本文介紹一種新型的利用生物反應(yīng)器內(nèi)液位水頭重力驅(qū)動(dòng)連續(xù)出水的重力出流式膜生物反應(yīng)器。在保留MBR處理效率高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，省去傳統(tǒng)一體式MBR出水抽吸泵及復(fù)雜的反沖洗設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，投資少，操作簡(jiǎn)便。選擇合適的曝氣量有助于提高膜通量，且可降低膜阻力的上升速率，有利于膜污染的控制。

膜生物反應(yīng)器(MembraneBioreator，MBR)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用發(fā)展比較迅速的一種廢水處理新技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已有膜生物反應(yīng)器處理毛紡印染廢水的研究，但較高的基建與處理費(fèi)用阻礙了其進(jìn)一步的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。因此，降低MBR系統(tǒng)的復(fù)雜性，克服膜的污染與堵塞，提高膜通量是能否將MBR盡快投入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。針對(duì)毛紡印染廢水的特點(diǎn)與MBR存在的問(wèn)題，本研究采用生物膜厭氧反應(yīng)器和膜生物反應(yīng)器組合工藝對(duì)毛紡印染廢水進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并開(kāi)發(fā)出一種新型低能耗的膜生物反應(yīng)器)))重力出流式膜生物反應(yīng)器。它是利用生物反應(yīng)器內(nèi)液位水頭的重力驅(qū)動(dòng)連續(xù)出水，省去傳統(tǒng)的出水抽吸泵及復(fù)雜的氣或水反沖洗設(shè)備，既保留傳統(tǒng)一體式MBR的優(yōu)點(diǎn)，又可提高膜通量，降低膜污染。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由高位水箱、厭氧反應(yīng)器、好氧反應(yīng)器、膜組件單元及曝氣單元組成(圖1)。厭氧反應(yīng)器容積12L，內(nèi)裝填料;重力出流式膜生物反應(yīng)器的好氧反應(yīng)器最大容積25L，曝氣量012~016m3/h，膜單元采用中空纖維微濾膜，材料為聚偏氟乙烯(PVDF)，孔徑為0122Lm，總面積0118m2。試驗(yàn)系統(tǒng)的厭氧反應(yīng)器主要作用是通過(guò)水解酸化，破壞染料等有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)，以利在后續(xù)好氧條件下進(jìn)一步降解，達(dá)到最終去除的目的。本試驗(yàn)系統(tǒng)處理毛紡印染廢水運(yùn)行133d，分2個(gè)階段進(jìn)行:第1階段為系統(tǒng)運(yùn)行初期的前15d，厭氧反應(yīng)器未啟動(dòng)，只對(duì)毛紡印染廢水進(jìn)行好氧處理;第2階段從第16天開(kāi)始連接并啟動(dòng)厭氧反應(yīng)器(厭氧HRT在215~5h)，進(jìn)行完整的厭氧2好氧MBR處理過(guò)程。

1.2 廢水水質(zhì)及運(yùn)行參數(shù)

本試驗(yàn)廢水取自北京某毛紡廠污水站經(jīng)過(guò)015mm篩板篩濾后的毛紡印染廢水。該廢水組分復(fù)雜，含有染料!染化助劑!毛料漂染過(guò)程產(chǎn)生的各種污染物。試驗(yàn)運(yùn)行期間原廢水的水質(zhì)情況列于表1。

試驗(yàn)研究中分析項(xiàng)目主要有pH!溫度!污泥濃度(MLSS)!溶解氧(DO)!COD!色度!濁度等。測(cè)定方法均采用相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法。試驗(yàn)污水處理量(Q)為25~85L/d;好氧反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)詳見(jiàn)表2。除取樣外，MBR系統(tǒng)不額外排泥，如果把取樣所排出的混合液作為排泥計(jì)入污泥齡，則實(shí)際的污泥齡在200d?50d。

2 結(jié)果與討論

2.1 處理效果與出水水質(zhì)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)毛紡印染廢水處理效果的平均值列于表3。

