平板陶瓷膜MBR技術(shù)處理工業(yè)園區(qū)綜合廢水的應(yīng)用試驗(yàn)

黃付平 覃霞 黃智寧 秦玉蘭 覃岳隆 代晉國(guó)

【關(guān)鍵詞】平板陶瓷膜;MBR;工業(yè)園區(qū);綜合廢水

【中圖分類(lèi)號(hào)】X703 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）05-0074-03

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，一大批經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)等各種形式的工業(yè)園區(qū)在全國(guó)各地建成[1]。據(jù)調(diào)查，我國(guó)工業(yè)園區(qū)的污水排放量占全國(guó)污水排放量的45%左右[2]，工業(yè)園區(qū)內(nèi)的污水來(lái)源包括園區(qū)內(nèi)各類(lèi)工業(yè)廢水和生活污水，由于園區(qū)內(nèi)企業(yè)眾多，排放的廢水水量、水質(zhì)變化大，導(dǎo)致工業(yè)園區(qū)綜合廢水存在成分復(fù)雜、含難降解有機(jī)物種類(lèi)多、生物毒性強(qiáng)、可生化性差、處理難度大等問(wèn)題[3]。工業(yè)園區(qū)綜合廢水處理目前采用的工藝主要有A2O、氧化溝、膜生物反應(yīng)器（MBR）等活性污泥法[4]，其中MBR是一種將生物處理技術(shù)和膜分離技術(shù)相結(jié)合的一項(xiàng)新技術(shù)，具有適用性強(qiáng)、選擇性好、排泥量小、生化效率高、耐負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[5]。MBR工藝的核心是膜組件，其中以有機(jī)膜應(yīng)用最廣泛[6]，本研究采用的是由Al2O3為主要原料制成的納米平板陶瓷膜，相比于有機(jī)膜具有適用范圍廣、壽命較長(zhǎng)、膜通量高、機(jī)械強(qiáng)度高、可以承受高溫和強(qiáng)酸的處理?xiàng)l件等優(yōu)點(diǎn)，將納米平板陶瓷膜應(yīng)用在MBR處理技術(shù)上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)膜，為MBR中膜分離技術(shù)提供新技術(shù)[7]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本研究采用單套浸沒(méi)式MBR，內(nèi)置陶瓷平板膜組件。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

反應(yīng)器的有效容積為100 L。原水經(jīng)蠕動(dòng)泵提升至反應(yīng)器中，反應(yīng)器的水位通過(guò)液位計(jì)和時(shí)控器保持恒定。由時(shí)控器控制出水流量和抽停時(shí)間。跨膜壓差由真空表測(cè)出。陶瓷膜組件下方設(shè)有曝氣條，通過(guò)氣泵和曝氣條對(duì)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行曝氣，由流量計(jì)控制曝氣量。

膜組件：采用的是納米平板陶瓷膜（簡(jiǎn)稱(chēng)平板陶瓷膜），其板面密布微孔，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，膜為過(guò)濾介質(zhì)，在一定壓力下，實(shí)現(xiàn)大分子和小分子物質(zhì)分流。膜組件由20塊膜面積為0.01 m2的模塊組成，膜組件總面積為0.2 m2。平板陶瓷膜與有機(jī)膜的性能對(duì)比見(jiàn)表1。MBR實(shí)驗(yàn)裝置的基本參數(shù)見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水取自某工業(yè)園區(qū)污水處理廠污水，該工業(yè)園區(qū)綜合廢水主要由食品加工廢水、化工廢水、紡織廢水及園區(qū)職工生活污水等組成，原水主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

1.3 運(yùn)行條件

接種污泥取自某污水處理廠，馴化培養(yǎng)至污泥濃度穩(wěn)定，污泥濃度保持在6 000～15 000 mg/L，連續(xù)運(yùn)行1個(gè)月，分別在運(yùn)行5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d進(jìn)行采樣檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)的初始條件取膜通量為50 L/m2·h，曝氣量為25 L/h，平板陶瓷膜的工作方式為抽吸9 min，停抽1 min，水力停留時(shí)間控制在5～6 h，間歇出水，整個(gè)反應(yīng)器處于好氧狀態(tài)，DO保持在2 mg/L左右。

1.4 膜組件清洗方法研究

平板陶瓷膜污染清洗劑的選擇研究，分別采用NaOH、H2O2及NaClO進(jìn)行清洗，清洗過(guò)程中采用清洗劑浸泡10 h，采用相同操作壓力（10 kPa）測(cè)定其清水通量，并與新膜的膜通量對(duì)比，判斷膜片通量恢復(fù)情況，從而確定最佳清洗劑。

1.5 分析項(xiàng)目及方法

試驗(yàn)分析項(xiàng)目主要有COD、NH3-N、濁度、操作壓力和出水體積，分析方法COD采用重鉻酸鉀法，NH3-N采用鈉氏比色法，濁度采用分光光度法，操作壓力采用真空表測(cè)定，出水體積采用量筒測(cè)量。

膜通量J的計(jì)算公式：

J=V/（T×A）

上式中：J為膜通量（L/m2·h）;V為取樣體積（L）;T為取樣時(shí)間（h）;A為膜有效面積（m2）。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效果

