MBR處理船舶生活污水氮磷去除效能的試驗(yàn)研究

宮福強(qiáng) 張宏岳 祝玉芳

（1. 大連市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023 2.浦華環(huán)保有限公司，北京 100084 3.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

引言

近年來，迅速發(fā)展的航運(yùn)業(yè)所帶來的船舶生活污水污染問題逐漸引起人們關(guān)注[1]。船舶生活污水污染負(fù)荷高、水量和水質(zhì)變化大、船體空間有限等這些特點(diǎn)[2]使得一些常規(guī)污水處理工藝不能滿足船舶生活污水的排放標(biāo)準(zhǔn)。MBR是將一種將膜分離技術(shù)和生物降解技術(shù)有機(jī)結(jié)合新污水處理工藝[3]。MBR處理效果好、出水水質(zhì)穩(wěn)定、設(shè)備占地面積小等的優(yōu)點(diǎn)[4]使它能夠在船舶生活污水處理中有很好的應(yīng)用。2010年1月l日開始執(zhí)行比原來更加嚴(yán)格的船舶生活污水處理裝置排放新標(biāo)準(zhǔn)，如對(duì)SS、BOD5、COD等的排放量[5]。而部分國(guó)家或地區(qū)已經(jīng)對(duì)氨氮的排放也有了要求，因此本文研究MBR對(duì)船舶生活污水氮磷的去除。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

中空纖維膜片（簾式膜）膜組件：中空纖維；單個(gè)膜組件的有效面積為2m2，外徑350μm-400μm，內(nèi)徑250-300μm，壁厚40μm-50μm，微孔尺寸0.1μm-0.2μm，孔隙率40%～50%，透氣率＞7.0x102cm3/cm2.s.cmHg；膜材質(zhì)為聚丙烯（PP）。料液：反應(yīng)器的進(jìn)水為船舶生活污水模擬水。試劑：試驗(yàn)中所用常規(guī)試劑均為分析純；標(biāo)準(zhǔn)溶液均采用超純水配制，總氮測(cè)定過程用水為無氨水，其它溶液以去離子水配制。

1.2 裝置簡(jiǎn)圖及實(shí)驗(yàn)方法

圖1 膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝過程圖

如圖1所示為膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝過程圖。通過蠕動(dòng)泵的加壓使原水進(jìn)入MBR處理區(qū)，將出水抽入清水池內(nèi)，為維持清水池液位恒定在清水池后設(shè)置虹吸管。膜組件與自吸泵和反沖泵相連，自吸泵通過吸取的辦法，從MBR區(qū)的泥水混合物中分離出清水。膜片通過反沖泵進(jìn)行定時(shí)反沖洗?？諝獗猛ㄟ^位于反應(yīng)池底中部的微孔曝氣盤連續(xù)向反應(yīng)器中曝氣，為反應(yīng)器提供溶解氧。曝氣產(chǎn)生的氣泡及水流夫人流動(dòng)能夠使膜絲抖動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)膜的自清洗。

圖2 MBR對(duì)氨氮的去除特性

1.3 測(cè)試指標(biāo)與方法

氨氮（NH3-N）采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；總氮（TN）采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定；總磷（TP）采用過硫酸鉀消解-鉬銻分光光度法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)氨氮和總氮的去除特性

本試驗(yàn)對(duì)船舶生活污水模擬水進(jìn)水、出水及混合液經(jīng)0.45 μm醋酸纖維膜過濾液的氮磷指標(biāo)從反應(yīng)器啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行連續(xù)46 d的檢測(cè)。在MB R穩(wěn)定運(yùn)行期間，進(jìn)水含氨氮量能穩(wěn)定保持在39.34 m g/L-48.7 m g/L之間。

2.1.1 對(duì)氨氮的去除特性

如圖2可以看出在反應(yīng)器運(yùn)行的初期，混合液氨氮的去除率平均45.72%，出水氨氮的去除率46.08%，去除率較低不能滿足生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）一級(jí)B排放的8mg/L標(biāo)準(zhǔn)，這是由于混合液中亞硝化菌落還不夠成熟。在經(jīng)過污泥淘洗后，混合液氨氮去除率為66.33%，出水氨氮去除率為66.85%，由此可知對(duì)污泥的淘洗過程能促進(jìn)氨氮的去除。在MBR反應(yīng)器的運(yùn)行初期對(duì)氨氮去除能力較強(qiáng)，這是因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)取自市政污水處理廠的活性污泥中含有亞硝化菌，且本試驗(yàn)所用的是與市政污水成分相差不大的人工模擬生活污水，這樣亞硝化菌就能很好的在反應(yīng)器內(nèi)生長(zhǎng)。

