摘要: 分析現(xiàn)有污水處理裝置中存在的問題以及膜生物反應(yīng)技術(shù)處理污水的工作原理、技術(shù)特點, 對污泥質(zhì)量濃度、膜污染、膜通量及膜的清洗等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞: 船舶舾裝,全污水處理, MBR 技術(shù),零排放

目前, 船舶80%以上的污水處理裝置采用生物化學(xué)法。有些裝置已裝船使用20 多年, 基本上還都正常在工作, 在實際使用中存在許多問題。例如, 液位電極容易引起假信號; 非銅質(zhì)的粉碎泵容易銹蝕; 非銅質(zhì)的球閥易堵塞或關(guān)不緊。這都是因為海水以及糞便污水腐蝕性很強(qiáng); 鼓風(fēng)機(jī)送氣設(shè)計過多, 透氣管直徑不夠大; 集氣室設(shè)計不佳引起甲板冒泡 ; 還有個別裝置焊接和內(nèi)部涂層質(zhì)量控制不嚴(yán), 裝置出現(xiàn)滲漏。國際海事組織要求從2010 年1 月1 日起執(zhí)行新的污水排放標(biāo)準(zhǔn), 傳統(tǒng)的生化處理工藝已不能達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1  污水處理裝置的工作原理

為了適應(yīng)新的排放標(biāo)準(zhǔn)并改進(jìn)污水處理裝置中存在的的問題, 膜生物反應(yīng)技術(shù)應(yīng)運而生。膜生物反應(yīng)器( membrance bio-reactor, MBR) 是20 世紀(jì)末發(fā)展起來的水處理高新技術(shù), 將生物處理與膜分離有機(jī)地結(jié)合起來[ 1] 。早期由于制膜水平的限制, 造成了膜使用壽命較短, 很難進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。隨著材料科學(xué)的發(fā)展與制膜技術(shù)的提高, 推動了MBR 技術(shù)的發(fā)展, 超濾膜在污水處理中的應(yīng)用也日趨成熟, 特別是日本、英國、美國等發(fā)達(dá)國家已非常廣泛地應(yīng)用于污水處理廠, 且處理效果較好。

我國于1991 年開始研究和實驗將超濾膜應(yīng)用到污水處理中, 取得了不錯的效果, 實驗表明, MBR 工藝出水懸浮物近似為零; 細(xì)菌總數(shù)指標(biāo)優(yōu)于飲用水標(biāo)準(zhǔn), 一般細(xì)菌的大小在0. 6~ 1. 0 μm ( 超濾0. 002~ 0. 100 μm) ; COD 和氨氮的去除率都高于95% , 出水可直接回用。在膜生物反應(yīng)器中安裝填料的目的有兩個: ! 提高處理系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷, 保證系統(tǒng)的處理效果; 降低反應(yīng)器中懸浮性活性污泥濃度, 減小膜污染的程度, 保證較高的膜通量。

污水處理裝置通常采用活性污泥、接觸氧化和膜分離的處理原理( MBR) 來消解污水中的有機(jī)污染物質(zhì)。MBR 能達(dá)到高效、徹底和干凈地處理污水, 使排放水滿足IMO 新標(biāo)準(zhǔn)和其他區(qū)域更嚴(yán)酷的要求。

其處理流程見圖1。

在一級曝氣柜內(nèi)以好氧菌為主的活性污泥菌團(tuán)形成像棉絮狀帶有粘性的絮體吸附有機(jī)物質(zhì), 在充氧的條件下消解有機(jī)物質(zhì)變成無害的二氧化碳和水, 同時活性污泥得到繁殖, 在作為菌膠團(tuán)營養(yǎng)的有機(jī)污染物質(zhì)減少時細(xì)菌成饑餓狀態(tài)以致死亡, 死亡的細(xì)胞就成為附著在活性污泥中的原生物和后生動物的食物, 糞便污水中95% 以上是易消解的有機(jī)物質(zhì)[ 2] , 可被氧化。

