膜法水處理方法在水環(huán)境治理中的應(yīng)用

摘 要：由于污水治理難度增加，因此對水環(huán)境治理方法提出了更高的要求。膜法水因運(yùn)行管理簡單、占地面積小以及出水質(zhì)量高等特點(diǎn)，逐漸成為解決水環(huán)境問題的主要方式。本文對污水處理廠初沉池出水，家庭廢水進(jìn)行試驗(yàn)，對膜法水的處理效果進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，膜法水處理方法對總磷、COD、總氮、NH3-N等指標(biāo)具有明顯的改善效果，值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境治理；膜法水處理；廢水試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：X 52" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，我國水資源匱乏，人均水資源占有量為2200m3，在全國約600座城市中，超過400座城市處于缺水狀態(tài)。我國水污染問題也比較突出，廢水的回收率較低，根據(jù)數(shù)據(jù)，在全國700多條河道中，只有32.2%的斷面滿足飲用水水質(zhì)，受污染影響不能飲用的斷面比例達(dá)到67.8%。在水資源匱乏與水體污染共存的背景下，須引入膜法水處理方法，對水環(huán)境進(jìn)行治理[1]。

1 膜法水處理方法的特性分類

膜法水處理是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的新興技術(shù)，無論是人工合成膜還是天然膜，均具有一定的選擇通過性。其中，膜分離是利用電場作用，對兩組或多組分溶劑進(jìn)行富集、純化、分級(jí)以及分離的一種新方法[2]。目前，廣泛使用的膜組件包括圓管式、平板式、螺旋卷式、毛細(xì)管式以及中空纖維式[3]。

2 水環(huán)境治理領(lǐng)域引入膜法水處理方法的技術(shù)原理

2.1 曝氣膜-生物反應(yīng)器

該技術(shù)是由Cote. P首次提出的一種新型的膜技術(shù)，是利用具有高透過性的致密膜和疏水膜，通過平板或空心纖維組合，在保證氣相分壓小于氣泡點(diǎn)的條件下，達(dá)到無氣泡充氣的目的[4]。這種方法具有氧氣傳遞效果好、接觸時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)受到常規(guī)曝氣過程中停留時(shí)間、氣泡尺寸等因素的影響[5]。

2.2 萃取膜-生物反應(yīng)器

萃取膜-生物反應(yīng)器（EMBR）是一種新型的高效分離技術(shù)，由于pH較高，或含有生物毒性物質(zhì)，因此，不宜采用與微生物直接接觸的方法來處理。在含有易揮發(fā)的危險(xiǎn)材料的廢水中，如果使用常規(guī)好氧生化工藝，那么污染物極易隨著曝氣氣體的揮發(fā)而產(chǎn)生逸出現(xiàn)象，從而導(dǎo)致處理效果不穩(wěn)定和空氣污染問題[6]。

3 水環(huán)境治理領(lǐng)域引入膜法水處理方法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 主要裝置

本裝置主要由預(yù)處理池、膜組件、MBR反應(yīng)器、水箱以及缺氧池組成。

3.1.1 水箱

初沉池出水，通過0.6mm的機(jī)械格柵，由潛水泵抽取后再送入水池。在所述儲(chǔ)槽的底部設(shè)置一臺(tái)潛泵，將原水從缺氧槽中抬起，潛泵按照缺氧槽內(nèi)的水位自動(dòng)打開，上部設(shè)有泄水孔，將過多的原水排放出去。水箱規(guī)格為1200mm×1400mm×1400mm。

3.1.2 缺氧池

在低氧條件下，反硝化細(xì)菌將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)變成N2O或N2排放，具有一定的反硝化功能。部分有機(jī)質(zhì)在酸性條件下會(huì)發(fā)生水解，利于好氧微生物降解。在缺氧罐上面安裝一臺(tái)電動(dòng)攪拌器，保證充分混合，并與微生物、基質(zhì)充分接觸。缺氧池規(guī)格為5000mm×800mm×1200mm，有效容積為2.8m3。