圖3 MBR對(duì)總氮的去除特性

圖4 MBR對(duì)總磷的去除特性

在反應(yīng)器運(yùn)行的中期，MBR反應(yīng)器對(duì)混合液氨氮去除率為91.83%，出水去除率為93.65%，出水氨氮含量比生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）一級(jí)B排放的8mg/L標(biāo)準(zhǔn)低，這表示MBR反應(yīng)器能夠很好的處理船舶生活污水中的氨氮。并且可知反應(yīng)器內(nèi)混合液的亞硝化菌落生長(zhǎng)狀況良好且能對(duì)高效穩(wěn)定的去除氨氮。

由于船舶生活污水具有污染負(fù)荷不均的特點(diǎn)，因此在測(cè)試階段的中后期對(duì)MBR反應(yīng)器內(nèi)混合液對(duì)氨氮的抗沖擊負(fù)荷能力進(jìn)行了測(cè)試。將進(jìn)水氨氮?jiǎng)√岣叩?6mg/L，通過對(duì)出水中氨氮的測(cè)定，其含量增加到14.23mg/L，但是仍然能夠保持81.28%的去除率，這充分說明了MBR抗氨氮沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。通過其后幾天對(duì)氨氮去除率的測(cè)定可知短期的氨氮沖擊負(fù)荷不會(huì)對(duì)活性污泥的氨氮去除效果產(chǎn)生很大影響。

在測(cè)試階段的后期氨氮的去除率明顯降低，通過對(duì)反應(yīng)器內(nèi)混合液內(nèi)活性污泥進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)可知SV30=83%且在對(duì)混合液取樣時(shí)有拉絲現(xiàn)象出現(xiàn)，這說明污泥膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)過分析可知其產(chǎn)生的可能原因?yàn)橄趸c絲狀菌對(duì)爭(zhēng)奪電子受體能力較弱，其具體體現(xiàn)在較低的氨氮去除率。在此階段反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度增加，但是溶解氧（DO）由初期的3.3mg/L降為2.45mg/L，這就減少了反應(yīng)器內(nèi)含氧量，這對(duì)硝化作用的進(jìn)行有一定的限制作用。為了消除這一現(xiàn)象的影響，在其后將曝氣強(qiáng)度加大，維持DO在3.5mg/L左右，并排除部分污泥，維持反應(yīng)器中MLSS5000mg/L的含量。在改措施采取5d后，基本解決了污泥膨脹問題，這時(shí)出水中氨氮含量基本維持在2.88±2.35mg/L的范圍內(nèi)，氨氮平均去除率基本維持在93.33±5.41%的范圍內(nèi)。阮芳[6]在研究MBR處理船舶生活污水試驗(yàn)結(jié)果表明出水氨氮在0.48mg/L-3.88mg/L之間，去除率基本在93%以上，兩者去除效果相差不多。

在測(cè)試階段內(nèi)反應(yīng)器內(nèi)混合液氨氮的去除率能夠維持在80%以上，而膜在此工程中起到了至關(guān)重要的作用。膜能夠?qū)桃悍蛛x有良好的作用，這就能夠使硝化菌只能存在反應(yīng)池內(nèi)，這有利于長(zhǎng)時(shí)間硝化菌的生存，從而能夠高效地去除混合液中的氨氮。在反應(yīng)器啟動(dòng)初期，微濾膜對(duì)氨氮的去除率基本能維持在0.36%左右，而到穩(wěn)定期其對(duì)氨氮的去除率基本能維持在3.15%。這說明在膜表面能夠形成污泥層且其中的硝化菌生長(zhǎng)狀況良好，對(duì)氨氮的去除有了較好的效果。

