船用污水脫氮裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

楊 真，田大冰，王 捷

（滬東中華造船集團(tuán)有限公司，上海 200129）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對資源的需求越來越大，海洋是一個(gè)巨大的能源寶庫，并且隨著海洋開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋資源的開采大量增加。但是隨著海洋資源的不斷開采，海洋污染問題也越來越嚴(yán)重，海洋污染問題成為全世界關(guān)注的重點(diǎn)問題。船舶是海洋資源的重要運(yùn)輸工具，全球大約80%的資源運(yùn)輸通過船舶進(jìn)行，船舶的污水排放對于對海洋造成了不同程度的污染和生態(tài)破壞，其中船舶生活污水中含氮元素眾多，這些氮元素對于海洋具有十分重要的危害作用，致使海洋富營養(yǎng)化等問題的出現(xiàn)，因此對于船舶生活污水進(jìn)行脫氮處理是海洋船舶污水治理的重要課題。船用MBR（Membrance Bio-Reactor，膜生物反應(yīng)器）是膜技術(shù)和生化處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合而產(chǎn)生的高效污水處理技術(shù)，目前在船用脫氮中較為常用的一種方法。但是目前對于MBR在船用脫氮處理方面還不夠成熟，因此，為了降低船舶污水處理設(shè)備體積、提升處理效率、同時(shí)克服惡劣的海洋環(huán)境對污水處理設(shè)備的穩(wěn)定性，展開對船用MBR的研究，設(shè)計(jì)了船用污水脫氮裝置，這就可以加大對船舶生活污水排放的控制，進(jìn)一步保護(hù)河流以及海洋環(huán)境，避免出現(xiàn)更多的海洋環(huán)境污染，對人類健康以及經(jīng)濟(jì)都造成破壞。

1 基于船用MBR的污水處理流程

膜生物反應(yīng)器（MBR）結(jié)合了膜分離技術(shù)以及生化處理技術(shù)的新型污水處理技術(shù)，反應(yīng)器內(nèi)包含了大量的活性污泥，主要功效為凈化水體。MBR膜反應(yīng)技術(shù)是目前處理船舶生活污水重要的方式，相比其他方式具有設(shè)備小、處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在的海上船舶污水脫氮處理中。MBR膜生物反應(yīng)材料采用纖維膜材料，一般的纖維膜材料采用聚丙烯材料。

基于船用MBR的污水處理流程如圖1所示，首先通過初步篩選系統(tǒng)將生活污水中的大顆粒漂浮物篩出，隨后將污水運(yùn)輸?shù)缴锝到庋b置中進(jìn)行生物降解，處理好的污水直接排放到海水中，底泥根據(jù)處理情況排入到焚燒爐中焚燒。

圖1 MBR式船用生活污水處理流程

在上述的流程，好氧曝氣柜跟膜分離裝置進(jìn)行一體化焊接，好氧曝氣柜的有效處理廢水容積為1.15 m3.將預(yù)處理的污水導(dǎo)入到曝氣柜中，經(jīng)過浸沒式膜組件過濾裝置，通過出水泵將處理好的污水排入到大海之中，而沉淀后的污泥排出。同時(shí)好氧曝氣柜的另一功能則是提供充足的氧氣，提高微生物降解有機(jī)物的效率，同時(shí)減少膜污染的發(fā)生。因此在該好氧曝氣柜中設(shè)置了5片膜反應(yīng)材料，膜反應(yīng)組件下方設(shè)置進(jìn)氣孔來生成氧氣。

船舶生活污水進(jìn)入到在MBR中，以及凈化水的排出部分則是應(yīng)用PLC自動(dòng)控制技術(shù)運(yùn)用感應(yīng)器來控制水位、壓力、時(shí)間等參數(shù)，且會將所有的控制信息都保存在核心處理器中，且可以根據(jù)需求調(diào)整、優(yōu)化感應(yīng)器參數(shù)。

2 船用污水脫氮裝置的設(shè)計(jì)

船用污水中會存在大量的氮，它會對海水產(chǎn)生較大的副作用，必須要在污水排放前進(jìn)行處理。本文設(shè)計(jì)的船用污水脫氮裝置基于多級環(huán)流氣升式MBR膜生物，結(jié)合了多級環(huán)流技術(shù)、膜技術(shù)和生化處理技術(shù)來進(jìn)行脫氮設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 基于MBR膜生物的脫氮裝置圖

本文設(shè)計(jì)的基于MBR膜生物的脫氮裝置包含了四個(gè)部分：

（1）進(jìn)水系統(tǒng)則主要包含了配水箱、上水箱、粉碎泵等裝置，主要通過PLC系統(tǒng)來控制水量的進(jìn)出，浮球閥用來確保水箱內(nèi)水量的充足，上水泵則根據(jù)水箱內(nèi)的水位變化來選擇是否注入水。

（2）進(jìn)水和反沖洗部分包含了出水箱、流量計(jì)、膜組件、電磁閥等部件。通過電磁閥來控制反應(yīng)池內(nèi)經(jīng)過了處理后的水是否排出，若需要排出則通過真空泵完成膜組件內(nèi)的反沖洗步驟。

（3）曝氣部分包含了曝氣頭、曝氣泵、流量計(jì)等部件，主要是確保反應(yīng)器內(nèi)有充足的氧氣?？諝馔ㄟ^曝氣泵的曝氣頭運(yùn)輸?shù)椒磻?yīng)器內(nèi)，且曝氣頭還會控制氣體的均勻分布。

該脫氮裝置主要是應(yīng)用在處理生活污水人數(shù)為30人，每人每天產(chǎn)生70 L污水，MBR反應(yīng)器每天的總處理量為：

30×70＝2 100 L

每小時(shí)水流量為：

2 100/24=87.5 L

設(shè)定水力停留時(shí)間HRT=8 h，反應(yīng)器內(nèi)水每天三次循環(huán)更新，總?cè)萘繛? 100 L.