3.1.3 預(yù)處理池

在厭氧池的后面增加一個(gè)預(yù)處理池，并配有鼓風(fēng)機(jī)，在MBR中溶解氧含量較低的情況下，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，以達(dá)到預(yù)曝氣的目的?；旌弦簭牡脱醭刈粤髦燎疤幚沓兀ㄟ^閥調(diào)節(jié)開啟程度。在膜生物反應(yīng)器的底部設(shè)置一臺(tái)循環(huán)泵，將混合液送入膜生物反應(yīng)器內(nèi)，每10min運(yùn)行一次，每次運(yùn)行10min。預(yù)處理池規(guī)格為5000mm×800mm×1200mm，有效容積2.8m3。

3.1.4 MBR反應(yīng)器

在MBR反應(yīng)器底部設(shè)置一根內(nèi)徑13mm的穿孔板，其孔間距為30mm，孔徑為5mm。MBR反應(yīng)器采用雙層膜結(jié)構(gòu)，上部設(shè)有溢流管，將部分混合液回流到低氧槽內(nèi)進(jìn)行脫氮處理。MBR反應(yīng)器規(guī)格為5000mm×1200mm×1200mm，有效容積為5m3。

3.1.5 膜組件

使用H3-510型膜片，單片面積490mm×1000mm。

3.2 試驗(yàn)原水

試驗(yàn)原水為某污水處理廠初沉池出水，以家庭廢水為主要成分，并含有部分工廠廢水、餐飲廢水，是具有代表性的城市廢水[7]。

3.3 分析項(xiàng)目與方法

COD項(xiàng)目主要采用回流法，NH3-N項(xiàng)目主要采用酚二磺酸分光光度法，總磷項(xiàng)目主要采用紫外分光光度法，總氮項(xiàng)目主要采用分光光度計(jì)等。

3.4 試驗(yàn)主要內(nèi)容

考察膜法水處理方法對廢水中總磷、COD、總氮、NH3-N以及濁度等指標(biāo)的治理成效。對經(jīng)膜法水處理方法后的出水進(jìn)行檢驗(yàn)，分析水質(zhì)是否滿足《城市污水再生利用―城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920—2020）標(biāo)準(zhǔn)。

4 水環(huán)境治理領(lǐng)域引入膜法水處理方法的污染物去除效果

4.1 COD

對進(jìn)水、出水及反應(yīng)器上層清液進(jìn)行定期檢測，以4000r/min的速度離心15min，采用定性濾紙過濾。這種工藝中的入水、出水及反應(yīng)器上層的COD值隨時(shí)間的變化情況如圖1所示。

從圖1得出以下結(jié)論。1）啟動(dòng)速度快。該技術(shù)從入泥至完成只有9d。2）COD去除率高。MLSS（5g/L～13g/L）較高，能有效地脫除入水中的有機(jī)物，確保COD去除效率維持在較高水平。3）當(dāng)每次啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，微生物未完全發(fā)育，MLSS低于6g/L，因此，該過程對COD的脫除效率低于90%，在此期間，由于微生物有增殖與馴化作用，因此COD的去除效果逐漸提高，在穩(wěn)定狀態(tài)下均在90%以上。4）COD變化值為7mg/L～39mg/L，平均值為20mg/L，若不考慮啟動(dòng)階段的因素，則運(yùn)行期間COD去除率約為95%。

膜法水處理方法去除有機(jī)污染物，主要由膜截留、活性污泥兩部分作用組成[8]。其中，活性污泥是COD的主要降解途徑，其處理效果可達(dá)60%，其主要原因是微生物停留時(shí)間長、濃度高。同時(shí)，利用膜對溶解性微生物代謝物（SMP）等有機(jī)物的高效滯留作用，可有效解決生化過程中的不穩(wěn)定問題，保證出水質(zhì)量。

4.2 NH3-N

圖2為NH3-N的去除效果。由于亞硝化菌和硝化菌的傳代周期比較長，因此初期對氨氮的去除效果并不理想。但在本次試驗(yàn)中，該過程始終保持良好的處理效果，這可能與初始投料污泥中的硝化菌數(shù)量大以及監(jiān)測時(shí)已馴化7d有關(guān)。氨氮平均去除率平均達(dá)到98%。出水氨態(tài)氮為0mg/L～1.3mg/L，平均值0.5mg/L。

