MBR運(yùn)行參數(shù)對(duì)處理船舶含油餐飲廢水的影響

劉喜元，李樹(shù)，謝承利，王良武

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083

MBR運(yùn)行參數(shù)對(duì)處理船舶含油餐飲廢水的影響

劉喜元1，李樹(shù)2，謝承利1，王良武1

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083

膜生物反應(yīng)器（MBR）處理船舶含油廢水在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，為了研究膜生物反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)對(duì)處理船舶含油餐飲廢水的影響，通過(guò)生產(chǎn)油脂產(chǎn)生的廢水模擬船舶含油廢水的水質(zhì)特性，搭建小型膜生物反應(yīng)器陸上試驗(yàn)系統(tǒng)，用光譜儀等儀器測(cè)量化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）及氨氮等參數(shù)。研究膜生物反應(yīng)器的水力停留時(shí)間（HRT）、COD和BOD及氨氮、膜壓力、污泥濃度等指標(biāo)之間的關(guān)系。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行了70天。研究結(jié)果表明：膜生物反應(yīng)器對(duì)油脂廢水中COD、油、總碳（TOC）和BOD的去除率達(dá)80%以上，對(duì)氨氮的去除率達(dá)50%以上；油對(duì)膜的污染有較大影響。

船舶污水處理；膜生物反應(yīng)器；水質(zhì)特性；水力停留時(shí)間；含油餐飲廢水

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.038.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：劉喜元，李樹(shù)，謝承利，等.MBR運(yùn)行參數(shù)對(duì)處理船舶含油餐飲廢水的影響［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（2）：133-138.

LIU Xiyuan，LI Shu，XIE Chengli，et al.Effects of operating parameters of MBR on the treatment of ship's restaurant oily wastewate［rJ］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：133-138.

0　引　言

船舶是流動(dòng)的平臺(tái)，船員在生活過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的含油餐飲廢水，而廢水的排放會(huì)對(duì)水域產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，尤其是在船舶錨泊、靠港時(shí)，并且污染的水域隨著船舶的航行也會(huì)呈現(xiàn)出污染范圍擴(kuò)大的趨勢(shì)。雖然目前在國(guó)際防污公約及大多數(shù)國(guó)家的環(huán)境保護(hù)法規(guī)中未對(duì)船舶餐飲廢水提出具體的排放指標(biāo)要求［1］，但鼓勵(lì)處理后再排放，且隨著技術(shù)水平和環(huán)保要求的逐步提高，對(duì)含油餐飲廢水處理后達(dá)標(biāo)排放將成為必然趨勢(shì)。

而在船舶含油餐飲廢水的收集和處理上，中餐與西餐具有不同的特點(diǎn)。與西餐相比，中餐含油量大、殘?jiān)?，處理中餐產(chǎn)生的含油廢水使我國(guó)船舶污水處理技術(shù)面臨更大的挑戰(zhàn)。船舶管路管徑較小，而含油餐飲廢水中含有油脂、固體顆粒，油脂聚集凝結(jié)后容易附著在管壁上，使管徑不斷“縮小”，固體顆粒則容易堆積在彎頭、閥門(mén)處造成堵塞。與岸上工程相比，受船舶空間和排水量限制，含油餐飲廢水在處理過(guò)程中的水力停留時(shí)間（HRT）、沉淀池容積設(shè)置、殘?jiān)A(yù)處理及膜污染后的清洗都是污水處理過(guò)程中需要解決的難題。

膜生物反應(yīng)器（MBR）由于出水水質(zhì)好，穩(wěn)定性高，可獲得比普通活性污泥法高得多的生物濃度，能極大地提高生物降解能力和抗負(fù)荷沖擊能力［2］，因而作為一種成熟的污水處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水、生活污水的處理，成為當(dāng)前污水處理技術(shù)的主流方向。