2.1.1 COD去除情況

MBR反應(yīng)器運(yùn)行期間進(jìn)水、上清液、出水COD的變化情況和COD去除率如圖2所示?？芍琈BR反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的去除較穩(wěn)定，COD平均去除率達(dá)到85%，MBR進(jìn)水COD濃度波動(dòng)不大，在250～300 mg/L，上清液隨著進(jìn)水COD波動(dòng)，平均濃度為56.71 mg/L。MBR反應(yīng)器好氧生物活性較好，在第5天時(shí)，COD就由253.67 mg/L降到95.33 mg/L，去除率達(dá)到60%;5～15 d，系統(tǒng)中的微生物逐步適應(yīng)廢水水質(zhì)，COD的去除率逐漸升高，在第15 d時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定期，對(duì)COD的去除率達(dá)到90%，出水COD都在30 mg/L以下，平均值為25.52 mg/L，能夠滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）[8]中水污染物一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)B標(biāo)準(zhǔn)排放限值（COD≤60 mg/L）?？梢?jiàn)，平板陶瓷膜對(duì)有機(jī)物有明顯的攔截作用，在MBR反應(yīng)器中活性污泥的吸附、生物降解和膜本身的截留、吸附作用、反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中膜絲表面形成的沉積層的篩濾的共同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的去除。

2.1.2 氨氮去除情況

MBR進(jìn)水、上清液、出水氨氮的變化情況和氨氮去除率如圖3所示，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行階段（5～15 d），由于硝化菌生長(zhǎng)較慢，出水中的大部分氮以氨氮的形式存在，隨著硝化菌的生長(zhǎng)和納米平板陶瓷膜對(duì)硝化菌的攔截作用，硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)逐步積累，硝化效果逐步明顯。進(jìn)入第15 d穩(wěn)定期后，MBR對(duì)工業(yè)廢水中的氨氮去除效果良好，去除率達(dá)到92.3%，平均值為0.57 mg/L，且均在5 mg/L以下，低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中水污染物一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)B標(biāo)準(zhǔn)排放限值（氨氮≤8 mg/L）。氨氮是溶解性小分子物質(zhì)，膜對(duì)氨氮的截留作用有限，但由于膜片對(duì)微生物的截留作用，使硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)富集，有效保證了氨氮的去處效果。

2.1.3 濁度去除情況

MBR進(jìn)水、上清液、出水濁度的情況和濁度去除率如圖4所示，在運(yùn)行期間，進(jìn)水濁度較高，在48～90 NTU，出水濁度在1.1 NTU以下，平均值為0.75 NTU，濁度去除率在98%以上。初期，主要由膜的吸附和截留作用去除水中的大分子物質(zhì);后期，膜表面形成多糖和蛋白組成的凝膠層，更有效攔截了大分子物質(zhì)。從出水濁度情況看，平板陶瓷膜具有高效的截留作用。

2.2 膜清洗試驗(yàn)效果

MBR在運(yùn)行過(guò)程中，平板陶瓷膜表面會(huì)形成凝膠層，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)凝膠層逐漸變厚，會(huì)吸附水中的微生物及其產(chǎn)物，形成污染層，導(dǎo)致膜通量變小，跨膜壓差需要增大來(lái)確保出水，為恢復(fù)膜通量，需要定期清洗膜片。新膜在操作壓力為10 KPa時(shí)，其清水膜通量為617 L/m2·h，采用不同濃度的NaOH、H2O2及NaClO作為膜清洗劑對(duì)污染的膜進(jìn)行清洗，膜在這幾類(lèi)不同濃度的清洗劑浸泡10 h后，其膜通量恢復(fù)情況如圖5、圖6所示。膜通量恢復(fù)率隨著NaOH的濃度增加而降低后上升，在0.02 mol/L時(shí)膜通量恢復(fù)率最高為87.40%，膜通量恢復(fù)率隨著H2O2、NaClO的濃度增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在采用0.3% H2O2和0.2%NaClO時(shí)清洗效果最好，膜通量恢復(fù)率分別達(dá)到94.80%和92.20%。H2O2、NaClO比NaOH的清洗效果好，主要是原因是H2O2、NaClO具有氧化性，能夠氧化分解膜表面的濾餅層中大分子物質(zhì)之間的結(jié)合，使膜面濾層脫落。強(qiáng)氧化性對(duì)生活污水中的油脂、蛋白、藻類(lèi)等生物物質(zhì)的去除有很好的效果，是處理由生物污水引起膜污染比較理想的清洗劑。而NaOH則主要去除有機(jī)酸物質(zhì)。

3 結(jié)論

該反應(yīng)器運(yùn)行1個(gè)月內(nèi)，運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)良好，部分指標(biāo)滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中水污染物一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)B標(biāo)準(zhǔn)排放限值。

（1）在抽停比為9∶1，曝氣量為25 L/h，水力停留時(shí)間控制在5～6 h，啟動(dòng)時(shí)間為15 d，工業(yè)園區(qū)綜合廢水經(jīng)平板陶瓷膜MBR技術(shù)處理后出水COD可穩(wěn)定在30 mg/L以下，氨氮穩(wěn)定在1.1 mg/L以下，濁度小于1.1 NTU。

（2）膜清洗試驗(yàn)表明，不同濃度的NaOH、H2O2及NaClO對(duì)膜均有清洗效果，其中0.3% H2O2和0.2% NaClO的膜清洗效果最好，膜通量恢復(fù)率分別達(dá)到94.80%和92.20%。

（3）以Al2O3為基材的平板陶瓷膜應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)綜合廢水處理平均調(diào)試時(shí)間僅為15 d，出水水質(zhì)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級(jí)B標(biāo)要求，對(duì)應(yīng)用MBR工藝處理工業(yè)園區(qū)綜合廢水具有實(shí)際意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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