在二級接觸氧化柜內(nèi)懸掛有軟性生物膜填料, 具有吸附消解有機(jī)物功能的生物膜在水中自由飄動, 大部分原生物寄居于纖維生物膜內(nèi), 同樣由于充氧的作用, 有機(jī)物質(zhì)進(jìn)一步與生物膜接觸氧化分解。如果停機(jī)一段時間再起動的話, 由于生物膜中尚有細(xì)菌的孢子存活, 因此比常規(guī)曝氣法起動時間要快得多。同時軟性填料像棉桃一樣, 營養(yǎng)過剩時會漲開, 吸附過剩的污泥; 營養(yǎng)差時會慢慢消化自己, 又稱內(nèi)源呼吸 [ 3] ,棉桃萎縮, 等待食物。

污水隨后進(jìn)入三級沉淀柜, 由于不曝氣, 污泥會很快沉淀, 在沉淀柜內(nèi)累積的活性污泥沉淀物由裝置自動定期用氣提法再返送到一級曝氣柜內(nèi)作為菌種繁殖�？筛鶕�(jù)裝置的運行狀態(tài)設(shè)置污泥的返送周期, 一般每30 min 提升一次污泥, 2 min后停止。

沉淀柜內(nèi)上清液流入膜柜, 為膜創(chuàng)造了良好的運行條件。膜柜內(nèi)置有浸沒式膜組, 柜內(nèi)同時也曝氣參與生化反應(yīng), 所以又稱膜生物反應(yīng)器( MBR) 。膜為中空纖維超濾材料, 由真空泵抽吸滲過膜的清水, 再經(jīng)過紫外線消毒殺菌, 就達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn), 排放至舷外或船上清水艙或通岸接頭。

膜柜內(nèi)的濃縮污水設(shè)計成自動停曝程序, 膜柜內(nèi)沉淀污泥也自動定期用氣提法返回至曝氣柜。每當(dāng)膜柜內(nèi)水位被抽至低位時, 曝氣電磁閥關(guān)閉17 min, 使膜柜污泥沉淀, 提升電磁閥關(guān)閉 15 min 后開2 min, 將膜柜內(nèi)污泥提升至第一級。當(dāng)?shù)退粫r, 提升電磁閥關(guān)閉15 min 后開啟 2 min, 曝氣電磁閥關(guān)17 min 后一直開啟, 在上述17 min 內(nèi), 如果水位至高位時, 控制程序中斷, 見圖2。

在氣泵停曝期內(nèi), 活性污泥處于缺氧狀態(tài), 實現(xiàn)同步硝化和反硝化反應(yīng), 有利于脫氮除磷 降低排放水中的氨氮指標(biāo)。對克服通常連續(xù)曝氣傳統(tǒng)活性污泥法的冒泡弊病也有裨益。真空泵的抽吸采用自動定期開9 min 停抽 1 min, 見圖3。而曝氣一直不停, 這就有利于膜絲的擦洗, 結(jié)成的垢因沒有吸力而自動掉下, 延長了膜的清洗周期。由于膜柜設(shè)計成單獨封閉結(jié)構(gòu), 清洗時也比較方便, 不需要取出膜組, 可以實現(xiàn)在線清洗, 向膜柜內(nèi)加入清洗化學(xué)藥品進(jìn)行浸泡, 同時曝氣, 猶如洗衣機(jī), 可很快去除膜絲上的結(jié)垢。清洗后出水量恢復(fù)到原來的水平。如只浸泡不曝氣, 效果往往不佳。

污泥排放周期視污水水質(zhì)和負(fù)荷而定, 一般 6~ 9 個月左右排放一次多余污泥。

2  膜生物反應(yīng)器的技術(shù)特點

1) 生活污水處理裝置采用曝氣、接觸氧化、沉淀、膜法處理、間隙曝氣、自動污泥返送等工藝, 是最有效的處理裝置。污水在曝氣柜和接觸氧化柜內(nèi)充分供氧, 消解有機(jī)污染。

