅速。2002年膜生物反應(yīng)器的研發(fā)又被列為“863”重大科技項(xiàng)目，推進(jìn)膜生物反應(yīng)器在污水處理及回用中的應(yīng)用［7］。MBR在中國(guó)已經(jīng)成功應(yīng)用于食品、石化、印染、啤酒、煙草等工業(yè)廢水的處理，建設(shè)了數(shù)個(gè)萬(wàn)噸級(jí)的MBR工業(yè)廢水處理工程。張西旺等在研究一體式膜生物反應(yīng)器處理高氨氮小區(qū)生活污水的中試中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增設(shè)泥水回流和缺氧區(qū)，可將氨氮去除率從60%提高到95%以上;周建仁等在研究膜生物反應(yīng)器處理高濃度生活污水的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)水COD為1 250～13 500 mg/L時(shí)，去除率可高達(dá)94.1% ～95.6%，BOD5的去除率可達(dá)98%以上。自2005年以來(lái)，新建大中型MBR的處理量年增長(zhǎng)率均高于100%。根據(jù)預(yù)測(cè)，中國(guó)今后5年內(nèi)MBR技術(shù)產(chǎn)業(yè)將以50%～100%的年增長(zhǎng)率高速發(fā)展，大大高于國(guó)際平均增長(zhǎng)率。

近幾年來(lái)，MBR作為一種新型高效的污水處理方法，通過(guò)與不同的污水處理流程相結(jié)合，處理工藝得到了很大拓展［8］。例如:MBR與序批式反應(yīng)器(SBR)相結(jié)合的工藝;MBR與升流式厭氧慮床(AUBF)相結(jié)合工藝;MBR與高效生物反應(yīng)器(HCR)相結(jié)合工藝等。

2.3 膜生物反應(yīng)器的技術(shù)特點(diǎn)

目前膜生物反應(yīng)器已應(yīng)用于美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和日本等十多個(gè)國(guó)家，規(guī)模從6 m3/d至13 000 m3/d不等。近兩年在中小型污水處理方面應(yīng)用越來(lái)越多，大有取代近10年來(lái)占據(jù)主導(dǎo)地位的生物接觸氧化工藝的趨勢(shì)。

該工藝是以膜分離技術(shù)替代傳統(tǒng)二級(jí)生物處理工藝中的二沉池。除上文所提到的優(yōu)點(diǎn)外也存在一些不足［9］，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)膜造價(jià)高，使膜生物反應(yīng)器的基建投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝;2)膜污染容易出現(xiàn)，給操作管理帶來(lái)不便;3)能耗高，在用于處理污水的MBR中通常都維持較高的殘余固體污泥濃度，這易導(dǎo)致氧傳遞率的降低，運(yùn)行能耗變大，水溫升高，污泥活性下降等問(wèn)題。

為進(jìn)一步提高M(jìn)BR工藝污水處理效率，降低在污水處理過(guò)程中的膜污染率等問(wèn)題，國(guó)外研制了MBR污水處理技術(shù)的改進(jìn)技術(shù):活性炭-膜生物反應(yīng)器(PAC-MBR)技術(shù)和粒狀活性炭-膜生物反應(yīng)器(GAC-MBR)污水處理技術(shù)［10］。

2 PAC-MBR污水處理技術(shù)

PAC-MBR集物理吸附、生物降解以及膜分離于一體，PAC因具有巨大的比表面積和發(fā)達(dá)的內(nèi)部孔隙，能較好地吸附有機(jī)物，適合微生物的附著、固定和生長(zhǎng)，提高了系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷的能力和處理過(guò)程的穩(wěn)定性，再結(jié)合膜的過(guò)濾截留以及表面生物氧化作用，可使出水水質(zhì)得到大大改善［11］。PAC-MBR技術(shù)是在膜過(guò)濾單元中實(shí)現(xiàn)活性炭的吸附和生物降解作用，同時(shí)因MBR中PAC的添加，使得MBR中亞硝酸鹽氧化菌迅速恢復(fù)活性并大量繁殖，最終將氨氮完全轉(zhuǎn)化為NO－3，MBR中的微生物代謝產(chǎn)物SMP含量增高［12］。該技術(shù)因?yàn)镻AC的添加使得去除難降解有機(jī)物能力提高了三倍以上，活性炭的膜生物修復(fù)作用能大大降低因去除有機(jī)物所消耗的費(fèi)用。然而大多數(shù)的研究都集中在粉狀活性炭的吸附和對(duì)化合物的生物降解上。PAC-MBR技術(shù)也存在著不足，在PAC-MBR技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，存在生物膜的磨損以及膜表面滲透率降低的現(xiàn)象，膜污染在一定程度上制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用［13］。針對(duì)PAC-MBR技術(shù)在處理污水方面存在的問(wèn)題，沙特阿拉伯石油公司提出了一種新的污水處理方法，即粒狀活性炭-膜生物反應(yīng)器(GAC-MBR)污水處理技術(shù)。