盡管MBR在處理含油餐飲廢水方面己有較多的研究，但不同的HRT情況下，對(duì)于MBR處理含油餐飲廢水過(guò)程中溶解性有機(jī)物特性（DOM）的研究仍處在不斷探索中，而溶解性有機(jī)物的物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)變化與污染物的降解和膜污染速率密切相關(guān)［3］。本文將結(jié)合船舶餐飲廢水水量和成分波動(dòng)大的特點(diǎn)，采用小型系統(tǒng)原理模型的方法，研究船舶含油餐飲廢水中污染物對(duì)膜的影響以及生化處理的效果。為保證研究的穩(wěn)定性，試驗(yàn)中采用含油廢水替代含油餐飲廢水。

1　含油廢水的水質(zhì)特性

含油廢水中的有機(jī)組分大多以動(dòng)植物油、脂肪酸和膠質(zhì)等物質(zhì)為主，基本上可以被生物降解。因船舶含油餐飲廢水的水質(zhì)波動(dòng)大，采集困難，采用了某油脂生產(chǎn)車(chē)間經(jīng)預(yù)處理后的廢水作為試驗(yàn)研究對(duì)象，其含油率基本穩(wěn)定，易于獲取和存儲(chǔ)。搭建的處理含油廢水的小型膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行了70天，得到如表1所示的處理后的水質(zhì)特性結(jié)果。其中，化學(xué)需氧量（COD）、油、總碳（TOC）和生化需氧量（BOD）的含量仍較高，均未達(dá)到GB 18918-2002［4］規(guī)定的國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。而從BOD/COD的比值（平均0.51）來(lái)看，廢水中的污染物主要是生物可降解性有機(jī)物。

表1　含油廢水的水質(zhì)特性Tab.1　Water quality characteristics of oily wastewater

由于常規(guī)的生物工藝出水中殘留的有機(jī)污染物濃度和濁度仍相對(duì)較高，故需進(jìn)一步采用強(qiáng)化處理技術(shù)去除這些污染物，以減小對(duì)環(huán)境的影響。近年來(lái)，MBR技術(shù)在難降解的工業(yè)廢水和洗浴廢水處理中已相繼應(yīng)用。有關(guān)研究人員采用MBR對(duì)工業(yè)含油廢水進(jìn)行了處理，發(fā)現(xiàn)能有效去除工業(yè)含油廢水中的難降解有機(jī)物。目前，用于含油廢水深度處理的技術(shù)包括氣浮、無(wú)機(jī)膜過(guò)濾等工藝，而采用MBR處理含油廢水的相關(guān)報(bào)道則相對(duì)較少［5］。因此，有必要對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用MBR系統(tǒng)中的膜污染問(wèn)題進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，以提供高效和穩(wěn)定運(yùn)行的科學(xué)依據(jù)。

2　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為了驗(yàn)證含油廢水對(duì)MBR的影響，根據(jù)船舶污水處理工藝搭建了小型膜生物反應(yīng)器試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)由調(diào)節(jié)池、好氧池和膜池等組成，系統(tǒng)的主體采用有機(jī)玻璃加工，以便實(shí)時(shí)觀察池內(nèi)液位狀態(tài)，并通過(guò)量杯分別采集調(diào)節(jié)池和清水池的水樣進(jìn)行分析。作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪M(jìn)水水樣和出水水樣，進(jìn)水流量由進(jìn)水計(jì)量泵控制，每天的進(jìn)水量約為25 L。

圖1　MBR試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1　Schematic diagram of the MBR test system

試驗(yàn)系統(tǒng)各組成部件參數(shù)如下：

1）調(diào)節(jié)池。用于貯存含油廢水，按照產(chǎn)水每天25 L計(jì)算，定期采集水樣，調(diào)節(jié)池的總?cè)莘e約為50 L。

2）好氧池。用于降解水體中的有機(jī)物，培養(yǎng)污泥，采用微孔曝氣為微生物提供一個(gè)良好的生存環(huán)境，HRT按照12 h計(jì)算，有效容積按照24 L計(jì)算，總?cè)莘e約為30 L。