2) 用MBR 膜法處理工藝能使船舶污水處理后的排放水達(dá)到IMO MEPC. 159 ( 55) 的排放標(biāo)準(zhǔn)。采用超濾膜不僅可以濾去任何固體雜質(zhì), 甚至大腸菌群, 還參與生化反應(yīng), 降解有機(jī)污染, 提高處理效率。裝置內(nèi)污泥不流失, 污泥濃度增加, 污泥負(fù)荷率高。

3) S 裝置采用間隙曝氣工藝, 比傳統(tǒng)連續(xù)曝氣活性污泥法有很大改進(jìn)。微生物同時進(jìn)行以下三種活動:

① 有氧呼吸。主要是好氧菌進(jìn)行分解, 將有機(jī)物分解成: CO2、H2 O、NH3- 、S O2- 4 、PO3- 4 , 此過程對應(yīng)上述的曝氣過程。

② 缺氧呼吸。主要是厭氧菌進(jìn)行分解, 將 NO- 3 與H+ 生成N2 和H2O, 將H+ 與SO2- 4 生成 H2S 和H2 O, 發(fā)生硝化反硝化反應(yīng), 完成脫氮除磷 , 此過程對應(yīng)上述的沉淀和停曝過程。

③ 內(nèi)源呼吸。當(dāng)污水中的有機(jī)物質(zhì)消耗殆盡時, 微生物就會自我消耗, 內(nèi)源呼吸, 維持少量菌種生命的延續(xù), 此過程對應(yīng)了上述的沉淀過程。在污水處理過程中, 曝氣和停曝是同樣必須的, 生物鏈中既有好氧菌又有厭氧菌, 如大量曝氣, 好氧菌就會大量繁殖, 特別是絲狀菌, 就會產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象, 停曝能克服污泥膨脹現(xiàn)象。

4) 裝置采用PLC 程序控制, 實現(xiàn)污泥自動返送系統(tǒng), 克服了傳統(tǒng)的裝置需要人工操作, 符合 24 h 無人機(jī)艙的要求。

5) 裝置采用對膜的在線清洗, 不需要將膜取出清洗, 適應(yīng)船上的特殊條件。膜法處理使用較大的氣流沖刷, 減少膜的污染。

6) 裝置結(jié)構(gòu)可設(shè)計成臥式圓筒型, 結(jié)構(gòu)新型, 強(qiáng)度高, 更耐壓, 更能適應(yīng)船舶搖擺的條件和整體吊裝。

7) 紫外線消毒, 自動計時, 斷電報警, 可以清洗, 抗振耐用。

8) 設(shè)計公海排放程序, 降低裝置使用率, 延長使用壽命, 符合防污染公約要求。

3  膜生物反應(yīng)器的技術(shù)分析

3. 1  污泥質(zhì)量濃度

普遍的膜生物反應(yīng)器MBR 的技術(shù)理論是: 膜不單起著滲透分離包括有機(jī)物在內(nèi)的溶質(zhì)和溶液的作用, 而且在膜表面形成生物膜參與了生化反應(yīng), 同時可將傳統(tǒng)的污泥質(zhì)量濃度從 2 000 mg/ L提高到6 000 mg / L, 甚至更高。充分表明MBR 具有很高的處理效率, 沉淀柜體積的縮小使得裝置尺寸減小。根據(jù)膜的分離機(jī)理, 膜柜內(nèi)污泥濃度也不能太高, 在污水處理裝置中可以將高濃度污泥前移, 因為有膜的最后把關(guān), 不怕沉淀柜出水有帶泥問題。裝置可采用PLC 設(shè)計, 將沉淀柜和膜柜的剩余污泥和浮渣按控制程序返回到第一級, 強(qiáng)化了生化反應(yīng)。