3 GAC-MBR污水處理技術(shù)

粒狀活性炭-膜生物反應(yīng)器(GAC-MBR)污水處理技術(shù)在去除難降解化合物的同時(shí)，可使膜磨損及滲透率都有極大的降低［5］，同時(shí)活性炭的生物修復(fù)作用會(huì)更加有效地降低在去除難降解化合物方面的費(fèi)用。

GAC-MBR污水處理工藝實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示。膜生物反應(yīng)器由生物反應(yīng)器、浸沒(méi)式膜組件和液位控制器組成。其中生物反應(yīng)器的有效容積為10 L，反應(yīng)器中裝有1個(gè)膜組件，所用膜片為孔徑 0.1 μm的 PVDF膜，有效膜面積為0.10 m2。通過(guò)液位控制器的高、中、低液位來(lái)控制反應(yīng)器的進(jìn)水，抽水泵抽吸出水，采用錯(cuò)流微孔曝氣，DO 控制在 3.0 ～4.0 mg/L。

污水供給罐中的原油污水由抽水泵泵入到生物反應(yīng)器中的曝氣罐中，GAC在加入罐之前要先進(jìn)行清洗，以除去其表面的細(xì)雜質(zhì)顆粒，然后人工手動(dòng)加入曝氣罐中。泵吸入液進(jìn)入安裝有槽楔式篩網(wǎng)的膜操作系統(tǒng)(MOS)，這個(gè)篩網(wǎng)可以將GAC隔離在曝氣罐內(nèi)，在MOS罐中，污水的pH由安裝在曝氣罐中的pH計(jì)來(lái)控制［14］(10%的硫磺酸和10%的氫氧化鈉來(lái)用作酸和堿)。

在常規(guī)操作中，MBR交替在過(guò)濾模式和松弛模式中間。在過(guò)濾模式中，排水管上的泄水閥關(guān)閉，濾液泵就會(huì)在中空纖維膜上抽吸出真空;在松弛模式中，濾液泵關(guān)閉，在排水管道上的泄液閥打開(kāi)，排掉膜纖維上的真空;可編程控制器控制著西門(mén)子所使用體系中的松弛和過(guò)濾比。

在GAC-MBR的工藝流程中，同樣依靠活性炭的高吸附能力，能高效率地去除難降解有機(jī)物［15］。在曝氣作用下GAC在反應(yīng)器中不停地運(yùn)動(dòng)，與膜表面產(chǎn)生摩擦，這在很大程度上抑制了膜表面沉積層的快速形成，在某些情況下，即使沉積層在膜表面部分形成，也會(huì)在活性炭的摩擦下慢慢變薄，甚至脫落。在曝氣和膜操作系統(tǒng)過(guò)程之間的篩率/分離系統(tǒng)可以起到阻止粒狀炭接觸膜，從而降低表面磨損，并保持膜的高滲透率，生物膜的生物修復(fù)作用能大大地降低在去除難降解有機(jī)化合物方面的成本?；钚蕴亢蜕锬さ慕Y(jié)合將會(huì)使得在處理難降解有機(jī)化合物污水方面更加經(jīng)濟(jì)有效，經(jīng)試驗(yàn)研究，GAC-MBR比PAC-MBR有較好的膜通量，且過(guò)濾阻力較低，GAC-MBR可大大減緩膜污染，延長(zhǎng)膜的過(guò)濾周期。

GAC-MBR工藝技術(shù)可滿足日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，特別是零排放標(biāo)準(zhǔn)，目前該技術(shù)已進(jìn)行了中試放大試驗(yàn)，并取得了較好的效果。

4 結(jié)論

1)MBR具有傳統(tǒng)生物反應(yīng)器所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，目前已在水處理領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，但高昂的膜制造成本及膜污染問(wèn)題的存在一定程度上限制了大規(guī)模應(yīng)用。

2)對(duì)高含量難降解有機(jī)化合物的廢水處理，PAC-MBR是一個(gè)可靠的水處理體系。但PAC-MBR體系中的膜會(huì)由于與PAC的接觸產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕并且會(huì)失去滲透性，膜的預(yù)期壽命降低，增加了污水處理經(jīng)濟(jì)成本。

3)GAC-MBR與PAC-MBR相比表現(xiàn)出更好的去除難處理有機(jī)物的能力，能夠處理得到應(yīng)用于各種設(shè)備的排出液，且GAC-MBR不發(fā)生PAC-MBR中出現(xiàn)的表面磨損，大大降低了在污水處理方面的使用費(fèi)用。

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