3）膜池。用于安裝膜組件，試驗(yàn)用膜組件選用PVDF膜，有效膜面積0.05 m2，HRT按照2 h計(jì)算，有效容積按照4 L計(jì)算，總?cè)莘e約為12 L。

4）清水池。用于存放產(chǎn)水，容積為20 L。

3　試驗(yàn)儀器

使用的試驗(yàn)儀器如下：

1）掃描電子顯微鏡。用于觀察污染前后膜絲表面的形貌變化及其截面的變化。

2）壓汞儀。用于測(cè)量膜絲的孔徑和孔隙率。

3）電子萬(wàn)能試驗(yàn)儀。用于測(cè)量拉伸強(qiáng)度和延展率。

4）接觸角測(cè)定儀。用于測(cè)量樣品材料表面水滴與表面之間的夾角，反映樣品材料表面的親疏水性。

5）耦合等離子體發(fā)射光譜儀。用于測(cè)量膜絲表面沉積的無(wú)機(jī)離子濃度，包括鈣、鎂、鋁、鐵、硅、磷、錳和銅等，可以反映MBR試驗(yàn)中膜絲上無(wú)機(jī)物的污染情況。

6）傅立葉變換紅外光譜儀。用于測(cè)量膜絲外表面沉積的有機(jī)污染物。

7）X射線光電子能譜儀。用于對(duì)膜絲外表面沉積的有機(jī)和無(wú)機(jī)元素進(jìn)行整體定量分析，以更精確地分析膜絲表面污染物元素的含量。

4　含油廢水處理的試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用連續(xù)運(yùn)行方式，含油廢水通過(guò)進(jìn)水泵從調(diào)節(jié)池進(jìn)入好氧池，在好氧池中經(jīng)過(guò)充分的充氧后推流進(jìn)入膜池，膜池的液位通過(guò)液位計(jì)控制，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)PLC自控箱控制。每隔一段時(shí)間采集反應(yīng)器內(nèi)的水樣，進(jìn)行水質(zhì)分析。下面介紹水質(zhì)分析后得到的MBR中HRT對(duì)COD、油、TOC、氨氮及BOD的去除率的影響。膜通量對(duì)過(guò)膜壓力（TMP）的影響和溶解氧（DO）、溫度、pH值及污泥濃度的變化情況，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1HRT對(duì)COD去除率的影響

HRT是涉及污水生物處理系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，它不僅與系統(tǒng)的處理效果有關(guān)，還直接決定了生物反應(yīng)器容積的大小［6］。試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，測(cè)量含油廢水進(jìn)、出水的COD含量，定期采集水樣，共取樣16次。如圖2所示，進(jìn)水的COD含量在1 400～2 000 mg/L之間，出水的COD含量在150～380 mg/L之間。

圖2　HRT對(duì)COD去除率的影響Fig.2　Removal effect of HRT on COD

從測(cè)量結(jié)果可以看出，COD的去除率隨著HRT的變化而變化，但當(dāng)HRT為70和140 h時(shí)，COD的去除效果差別不大，平均去除率為85.2%，相應(yīng)的出水濃度為233.6 mg/L。有研究表明：COD的去除與污泥濃度有關(guān)，隨著系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的增加，污泥濃度不斷累積，可揮發(fā)性污泥濃度（MLVSS）與污泥濃度（MLSS）的比值卻呈下降趨勢(shì)。MBR系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果隨污泥負(fù)荷的增加存在著先降后升的現(xiàn)象［7］。

4.2HRT對(duì)除油率的影響

試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，測(cè)量含油廢水進(jìn)、出水的含油量，定期采集水樣，共取樣16次。如圖3所示，進(jìn)水的含油量在4 100～6 200 mg/L之間，出水的含油量在120～280 mg/L之間。

圖3　HRT對(duì)除油率的影響Fig.3　Removal effect of HRT on oil

由圖3可知，進(jìn)水中油的變化幅度較大，而出水中的含油量則較穩(wěn)定，除油效果隨著HRT的變化而變化，平均除油率為93.8%，相應(yīng)的出水濃度為310.1 mg/L。

