船舶污水處理設(shè)備中預(yù)處理對膜污染的影響

, ,,

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

膜分離技術(shù)較其它技術(shù)更能高效、徹底和可靠地處理船舶生活污水,使排放水滿足IMO標(biāo)準(zhǔn)，故發(fā)達(dá)國家早在10年前就紛紛將膜分離技術(shù)應(yīng)用于大型郵輪、艦船生活污水的處理。我國船舶污水處理采用膜技術(shù)較晚，在工藝研究、處理規(guī)模、可靠性上與發(fā)達(dá)國家仍有巨大的差距，經(jīng)其處理的污水難以達(dá)到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]。為滿足2010年1月1日IMO開始施行新的污水排放標(biāo)準(zhǔn)MEPC.159(55),研究膜技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合的工藝在船舶生活污水處理設(shè)備上應(yīng)用具有重要的意義。

1 船用膜-生物反應(yīng)器工藝分析

早在2000年前，美、英、德、加等國研究并開發(fā)了船用膜-生物反應(yīng)器(membrane bio-reactor，MBR)，將膜分離技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合處理污水，高效地進(jìn)行固液分離，其設(shè)備體積僅有傳統(tǒng)污水處理設(shè)備的1/2～1/4，剩余污泥產(chǎn)量小，僅為常規(guī)污水處理方法的1/5～1/7，可節(jié)約占地空間。由于膜的高效截留作用，使得出水穩(wěn)定，可以直接作為生活雜用水使用。

國際上船用污水處理設(shè)備采用MBR工藝技術(shù)的主要公司有：Hamworthy，GE(前加拿大ZENON公司)、Rochem、Scanship、Hydroxy、Evac等。這些公司的產(chǎn)品在大型游船、軍艦上使用，日處理量可達(dá)100 m3以上。2004年美國海岸警衛(wèi)隊(USCG)和阿拉斯加環(huán)境部(ADEC)對裝先進(jìn)的污水處理設(shè)備(MBR)的250人以上大型游船的污水排放做了30 d的取樣檢測，檢測結(jié)果表明，裝有先進(jìn)的污水處理設(shè)備的船舶排水都能滿足阿拉斯加水域嚴(yán)格的排放要求。

以上公司采用了不同的膜結(jié)構(gòu)。目前典型的代表是采用外置管式膜組件的HAMWORTHY公司和采用內(nèi)置簾式中空纖維膜的ZENON公司(GE);HAMWORTHY公司采用管式膜，模組件外置，工藝流程見圖1。

圖1 HAMWORTHY公司設(shè)備工藝流程

ZENON公司采用中空纖維膜，膜組件置于生物反應(yīng)器內(nèi)，工藝流程見圖2。

圖2 ZENON公司設(shè)備工藝流程

從以上兩種流程來看，無論采用外置管式膜還是內(nèi)置簾式膜,其前端都采用了過濾裝置。由于船舶內(nèi)沒有較大空間來滿足固形物的沉淀，因此在污水進(jìn)入生化反應(yīng)器前，必須在較短的時間、在流動情況下去除大的固形物，滿足MBR工藝的要求。由于污水處理裝置一般勻安裝在甲板下，因此要求過濾裝置具有體積小、良好的密封性，并具有排渣功能。國外不同公司也具有不同的過濾方式。如Hamworthy的MBR系統(tǒng)采用壓濾過濾方法去除紙張和其它固形物;Rochem.Bio-fit系統(tǒng)采用振動篩去除較大的固形物，并在其反滲透膜前再加裝細(xì)篩進(jìn)一步去除纖維以及頭發(fā)等。Zenon Zee Weed MBR系統(tǒng)預(yù)處理采用了兩級篩去除固形物和纖維等。Scanship的處理系統(tǒng)用采用轉(zhuǎn)鼓過濾篩去除固形物。由此可見，當(dāng)MBR工藝用于船舶污水處理系統(tǒng)時，其預(yù)處理部分比陸用MBR預(yù)處理的要求高，預(yù)處理系統(tǒng)的優(yōu)劣成為能否充分發(fā)揮MBR功能和系統(tǒng)中膜組件可靠運行的關(guān)鍵。

2 國內(nèi)MBR工藝分析

我國近幾年也研制出了新型(MBR工藝)船用生活污水處理裝置，在部分新造艦船及改裝艦上開始試用。代表性的工藝是：污水進(jìn)曝氣柜耗氧消化，然后再通過接觸氧化進(jìn)一步消化，經(jīng)沉淀后再通過膜過濾外排，和采用序批式活性污泥法(SBR)與膜過濾結(jié)合的處理工藝相比，雖然兩種代表性工藝處理后的水質(zhì)均能夠滿足MEPC．159(55)決議排放要求，但這兩種工藝流程都存在不足。