3. 2  膜污染

通過對污水處理裝置的長期試驗發(fā)現(xiàn), 膜法工藝處理污水確有非常神奇的功效, 缺點是膜的污染問題。有研究表明, 胞外聚合物是導(dǎo)致膜污染的最重要的生物因素, 當(dāng)污染發(fā)生非絲狀膨脹時, 胞外聚合物質(zhì)量濃度急劇上升, 會嚴(yán)重影響膜組件的正常運行[ 4] 。陸用MBR 是將膜組件置于高污泥質(zhì)量濃度的混水中, 膜在惡劣的污水環(huán)境中運行污染是必然的, 惟一的選擇是輪換對膜組件進(jìn)行清洗。美國一家大型陸上MBR 污水處理廠內(nèi)有約1/ 10 面積的膜組件清洗車間, 不斷輪換清洗。船上因空間的限制, 不可能經(jīng)常把膜組件吊出清洗。為此, 在開發(fā)船用膜法污水處理裝置時不能刻意縮小裝置體積省去沉淀柜, 從而使膜的運行條件過于惡劣。

3. 3  膜分離的機(jī)理

沉淀柜的停留時間可以比傳統(tǒng)的縮短一些, 但不可全部省去。沉淀柜內(nèi)的上清液進(jìn)入膜柜改善了膜的運行條件, 使膜的污染減少, 所以又稱干凈的MBR , 也可以稱之為清水膜 , 傳統(tǒng)的 MBR 則稱之為渾水膜。在清水膜中的機(jī)理可以有這樣的解釋: 與其說是膜參與了生化反應(yīng), 還不如說膜的分離機(jī)理占了主要地位。

傳統(tǒng)的MBR 污泥中的顆粒固體極易損傷脆弱的膜絲, 干凈的MBR 較少出現(xiàn)這種情況。前者膜絲表面的生物膜是褐色的; 后者膜絲表面的生物膜在顯微鏡下才能看到是透明的粘膜。更深入的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

3. 4  膜通量及膜的清洗

為了延長膜的清洗周期又要滿足處理水力負(fù)荷, 通常膜的污水設(shè)計通量只是清水通量的1/ 4, 即, 設(shè)計時膜組件量要放大4 倍。而在干凈的 MBR 設(shè)計中, 只要放大約3 倍, 同時通量衰減周期延長, 沉淀柜尺寸可以減少, 這對空間較小的船舶機(jī)艙是非常有意義的。由于前級生化效率提高和沉淀柜的縮小, 加上圓筒型的巧妙設(shè)計, 得以使整個裝置尺寸很緊湊。

4  結(jié)束語

由于國際船舶防污染公約的更新, 船舶防污染設(shè)備的升級刻不容緩。船用膜法生活污水處理裝置采用清水膜工藝技術(shù)很好地應(yīng)對了日益嚴(yán)格的海洋環(huán)境保護(hù)要求。采用多級處理、好氧厭氧交替、生物膜、清水膜工藝、自動返送活性污泥、清洗周期長、耐壓殼體結(jié)構(gòu)抗震抗沖擊等技術(shù), 特別適用于船上的特定環(huán)境條件, 與陸用傳統(tǒng)工藝相比具有較大的突破。

參考文獻(xiàn)

[ 1] 金偉忠, 黃延年. MBR 膜生物反應(yīng)器處理船舶污水應(yīng)用試驗研究[ J] . 機(jī)械設(shè)計, 2004( 10) : 246-247.

[ 2] 劉 雨, 趙訂良, 鄭興燦. 生物膜污水處理技術(shù)[ M ] . 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2003.

[ 3] 董良飛, 蔡慧萍, 王經(jīng)宇, 等. 船舶生活污水處理技術(shù)研究[ J] . 建筑科學(xué)與工程學(xué)報, 2005( 2) : 90-94.

[ 4] 布 多, 張 穎, 顧 平. 氯化鐵絮凝法減輕膜污染 [ J] . 城市環(huán)境與城市生態(tài), 2003, 12( 6) : 46-48.

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