8h處理量為：

2 100/3=700 L

故反應(yīng)器的有效容積：

V≥700 L

對膜組件作為膜反應(yīng)器的核心部件，對于膜反應(yīng)器的處理性能具有非常重要的影響。通過上述計(jì)算得到的反應(yīng)器計(jì)算量，接下來則要對膜組件的水箱容量以及水流量速度等進(jìn)行設(shè)計(jì)。膜組建的選型主要考慮設(shè)計(jì)流量、處理水質(zhì)和設(shè)計(jì)成本三方面的因素：當(dāng)水質(zhì)較差時(shí)，則需要較多的膜組件成本則會增加；而當(dāng)水流量逐步也增大時(shí)，對于成本的要求也會增高，因此必須要平衡三者之間的關(guān)鍵。綜合考慮之后選擇FP-AI型號膜組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。膜組件參數(shù)如表1所示。

表1 膜組件參數(shù)

首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置以及儀器的選擇，由于在整個(gè)過程中，裝置的密封性具備非常高的重要性，對于微生物的活動(dòng)有非常重要的影響以及空氣的控制等，因此本文主要闡述了真空泵的選擇。對于對于泵的選擇主要影響因素為膜端阻力、管道阻力、閥門阻力和泵的揚(yáng)程等，由此選擇真空泵作為出水泵，這就符合實(shí)驗(yàn)環(huán)境。而在分析了真空泵的控制層參數(shù)后，選擇真空泵的型號為25ZB-2-20，揚(yáng)程為20 m.見表2.

表2 泵的計(jì)算參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)過程中采用預(yù)處理-曝氣-反洗復(fù)合工藝減緩膜污染，當(dāng)過濾膜被污染發(fā)生阻塞后，壓力傳感器觸發(fā)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化學(xué)清洗。其中各個(gè)分析項(xiàng)目俊才用國家標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，例氮檢測應(yīng)用鈉式分光光度法、PH采用PH儀等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

船用污水脫氮裝置基于多級環(huán)流氣升式MBR膜生物，常規(guī)分析項(xiàng)目包括COD、BOD5、溶解氧、Mlss、氨氮、PH、鹽度、污泥沉降比等，這些項(xiàng)目均采用國家標(biāo)準(zhǔn)檢測方法試驗(yàn)，船用污水的具體水質(zhì)如表3所示。通過表3可知，當(dāng)前水質(zhì)偏酸性，且氮含量較高，因此要加強(qiáng)對廢水中氮元素的處理，污水在同故宮脫氮裝置后基本可以實(shí)現(xiàn)污染物質(zhì)的處理，達(dá)到污水排出要求，提高了水質(zhì)的凈化功能。

表3 廢水水質(zhì)

3.1 污水處理運(yùn)行參數(shù)

在試驗(yàn)期間，水溫設(shè)置為17℃左右，PH值設(shè)置為7-8左右，污水中溶解氧為0.8-2.3 mg/L，出水流量為230 L/h.MBR處理有機(jī)物主要通過兩個(gè)方面去除膜生物反應(yīng)器中的微生物，一方面通過菌類的代謝溶解污水中的有機(jī)物，另一方面通過膜反應(yīng)裝置對大有機(jī)物進(jìn)行截留，通過增大有機(jī)物與菌類之間的接觸面積，增大有機(jī)物的代謝速度。這就可以實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的微生物群落處理機(jī)制，提高了對膜反應(yīng)裝置的處理質(zhì)量以及效果。

出水處理則可以加強(qiáng)對脫氮裝置的容量設(shè)計(jì)，當(dāng)水箱設(shè)計(jì)過小則會影響到出水的效果，過大則會占用大量的船體面積，因此這就需要控制水流量的設(shè)計(jì)。

3.2 不同曝氣時(shí)間下SBR脫氮效果

如下表所示為通過改變不同的曝氣時(shí)間，觀察膜反應(yīng)裝置的脫氮效果。如表4所示曝氣時(shí)間1h后污水中的污染物就降低到一定的程度了，考慮到實(shí)際試驗(yàn)中的各種誤差，因此在實(shí)際工程中采用1.5 h的曝氣時(shí)間，達(dá)到較好的去除污染物的效果，并提高了凈水的效果。

表4 SBR脫氮效果表

4 結(jié)論

隨著海洋資源的不斷開采，海洋污染問題也越來越嚴(yán)重，海洋污染問題成為全世界關(guān)注的重點(diǎn)問題。船舶是海洋資源的重要運(yùn)輸工具，全球大約80%的資源運(yùn)輸通過船舶進(jìn)行，船舶的污水排放對于對海洋造成了不同程度的污染和生態(tài)破壞，其中船舶生活污水中含氮元素眾多，這些氮元素對于海洋具有十分重要的危害作用，通過對MBR生物膜在船舶污水處理中的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究與推廣應(yīng)用，將有助于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和水資源的循環(huán)利用。