1)為保證膜過濾的要求，進(jìn)入膜過濾的水中懸浮物有一定要求，這就需要生化池污泥具有好的沉降性。而活性污泥的沉降性受多因素的影響：溫度、pH、溶解氧、鹽度及污泥濃度等。一般污水處理裝置都安裝在甲板下，船艙溫度較高，加之曝氣裝置產(chǎn)生的溫度，以造成水溫上升，當(dāng)水溫超過30 ℃時，水的溶氧能力下降，同時微生物的代謝加快，這時易產(chǎn)生水中溶解氧偏低，絲狀菌成為優(yōu)勢菌群，造成污泥上浮。污水中鹽度、pH變化大也會造成污泥的沉降性能變差。此外船舶航行也會影響污泥的沉降。

2)污泥濃度不易過高。一般生化柜污泥濃度不要超過4 500 mg/L，過高的濃度會影響污泥的沉降性，影響出水。因此，這將降低設(shè)備的運行效率。根據(jù)MBR反應(yīng)器運行數(shù)據(jù)，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)污泥質(zhì)量濃度達(dá)到5 000 mg/L時，污泥的沉降性較差；當(dāng)污泥質(zhì)量濃度達(dá)到6 000 mg/L時，0.5 h幾乎不沉淀。

3)活性污泥培養(yǎng)過程較長，設(shè)備啟動慢，抗沖擊負(fù)荷能力較差。當(dāng)來水沖擊負(fù)荷大時，污泥容易上浮，而水力負(fù)荷沖擊大，這正是船舶污水的特性之一。

因此，如果不能控制好前處理，將加速膜的污染，增加膜的清洗次數(shù)或造成膜的報廢。因此，要保證設(shè)備能穩(wěn)定運行，要求具有較復(fù)雜的操作技能和經(jīng)驗，管理比較繁瑣，與國外先進(jìn)的處理裝置相比，在可靠性、操作性及維修性等方面仍存在一定差距。針對這一問題，試驗研究預(yù)處理對膜運行的影響，優(yōu)化工藝設(shè)計。

3 試驗

3.1 試驗樣機(jī)

CWM5船用污水處理設(shè)備由中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研發(fā)生產(chǎn)。樣機(jī)設(shè)有沉淀柜，柜內(nèi)設(shè)有粗過濾器，過濾精度2～5 mm，之后是調(diào)節(jié)柜、生物反應(yīng)柜及膜柜組成。調(diào)節(jié)柜與生物反應(yīng)柜之間裝有細(xì)過濾器，過濾精度0.5～1.0 mm。設(shè)備配有通風(fēng)系統(tǒng)、液位計、電磁流量計、溫度儀、電控系統(tǒng)等。該設(shè)備日處理污水10 m3。工藝流程見圖3。

圖3 樣機(jī)工藝流程

粗過濾器能按事先設(shè)定時間自動通曝氣沖刷，防止堵塞，無需人工清理。細(xì)過濾裝置截留的細(xì)渣通過過濾器壓力開關(guān)或定時器進(jìn)行自動反沖洗，將渣排出。

3.2 污水來源

為盡可能接近船舶污水處理的水質(zhì)，不經(jīng)過沉淀，直接在化糞池內(nèi)安裝污水泵獲取污水，污水泵的啟停由設(shè)備內(nèi)的液位計控制。當(dāng)沉淀柜液位在低位時，污水泵啟動，當(dāng)液位到高位時，污水泵自動停止。

3.3 膜材料

膜材料采用PVDF中空纖維簾式膜，具有很好的抗污染、抗氧化、耐酸堿、透水量大等優(yōu)點。

4 試驗方法

用污水泵將污水打入設(shè)備中，啟動風(fēng)機(jī)供氧，經(jīng)1周培養(yǎng)，泥漿質(zhì)量濃度達(dá)4 500 mg/L時，即可進(jìn)行試驗。試驗過程中對進(jìn)水、出水取樣，對SS、COD、BOD5、大腸桿菌等指標(biāo)進(jìn)行檢測，并觀察膜壓和出水量的變化。流量1 m3/h，可通過進(jìn)水閥門調(diào)節(jié)，電磁流量計監(jiān)控，膜壓通過出水壓力表觀查，出水流量0.5 m3/h，通過變頻器調(diào)節(jié)出水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，并通過電磁流量計監(jiān)控。

