生物膜法組合工藝處理高濃度生物質(zhì)廢水的試驗研究

應(yīng)云飛， 朱衛(wèi)兵， 江桂紅， 馬建鋒， 許 淮

（1.維爾利環(huán)?？萍技瘓F股份有限公司， 江蘇 常州 213125；2.常州大學(xué)， 江蘇 常州 213002）

0 引言

某園區(qū)生產(chǎn)運營過程中熱力資源電廠、 生物質(zhì)綜合處理廠和污泥處理廠等產(chǎn)生的廢水需集中處理， 其中高濃度污水主要來自熱力電廠垃圾坑的滲瀝液和生物質(zhì)綜合處理廠經(jīng)厭氧后的高濃度沼液[1]。該廢水有機物和氨氮濃度較高， 其性質(zhì)與垃圾滲濾液相似[2]，屬于高濃度難降解的有機生物質(zhì)廢水[3]。

高濃度生物質(zhì)廢水常見處理方法有生物法、物化法和生物膜法組合技術(shù)等幾種。生物法是廢水處理中最常用的一種方法， 由于其運行費用相對較低、處理效率高，污染物有效去除，二次污染少[4]，具體的工藝形式有厭氧生物處理和好氧生物處理[5]。 物化法包括絮凝沉淀、活性炭吸附、膜分離和化學(xué)氧化法等[6]。物化法是垃圾滲濾液處理的重要單元， 較少單獨使用，且運行成本高，一般有二次污染物產(chǎn)生。 生物膜法組合膜生化反應(yīng)器（MBR）技術(shù)采用超濾取代傳統(tǒng)的二沉池[7]，通過超濾膜的截留作用將微生物完全截留在生化系統(tǒng)中， 實現(xiàn)水力停留時間和污泥齡的完全分離，使生化反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度提高，從而提升反應(yīng)器的容積負荷，使反應(yīng)器容積減小，使污泥泥齡得到大幅延長。

本研究擬通過膜法組合工藝對此類廢水進行處理，驗證COD 出水是否達到GB16889—2008《生活垃圾填埋污染控制標準》中的表2 限值，通過試驗探討工藝技術(shù)參數(shù)， 為后續(xù)工程項目的實施提供設(shè)計依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 原水水質(zhì)

本次實驗以某生物質(zhì)廢水處理廠混合廢水為研究對象，其水質(zhì)為：ρ（COD）為35 000 ～55 000 mg/L，ρ（BOD5）為15 000 ～35 000 mg/L，ρ（NH3-N）為800 ～1 500 mg/L，ρ（TN）為1 000 ～2 500 mg/L，pH 值在5.5～7.5 之間。 水質(zhì)渾濁，呈弱酸性，黃褐色，有惡臭。

1.2 試驗裝置和流程

試驗裝置工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程示意

試驗裝置包括上流式污泥床厭氧反應(yīng)器（UBF）、外置式膜生物反應(yīng)器（MBR）和反滲透（RO）3 個單元。

（1）上流式污泥床厭氧反應(yīng)器（UBF）:UBF 反應(yīng)塔圓柱尺寸為Φ2 400 mm×6 800 mm， 有效容積為27 m3。 反應(yīng)器下部有上流式污泥床，中部填料床，中上部澄清區(qū)，頂部沼氣室。內(nèi)置采用軟性帶狀高分子材質(zhì)聚乙烯（PE）生物膜條填料，填料高度為3 m；COD 容積負荷為8.0 kg/（m3·d），溫度為35℃，表面負荷為0.06 m3/（m2·h），沼氣產(chǎn)率為0.42 m3/kg。 進水泵流量為1.0 m3/h，功率為0.37 kW；外部配備循環(huán)泵流量3.0 m3/h，功率為0.55 kW；頂部配備沼氣氣體收集的水封和管道。

（2）外置式膜生物反應(yīng)器（MBR）：緩沖水池有效容積為3 m3，內(nèi)置穿孔曝氣管；提升泵流量為1.0 m3/h，功率為0.37 kW；風(fēng)機風(fēng)量為6 m3/min，功率為7.5 kW；缺氧池圓柱尺寸為Φ400 mm×1 500 mm， 有效容積為150 L，內(nèi)置攪拌器；好氧池圓柱尺寸為Φ600 mm×1 500 mm， 有效容積為400 L； 超濾輸送泵流量為12.0 m3/h,功率為1.5 kW，臥式離心泵；超濾采用圓柱尺寸為Φ100 × 1 200 mm 有機管式膜組件， 材質(zhì)PVDF，膜面積為6.4 m2，3 支串聯(lián)。