4.3HRT對(duì)TOC去除率的影響

試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，測(cè)量含油廢水進(jìn)、出水的TOC含量，定期采集水樣，共取樣16次。如圖4所示，進(jìn)水的TOC含量在630～980 mg/L之間，出水的TOC含量在80～120 mg/L之間。

圖4　HRT對(duì)TOC去除率的影響Fig.4　Removal effect of HRT on TOC

由圖4可知，去除TOC的效果隨著HRT的增加而逐漸平穩(wěn)，TOC的平均去除率為88.4%，相應(yīng)的出水濃度為95.7 mg/L。

4.4HRT對(duì)氨氮去除率的影響

試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，測(cè)量含油廢水進(jìn)、出水的氨氮含量，定期采集水樣，共取樣16次。如圖5所示，進(jìn)水的氨氮含量在4～34 mg/L之間，出水的氨氮含量在1～4.8 mg/L之間。

圖5　HRT對(duì)氨氮去除率的影響Fig.5　Removal effect of HRT on ammonia nitrogen

由圖5可知，氨氮的去除率隨著HRT的增大而逐漸平衡，氨氮的平均去除率為51.3%，相應(yīng)的出水濃度為3.9 mg/L。

4.5HRT對(duì)BOD去除率的影響

試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，測(cè)量含油廢水進(jìn)、出水的BOD含量，定期采集水樣，共取樣16次。如圖6所示，進(jìn)水的BOD含量在700～1 150 mg/L之間，出水的BOD含量在20～50 mg/L之間。

圖6　HRT對(duì)BOD去除率的影響Fig.6　Removal effect of HRT on BOD

由圖6可知，BOD的去除效果隨著HRT的增加而逐漸平穩(wěn)，BOD的平均去除率為97.5%，相應(yīng)的出水濃度為22.6 mg/L。

4.6膜通量對(duì)過(guò)膜壓力的影響

膜通量對(duì)膜污染的潛在趨勢(shì)可以以膜所承受的壓力來(lái)表現(xiàn)［8］，TMP對(duì)膜污染的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)膜通量較高（15 L/h）時(shí)，隨著時(shí)間的增加，TMP變化較大。而將膜通量降低到8 L/h以下時(shí)，相應(yīng)的TMP得到了有效控制，約在2～8 kPa之間。

圖7　膜通量對(duì)膜污染潛在趨勢(shì)的影響Fig.7　Effect of TMP on membrane fouling trend

當(dāng)膜通量維持在15～20 L/h之間時(shí)，TMP的變化較明顯，增加較為迅速。通過(guò)每周一次的化學(xué)清洗（500 mg/L次氯酸鈉浸泡6 h）后，TMP有所降低，但隨后又迅速增加。當(dāng)將膜通量維持在5～8 L/h時(shí)，TMP得到了控制，維持在2～6 kPa之間。

4.7溶解氧、溫度和pH值的變化

試驗(yàn)中，處理含油廢水的MBR共運(yùn)行了70天，溶解氧、溫度和pH值每天測(cè)量3次，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8　MBR的運(yùn)行狀況Fig.8　Experimental conditions of MBR

整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中溫度保持在30～35℃之間，因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)加劇膜污染的速率，低溫會(huì)加劇膜污染［9］。但是，當(dāng)微生物適應(yīng)低溫環(huán)境后，膜污染速率會(huì)逐漸減緩，而低溫時(shí)MBR的出水水質(zhì)并未受到明顯的影響［10］。由于原水的pH值較小，水體呈現(xiàn)酸性，因此，在調(diào)節(jié)池中將水體的pH值調(diào)至6.5～7.5之間，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的溶解氧保持在1～3 mg/L之間。