5 結(jié)果與分析

在不使用細(xì)過濾器時，污水進(jìn)入沉淀柜后，因重力作用，大的懸浮物被內(nèi)置粗過濾器截住，污水進(jìn)入調(diào)節(jié)柜，然后經(jīng)生物反應(yīng)柜、膜柜，通過膜過濾后排放。運行初期，膜壓、出水量都很穩(wěn)定，膜壓在0.012～0.014 MPa之間。其間對進(jìn)水的懸浮物取樣檢測，平均值>1 000 mg/L，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，見表1。

表1 進(jìn)水懸浮物質(zhì)量濃度

經(jīng)近80 d試驗，前30 d運行平穩(wěn)，后30 d膜壓上升到0.02 MPa,之后膜壓開始緩慢上升，第45～60 d膜壓從0.025 MPa上升到0.028 MPa，60 d后，膜壓快速上升到0.03 MPa以上，這時出水量很快下降，由10 m3/d下降到4 m3/d以下，此刻測得污泥質(zhì)量濃度6 600 mg/L，經(jīng)觀測，0.5 h內(nèi)污泥幾乎不沉降。

膜壓與出水變化見圖4、5。

圖4 膜壓的變化

圖5 出水量的變化

此時停機(jī)，將膜柜水排出，可觀察到膜污染狀況，見圖6。此刻膜片上已粘滿污泥，污泥已發(fā)黑，說明污泥粘在膜上并堆積已有一段時間，造成污泥缺氧而變黑。將污泥清洗后，膜絲上仍掛有很多纖維和毛發(fā)，并纏繞在一起，清洗很困難。由于膜絲相互纏繞，靠氣流沖刷膜絲抖動能力減弱，造成膜片上污泥堆積。試驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)說明僅采用粗過濾不能有效防止纖維等懸浮物進(jìn)入膜柜。

圖6 膜污染狀況1

關(guān)閉連通閥，將污水加壓，通過細(xì)過濾器過濾后進(jìn)入生物反應(yīng)柜。運行60 d，膜壓穩(wěn)定在0.018 MPa，運行120 d后膜壓開始緩慢上升；到第140 d，膜壓上升到0.036 MPa，出水下降了40%，此刻污泥質(zhì)量濃度達(dá)7 300 mg/L,見圖7、8。

圖7 膜壓變化

圖8 膜出水變化

此時將膜柜水排出，觀察膜表面，可以看到膜表面較干凈，但也有少量的污泥堆積，將污泥清洗后，膜絲上有少量纖維和毛發(fā)，主要集中在膜頂部，見圖9。

圖9 膜污染狀況2

試驗結(jié)果表明，增加細(xì)過濾極大延緩了膜的污染，延長了膜的清洗周期，是未加細(xì)濾穩(wěn)定運行時間的2倍。在試驗期間，對出水水質(zhì)、大腸桿菌的指標(biāo)也作了抽樣本送普尼(PONY)檢測，檢測結(jié)果均能滿足IMO MEPC.159(55)排放標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 出水水質(zhì)

注：E．Coli24個樣本中有兩個樣本大腸桿菌的濃度分別為79和84 MPN/(100 mg·L-1)，分析認(rèn)為可能是取樣時被污染，故沒有計算在平均值內(nèi)。

6 結(jié)束語

增加預(yù)處理過濾裝置，對MBR工藝穩(wěn)定運行有著很重要的作用；裝有預(yù)處理裝置的設(shè)備較沒有裝預(yù)處理的設(shè)備運行穩(wěn)定性更好，膜的清洗時間可延長1倍以上。通過去除污水中細(xì)小纖維，防止纖維等纏繞在膜絲上，清洗較為方便，可在膜柜內(nèi)清洗，不用取出，大大減少了維護(hù)強(qiáng)度，簡化操作過程，提高了設(shè)備使用效率。雖然此次試驗表明加裝預(yù)處理裝置能有效地改善膜的清洗周期，但過濾后的污水中還是存在少量的渣；此外過濾的渣反沖回沉淀柜，在允許排污的海域排放，而國外該類設(shè)備預(yù)處理污水后產(chǎn)生的渣收集后進(jìn)行焚燒。

此外,該次試驗中的SS平均值為1 000 mg/L，大于船級社船用生活污水處理裝置認(rèn)可的進(jìn)水SS要求(>500 mg/L)，但據(jù)有關(guān)研究報告[2]，實測SS平均值大于2 000 mg/L，因此，如何進(jìn)一步改進(jìn)過濾裝置，完善該系統(tǒng)還需要進(jìn)一步研究。

[1] 馬如中，何麗君.膜分離技術(shù)在船用生活污水處理裝置上的應(yīng)用[J].船海工程，2010，39(6):4-6.

[2] 董良飛．船舶生活污水污染特征及控制對策研究[D]．西安：西安建筑科技大學(xué)，2005.