（3）反滲透（RO）:超濾清液罐有效容積為3 m3；反滲透裝置為成套設(shè)備， 處理規(guī)模為進水1.0 m3/h，65%的系統(tǒng)回收率。 配備聚酰胺材質(zhì)的膜元件和相應(yīng)的耐壓膜殼及水泵， 其中進水泵流量為1.0 m3/h，功率為0.37 kW；增壓水泵流量為1.0 m3/h，功率為1.5 kW，揚程為180 m；循環(huán)水泵流量為3.0 m3/h，功率為0.55 kW。

實驗流程如下：

（1）UBF 調(diào)試：取附近城市污水處理廠厭氧污泥作為生物接種菌源，投入廢水儲池中加水溶解，通過進水泵打入UBF 反應(yīng)塔中，啟動外置循環(huán)泵實施UBF 的內(nèi)部循環(huán)，當UBF 反應(yīng)塔池液位高度為6 m時，改厭氧污泥水為生物質(zhì)廢水，按10 ～15 m3/d 的水量進水，并測試頂部是否有氣體產(chǎn)生，待UBF 出水水質(zhì)中主要指標如COD 有下降趨勢，則將水量提升至20 m3/d， 并逐漸觀測沼氣產(chǎn)生的連續(xù)性和穩(wěn)定性，完成接種厭氧調(diào)試工作[8]。 該過程需要3 個月時間。

（2）MBR 接種：在厭氧調(diào)試接近2 個月后開始進行好氧接種調(diào)試， 取附近城市污水處理廠硝化活性污泥作為生物接種菌源。 取硝化池容積5%～10%的硝化活性污泥， 粗濾后通過生化反應(yīng)器布水系統(tǒng)加入好氧池，通過曝氣進行生物接種，啟動超濾輸送泵回流至缺氧池，再自流至好氧池形成內(nèi)部循環(huán)。在2 周內(nèi)根據(jù)好氧池溶解氧情況和原水水質(zhì)， 適當提升厭氧后的廢水處理量。pH 值控制在7 ～8 左右；通過調(diào)節(jié)供氣量大小維持ρ（DO）在3 ～4 mg/L；每班測定各段其COD、污泥濃度、pH 值、溶解氧、水溫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整進水量、曝氣強度。 該過程需要1 個月時間。

（3）RO 調(diào)試及全流程運行：RO 調(diào)試屬于機械式檢查，主要用清水測試水泵的正反轉(zhuǎn)向和壓力等，防止跑冒滴漏。 當UBF 和MBR 進入正常狀態(tài)，逐步增加進水量到設(shè)計處理能力，啟動RO 裝置，調(diào)整進出水量和操作壓力，測試其出水水質(zhì)數(shù)值。

當UBF 和MBR 其它運行參數(shù)均符合工藝要求，如COD 去除率60%～70%，出水ρ(NH3-N)＜25 mg/L 時，可轉(zhuǎn)入全過程連續(xù)運行。

2 結(jié)果與討論

2.1 UBF 對COD 的去除效果

UBF 厭氧反應(yīng)器內(nèi)部以高分子材質(zhì)軟性填料為流化載體，高濃度廢水作為流水介質(zhì)，厭氧微生物以生物膜形式依附于軟性填料表面， 在循環(huán)泵作用下反應(yīng)器中下段集水，將廢水吸入至中上部布水，形成較高速的下向流，廢水在填料生物區(qū)，和長滿生物膜的微生物區(qū)充分混合并不斷循環(huán)。 反應(yīng)器中部空間所架設(shè)的填料，微生物在其表面生長，且在其空隙中截留懸浮微生物，由于填料的存在，夾帶污泥的氣泡在上升過程中與之碰撞， 加速了污泥與氣泡的分離，從而降低了污泥的流失，有效實現(xiàn)高濃度有機物的降解[9]。 UBF 厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)對COD 的處理效果見圖2。