2.1.2 對(duì)總氮的去除特性

由圖3可知，在測(cè)試階段內(nèi)的中后期反應(yīng)器內(nèi)混合液和出水總氮平均濃度分別能保持在42.52mg/L和29.55mg/L左右，平均總?cè)コ蕿?1%。分析器原因可能是進(jìn)水中氮含量比污泥中微生物所能降解的有機(jī)物的量大，微生物在滿足自身生長(zhǎng)所需而消耗有機(jī)物的過程中消耗不了的過多的氨氮?jiǎng)t只能通過硝化菌將其轉(zhuǎn)化為了硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，而作為好氧系統(tǒng)的膜生物反應(yīng)器，無法促進(jìn)反硝化作用，這致使硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮不能及時(shí)被轉(zhuǎn)化為氮?dú)饧捌涞趸?，這就導(dǎo)致了MBR雖然能夠較好的對(duì)氨氮去除而不能去除總氮。

2.2 MBR對(duì)磷去除特性

船舶生活污水中所含的磷主要來自船員日常生活含磷除污劑和洗滌劑的使用。通過對(duì)磷的存在形態(tài)（固態(tài)與溶解態(tài)）的循環(huán)轉(zhuǎn)化的從而達(dá)到去除的目的。傳統(tǒng)的除磷方法為化學(xué)除磷法和生物除磷法。化學(xué)除磷即為向污水中投加化學(xué)藥劑（如鈣鹽），使之與污水中的磷酸根發(fā)生反應(yīng)，從而以難溶性的固體沉淀的形式被去除。生物除磷即為利用微生物（聚磷菌等）在好氧條件下吸收污水中的磷，而在厭氧條件下將磷釋放，從而達(dá)到磷元素以剩余污泥的形式被排走的目的。

如圖4所示，在測(cè)試期內(nèi)，維持反應(yīng)器進(jìn)水總磷在4.90mg/L左右。在反應(yīng)初期，磷的去除效率不理想。而后通過多次淘洗活性污泥，并且排放少量額污泥，從而提高了對(duì)磷的去出效果。在反應(yīng)的中后期，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，但是總磷的去除效果依然不夠理想，只能達(dá)到22.18%。由此分析MBR的好氧條件和長(zhǎng)泥齡抑制了磷的去除，所以為了進(jìn)一步提高磷的去除率可采用添加化學(xué)藥劑或增設(shè)厭氧池的方法，肖景霓[7]采用A2OMBR除磷能使磷的去除率達(dá)到96.1%。

結(jié)語

（1）在系統(tǒng)運(yùn)行前期階段，MBR氨氮的去除率僅能達(dá)到46.08%，生物反應(yīng)器部分氨氮的去除率僅能達(dá)到45.72%，膜部分的去除率僅能達(dá)到0.36%；而后由于硝化細(xì)菌的成熟，在反應(yīng)的中期氨氮總?cè)コ蕛嚎蛇_(dá)到93.65%，且污泥能在膜表面形成生物膜。在觀測(cè)的最后階段膜部分對(duì)氨氮的平均去除率貢獻(xiàn)增大到3.15%。同時(shí)通過改變進(jìn)水氨氮的含量可知其對(duì)氨氮具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力。

（2）由于MBR只能提供較好的好養(yǎng)環(huán)境且試驗(yàn)中排泥量小，所以只能達(dá)到較低的總氮和總磷的去除率。

（3）提高曝氣強(qiáng)度并增加排泥量能夠促進(jìn)MBR對(duì)氨氮的去除率。

[1]荊緯.船舶生活污水處理系統(tǒng)優(yōu)選方法的研究與應(yīng)用[D].大連海事大學(xué), 2010:1.

[2]張先超.船舶生活污水處理設(shè)備研究[D].安徽工程大學(xué),2011:1-3.

[3]Yang W, Cicek N, Ilg J. State-of-the-art of membrane bioreactors: Worldwide research and commercial applications in North America [J], Journal of Membrane Science, 2006. 270: 201-211.

[4]Stephenson T, Judd S, Jefferson, B.膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社,2003:4-5.

[5]中國(guó)船級(jí)社73/78公約[M].北京: 人民交通出版社,2003.

[6]阮芳.膜生物反應(yīng)器處理生活污水的試驗(yàn)研究[D].天津工業(yè)大學(xué),2007:37-38.

[7]肖景霓.膜生物反應(yīng)器強(qiáng)化除磷脫氮性能研究[D].大連理工大學(xué),2007:76.