由表3可見(jiàn)，COD的去除率平均達(dá)8013%，出水COD平均值為37mg/L。在本試驗(yàn)運(yùn)行的同期，毛紡廠廢水處理車間的常規(guī)生物處理工藝對(duì)COD去除率平均為42%，由此可見(jiàn)，本系統(tǒng)對(duì)COD去除率明顯高于現(xiàn)有廢水處理車間，平均高出3813%。北京市中水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及建設(shè)部頒布的生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJ2511289)的COD濃度為50mg/L，本系統(tǒng)在70多d的連續(xù)運(yùn)行中COD的平均值僅為37mg/L，明顯優(yōu)于該標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)系統(tǒng)的COD進(jìn)出水濃度變化見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)廢水中BOD5處理效果如圖3所示。本試驗(yàn)的毛紡印染廢水的生物可降解性能較差，BOD5/COD波動(dòng)較大，有時(shí)小于012，有時(shí)又大于015。但試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)BOD5去除率平均達(dá)95%。

廢水中染料等有機(jī)物組分多為難生物降解物，染料分子一般在好氧條件下很難破壞，色度難以去除。但有些染料分子可以在厭氧條件下通過(guò)水解酸化分解為較易被好氧微生物分解的小分子物質(zhì)。因此，系統(tǒng)加入了厭氧處理單元以便提高脫色效果。結(jié)果表明，厭氧生物反應(yīng)器與好氧膜生物反應(yīng)器組合工藝有較明顯的脫色效果，出水的色度一般可保持在20倍左右，色度的平均去除率達(dá)59%。由于原水中COD濃度較低，因此，在厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)加入填料，采用生物膜法。膜生物反應(yīng)器對(duì)濁度的去除作用明顯，出水的濁度均低于0133NTU，出水濁度十分穩(wěn)定，平均值僅為0124NTU。

污泥濃度隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況如圖4所示。在整個(gè)運(yùn)行的135d內(nèi)沒(méi)有排泥，生物反應(yīng)器內(nèi)污泥的VSS/SS基本無(wú)變化，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間，VSS/SS保持在0175~0180，說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有明顯的無(wú)機(jī)物積累。

2.2 生物反應(yīng)器中難降解有機(jī)物的積累在本試驗(yàn)運(yùn)行期間，對(duì)MBR上清液中COD濃度(混合液經(jīng)定量濾紙過(guò)濾)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過(guò)上清液COD濃度的變化，可以間接地了解難降解有機(jī)物在MBR中的積累狀況。圖5為試驗(yàn)運(yùn)行期間MBR上清液中COD的變化過(guò)程。從圖5可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行的前20d上清液COD呈明顯的上升趨勢(shì)，這可能與系統(tǒng)的運(yùn)行初期較高的COD污泥負(fù)荷有關(guān)。在系統(tǒng)的運(yùn)行初期，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度較低，COD污泥負(fù)荷達(dá)0133~0171kg/(kg#d)。在系統(tǒng)運(yùn)行的第22d，往MBR中添加部分污泥MLSS780mg#L-1上升到2510mg#L-1，上清液COD恢復(fù)到較低值。在系統(tǒng)運(yùn)行的20~100d，上清液COD隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在第70d上清液COD上升到極大值720mg/L，隨后15d內(nèi)上清液COD急劇下降到130~210mg/L。從系統(tǒng)運(yùn)行的第100天開(kāi)始，上清液COD又急劇增加。由此看出，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行，生物反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)物有一定的積累，表現(xiàn)為上清液COD的升高。這些物質(zhì)很大程度上來(lái)自廢水中的難降解有機(jī)物和微生物代謝產(chǎn)物及細(xì)胞解體產(chǎn)生的大分子產(chǎn)物。

圖6是進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器的毛紡印染廢水(進(jìn)水)和厭氧反應(yīng)器出水(A段出水)中BOD/COD的測(cè)試結(jié)果。圖5中所示的系統(tǒng)在70~100d區(qū)段內(nèi)上清液COD的回落現(xiàn)象可能與進(jìn)入MBR的廢水較好的可降解性能有關(guān)，這一階段的BOD/COD達(dá)到0157。在系統(tǒng)運(yùn)行100d以后上清液COD又呈急劇的上升趨勢(shì)，這一階段進(jìn)入MBR的廢水的降解性能明顯低于70~100d區(qū)段，BOD/COD比值僅為0131。因此MBR處理難降解工業(yè)廢水時(shí)，必須控制合適的污泥齡，適當(dāng)?shù)呐拍嘤兄诮档蜕锓磻?yīng)器中溶解性難降解有機(jī)物質(zhì)的積累。