圖2 UBF 對COD 的去除效果

由圖2 可知，UBF 進水的COD 濃度變化較大，平均質(zhì)量濃度為48 000 mg/L，厭氧生化處理系統(tǒng)剛開始對COD 的處理效果不明顯，隨著厭氧菌種對水質(zhì)的適應(yīng)，去除能力逐步提升，出水COD 變化相對較小，在60 d 后漸漸運行達到穩(wěn)定階段并控制在12 000 mg/L 以下。在3 個月的調(diào)試期間，平均去除率為68.9%，最高去除率可達到78.8%。

2.2 MBR 對COD 去除效果

MBR 由缺氧池、好氧池和超濾膜組件3 部分組成， 大量的活性微生物在好氧池內(nèi)與廢水中的可降解有機物充分接觸， 通過氧化分解作用進行新陳代謝以維持自身生長、繁殖，同時使有機物降解[10]。 好氧池中實現(xiàn)NH3-N 轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮的過程，包括2個步驟：由亞硝酸菌參與的NH3-N 轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的反應(yīng)； 由硝酸鹽菌參與的亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的反應(yīng)。 缺氧池中實現(xiàn)將產(chǎn)生的硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成N2的步驟。超濾膜組件通過機械截留篩分等廢水和污泥混合液進行固液分離。 大分子物質(zhì)等被濃縮后返回缺氧池中再自流入好氧池， 從而避免了微生物的流失。 MBR 對COD 的處理效果見圖3。

圖3 MBR 對COD 的去除效果

由圖3 可知，MBR 對COD 的去除效果明顯，運行60 d 后超濾出水COD 質(zhì)量濃度可控制在1 200 mg/L 左右，平均去除率為84.2%，最高去除率達到89.3%。

生物處理系統(tǒng)和膜分離組件的有機結(jié)合， 不僅提高了系統(tǒng)的出水水質(zhì)和運行的穩(wěn)定程度， 還延長了難降解大分子物質(zhì)在生物反應(yīng)器中的水力停留時間，加強了系統(tǒng)對難降解物質(zhì)的去除效果。

2.3 RO 對COD 的去除效果

反滲透膜分離的基本特點是以壓力差為推動力，傳質(zhì)機理一般認為溶劑的擴散傳遞，透過膜的物質(zhì)是水溶劑，截留物質(zhì)為溶質(zhì)、鹽、懸浮物和大分子及離子等[11]。 在生物膜法組合工藝穩(wěn)定運行的過程中， 高濃度生物質(zhì)廢水經(jīng)UBF 及MBR 生化處理后COD 質(zhì)量濃度在1 000 mg/L 左右， 超濾出水注入RO 系統(tǒng)后， 出水COD 質(zhì)量濃度低于50 mg/L，BOD質(zhì)量濃度下降至4 mg/L 以下，TN 質(zhì)量濃度降至0 ～5 mg/L，TSS 出水質(zhì)量濃度為0 ～10 mg/L，系統(tǒng)可穩(wěn)定運行，大部分水質(zhì)指標低于檢測極限，水質(zhì)可達回用水標準。 RO 系統(tǒng)對COD 的處理效果見圖4。

由圖4 可知，RO 出水COD 質(zhì)量濃度在60 d 后可控制在50 mg/L 以下， 最低質(zhì)量濃度為38 mg/L，RO 系統(tǒng)平均去除率為93.9%。

3 結(jié)論

（1）UBF 對高濃度生物質(zhì)廢水有較好的去除效果， 進水質(zhì)量濃度在48 000 mg/L 時，60 d 可控制在12 000 mg/L 以下，平均去除率為68.9%，最高去除率可達到78.8%。

（2） 由缺氧池、 好氧池和超濾膜組件組成的MBR 系統(tǒng)對UBF 出水中COD 的去除效果明顯，在60 d 可控制在1 200 mg/L 以下平均去除率為84.2%，最高去除率達到89.3%。

（3）通過RO 系統(tǒng)出水COD 質(zhì)量濃度在60 d 后可控制在50 mg/L 以下， 最低質(zhì)量濃度為38 mg/L，RO 系統(tǒng)平均去除率為93.9%。

（4）生物膜法組合工藝可有效的分階段處理高濃度生物質(zhì)廢水。借鑒成熟的垃圾滲濾液處理工藝，結(jié)合具體水質(zhì)，也可處理達標排放。