4.8污泥濃度的變化

如圖9所示，整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中MBR中的污泥變化較為明顯，隨著MBR的運(yùn)行，SV30（曝氣池混合液在量筒靜止沉降30 min后污泥所占的體積百分比）持續(xù)增加，最終維持在80%～95%之間。由于調(diào)節(jié)池底部沉積物（無(wú)機(jī)雜質(zhì)）進(jìn)入MBR，而且系統(tǒng)運(yùn)行后一直未排污泥，因此，在后期運(yùn)行過(guò)程中，MLSS逐漸增加到20 000 mg/L，但系統(tǒng)中的MLVSS基本維持在2 000～4 000 mg/L之間，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除率仍然較高。

圖9　MBR中的污泥性狀變化Fig.9　Changes of the sludge in MBR

4.9試驗(yàn)結(jié)果分析

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)COD、油、TOC、氨氮和BOD均具有較好的去除效果。由于廢水中的有機(jī)成分較為復(fù)雜，水體中難降解的有機(jī)污染物也較多，因此，出水中部分有機(jī)污染物還需進(jìn)一步物化處理。污染物去除效果的差異是由系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷率的變化引起的［11］，表2為采用MBR處理含油廢水的試驗(yàn)結(jié)果。

表2　MBR處理含油廢水的效果Tab.2　Treatment effects of oily wastewater by MBR

從表2可以看出，油和BOD的去除率最高，其出水分別為310.1和22.6 mg/L，說(shuō)明水體的可生化性較好。COD和TOC的去除效果相當(dāng)，出水分別為233.6和95.7 mg/L，說(shuō)明水體中的大部分有機(jī)物被降解，殘留的有機(jī)物大多為難以生物降解的有機(jī)物。整個(gè)系統(tǒng)的氨氮降解率不佳，出水氨氮含量為3.9 mg/L，這可能與進(jìn)水中的氨氮太少有關(guān)，但依然達(dá)到了GB 18918-2002規(guī)定的國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

5　結(jié)　論

基于建立的試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)MBR處理含油廢水的試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。重點(diǎn)研究了HRT對(duì)COD、油、TOC、氨氮、BOD去除率的影響和膜通量對(duì)過(guò)膜壓力的影響，以及MBR中溶解氧、溫度、pH值、污泥濃度的變化情況。通過(guò)研究，得出如下結(jié)論：

1）MBR處理含油廢水，對(duì)于COD、油、TOC、氨氮和BOD有著很高的去除率，BOD和氨氮的含量達(dá)到國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2）當(dāng)膜通量較高（15 L/h）時(shí)，隨著時(shí)間的增加，TMP變化較大，而將膜通量降低到8 L/h以下時(shí)，相應(yīng)的TMP得到了有效控制。

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Effects of operating parameters of MBR on the treatment of ship's restaurant oily wastewater

LIU Xiyuan1，LI Shu2，XIE Chengli1，WANG Liangwu1
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences，Beijing 100083，China

Membrane bioreactor（MBR）has been widely applied to the treatment of ship's oily wastewater. To study the operating parameters of MBR on the treatment of oily wastewater produced by onboard restau?rants，wastewater is first produced from axunge which simulates the water characteristics of ship's oily wastewater，and a small shore-based MBR system is subsequently founded.Chemical Oxygen Demand （COD），Biochemical Oxygen Demand（BOD），ammonia nitrogen are tested with the measuring device like spectroscope.The relationship between the Hydraulic Retention Time（HRT）s，COD，BOD，ammonia nitro?gen，membrane pressure and sludge concentration during the 70 days operation of the MBR system is also studied，which shows that the MBR could remove the COD，oil，TOC，BOD by over 80%and ammonia nitro?gen by over 50%in oily wastewater.Furthermore，the research also indicates that the oil greatly affects the membrane fouling.

ship sewage treatment；membrane bioreactor（MBR）；water quality characteristic；Hy?draulic Retention Time（HRT）；restaurant oily wastewater

U664.9

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.019

2015-01-25網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-3-17 10:56

劉喜元，男，1965年生，研究員。研究方向：船舶輔助機(jī)械。E-mail：364574447@qq.com

王良武（通信作者），男，1985年生，碩士，工程師。研究方向：船舶輔助機(jī)械。

E-mail：wyhylq@163.com