4.3 總氮

圖3為TN的去除效果。污泥中的污泥濃度偏低，不利于厭氧的形成，污泥的厭氧微生物數(shù)量會(huì)降低，因此在初始階段，總氮的去除率約為40%～80%。120d后，由于污水中的懸浮物含量從4000mg/L增至6000mg/L～

10000mg/L，由于厭氧反應(yīng)器內(nèi)微生物數(shù)量持續(xù)增加，因此使厭氧條件逐漸變好，同時(shí)反應(yīng)器內(nèi)污泥齡較長，總氮的去除率逐漸穩(wěn)定，去除率也有了很大提高（平均為74%），而出水中總氮逐漸降至20mg/L以下。運(yùn)行195d后，設(shè)備失靈，活性污泥大量排出，導(dǎo)致MLSS重新降至6000mg/L以下，該過程全氮的去除率呈下降趨勢。出水總氮在237d后再次趨于平穩(wěn)。

4.4 總磷

圖4為TP的去除效果。在初始階段，總磷去除率因過程的不穩(wěn)定而出現(xiàn)明顯起伏。TP的脫除率為30%～80%，在穩(wěn)定運(yùn)行條件下，該工藝的TP去除率基本穩(wěn)定。生物除磷是指聚磷菌從外界大量吸收磷，并以聚合狀態(tài)貯存于體內(nèi)，形成高磷污泥，高效去除磷。因此，采用低泥齡工藝，能有效去除大量的殘余污泥，從而達(dá)到良好的除磷效果。然而，在MBR中，污泥泥齡大，對生物除磷不利，但采用缺氧-好氧模式的MBR系統(tǒng)除磷效率很高，體現(xiàn)了MBR中聚磷菌對磷的作用。

4.5 工藝出水與回用標(biāo)準(zhǔn)比較

工藝出水基本與《城市污水再生利用―城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920—2020）標(biāo)準(zhǔn)相符，見表1。

4.6 試驗(yàn)小結(jié)

膜法水處理方法效果良好，出水質(zhì)量穩(wěn)定，出水COD，NH3-N，SS，細(xì)菌等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到《城市污水再生利用―城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920—2020）標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)。

由于污泥齡較長，有利于難降解的有機(jī)降解細(xì)菌繁殖與富集，該試驗(yàn)不僅能有效地處理一般污染物，還能有效去除難降解的揮發(fā)性酚類、LAS、石油以及氰化物和重金屬等。

在不同條件下，厭氧-好氧兩種模式可起到一定的除磷效果。

4.7 建議

建議系統(tǒng)性分析膜法水處理方法中發(fā)生的同步硝化-反硝化，并對F/M、C/N以及DO等對同步硝化-反硝化性能的影響進(jìn)行總結(jié)，便于提高脫氮效果，進(jìn)一步降低運(yùn)行成本。

建議在膜池內(nèi)投加混凝劑，以此強(qiáng)化除磷效果，并通過觀察分析，判斷對微生物的影響，并對下一步的試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

建議進(jìn)一步研究減緩膜污染方法，避免因膜污染導(dǎo)致水處理效果降低的問題，方法包括研制新型膜材料；對膜結(jié)構(gòu)與組成進(jìn)行優(yōu)化（開發(fā)膜-生物反應(yīng)器聯(lián)用技術(shù)等）；調(diào)控水動(dòng)力條件（亞臨界流量調(diào)控、氣-水兩相流以及非穩(wěn)定流操作技術(shù)等）；采用超聲法、臭氧氧化法以及反沖洗法等，對膜污染進(jìn)行強(qiáng)行去除；可在膜法水處理前增設(shè)過濾、沉淀的環(huán)節(jié)，并定期對膜進(jìn)行維護(hù)、清洗。

建議降低能耗，較高的膜法水處理技術(shù)能耗不符合“雙碳”要求，其主要原因在于水處理過程需要提高壓力，通過高滲透壓差實(shí)現(xiàn)膜法水處理，因此，可以在這方面減低能耗，例如選擇低壓膜、高通量膜以及節(jié)能膜等技術(shù)。

5 結(jié)論

膜法水處理方法作為一種低成本、對環(huán)境友好、高效便捷的水處理新方法，在水環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，并將在今后的發(fā)展中逐漸完善，為保護(hù)生態(tài)、改善生活環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

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