但MBR出水COD濃度并不隨反應(yīng)器中上清液COD濃度的波動(dòng)有明顯的變化。圖7為采用定量濾紙過(guò)濾后的上清液COD!用0145Lm濾膜過(guò)濾后的上清液COD與MBR出水COD。從圖7可以看出，微濾膜以及凝膠層在膜表面形成動(dòng)態(tài)過(guò)濾層的分離作用對(duì)穩(wěn)定出水水質(zhì)起了重要的作用。

2.3 系統(tǒng)產(chǎn)水量及操作壓力的變化

膜能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是MBR反應(yīng)器實(shí)際應(yīng)用中非常關(guān)鍵的問(wèn)題。許多研究工作表明，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)

行的膜通量影響主體料液中粒子向膜面的運(yùn)動(dòng)速度，膜通量越大，粒子在膜面沉積越快，膜的阻力增加幅度也越大，膜通量衰減得也越快[6]。圖8為系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中膜通量和水頭壓力隨時(shí)間變化的情況。為了減輕膜的污染，本試驗(yàn)采用控制初始膜通量的操作方式，即在系統(tǒng)運(yùn)行的初期，膜通量從某一較低值4L/(m2#h)開(kāi)始逐步升高到10L/(m2#h)。同時(shí)采取恒壓操作模式，逐步提高膜的操作壓力;在系統(tǒng)運(yùn)行的前78d，膜的操作壓力為13kPa，膜通量穩(wěn)定在(10?215)L/(m2#h);當(dāng)膜的操作壓力提高到(1915?115)kPa，膜通量維持在(15?215)L/(m2#h)。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)采取合適的操作方式，在省去重力出流或MBR傳統(tǒng)的出水抽吸泵及復(fù)雜的反沖洗設(shè)備的條件下，僅依靠生物反應(yīng)器內(nèi)混合液液位水頭的作用能連續(xù)出水，并獲得較高的膜通量。

試驗(yàn)研究期間，在不同的操作壓力下，對(duì)重力出流式膜生物反應(yīng)器的膜通量及曝氣量的變化進(jìn)行了考察，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9中的試驗(yàn)結(jié)果可知，增加曝氣量，膜通量相應(yīng)增加;并且隨著液位水頭壓力的增大，曝氣強(qiáng)度對(duì)膜通量的影響增加。本研究運(yùn)行的結(jié)果還表明，提高曝氣量不僅有助于提高膜通量，而且有利于長(zhǎng)期運(yùn)行膜污染的控制，降低膜阻力的上升速率。

3 結(jié)論

(1)采用重力出流式膜生物反應(yīng)器處理毛紡印染廢水是可行的，能有效地去除廢水中的有機(jī)污染物!色度和濁度，出水水質(zhì)優(yōu)于常規(guī)生物處理技術(shù)。

(2)膜生物反應(yīng)器中難降解有機(jī)物呈明顯的積累狀況，但出水COD濃度未受影響，微濾膜以及凝膠層在膜表面形成動(dòng)態(tài)過(guò)濾層的分離作用對(duì)穩(wěn)定出水水質(zhì)起了重要的作用。

(3)重力出流式膜生物反應(yīng)器省去了傳統(tǒng)的出水抽吸泵及復(fù)雜的反沖洗設(shè)備，在生物反應(yīng)器內(nèi)混合液液位水頭的作用下可連續(xù)出水，膜通量較高。在同等處理能力下，較常規(guī)一體式膜生物反應(yīng)器可節(jié)省膜組件的一次性投資及運(yùn)行折舊費(fèi)用。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，投資少，操作簡(jiǎn)便。

(4)提高曝氣量不僅有助于提高膜通量，而且有利長(zhǎng)期運(yùn)行膜污染的控制，降低膜阻力的上升速率。膜組件上部的液位水頭壓力越大，曝氣強(qiáng)度對(duì)膜通量的貢獻(xiàn)越大。

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