厭氧反應器與好氧MBR組合工藝處理毛紡印染廢水試驗研究（圖）
本文介紹一種新型的利用生物反應器內(nèi)液位水頭重力驅(qū)動連續(xù)出水的重力出流式膜生物反應器。在保留MBR處理效率高等優(yōu)點的同時，省去傳統(tǒng)一體式MBR出水抽吸泵及復雜的反沖洗設(shè)備。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，投資少，操作簡便。選擇合適的曝氣量有助于提高膜通量，且可降低膜阻力的上升速率，有利于膜污染的控制。
膜生物反應器(MembraneBioreator，MBR)是近年來國內(nèi)外研究與應用發(fā)展比較迅速的一種廢水處理新技術(shù)，國內(nèi)外已有膜生物反應器處理毛紡印染廢水的研究，但較高的基建與處理費用阻礙了其進一步的發(fā)展和實際應用。因此，降低MBR系統(tǒng)的復雜性，克服膜的污染與堵塞，提高膜通量是能否將MBR盡快投入實際應用的關(guān)鍵。針對毛紡印染廢水的特點與MBR存在的問題，本研究采用生物膜厭氧反應器和膜生物反應器組合工藝對毛紡印染廢水進行了試驗研究，并開發(fā)出一種新型低能耗的膜生物反應器)))重力出流式膜生物反應器。它是利用生物反應器內(nèi)液位水頭的重力驅(qū)動連續(xù)出水，省去傳統(tǒng)的出水抽吸泵及復雜的氣或水反沖洗設(shè)備，既保留傳統(tǒng)一體式MBR的優(yōu)點，又可提高膜通量，降低膜污染。
1 試驗條件與方法
1.1 試驗系統(tǒng)
試驗系統(tǒng)主要由高位水箱、厭氧反應器、好氧反應器、膜組件單元及曝氣單元組成(圖1)。厭氧反應器容積12L，內(nèi)裝填料;重力出流式膜生物反應器的好氧反應器最大容積25L，曝氣量012~016m3/h，膜單元采用中空纖維微濾膜，材料為聚偏氟乙烯(PVDF)，孔徑為0122Lm，總面積0118m2。試驗系統(tǒng)的厭氧反應器主要作用是通過水解酸化，破壞染料等有機物的分子結(jié)構(gòu)，以利在后續(xù)好氧條件下進一步降解，達到最終去除的目的。本試驗系統(tǒng)處理毛紡印染廢水運行133d，分2個階段進行:第1階段為系統(tǒng)運行初期的前15d，厭氧反應器未啟動，只對毛紡印染廢水進行好氧處理;第2階段從第16天開始連接并啟動厭氧反應器(厭氧HRT在215~5h)，進行完整的厭氧2好氧MBR處理過程。
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1.2 廢水水質(zhì)及運行參數(shù)
本試驗廢水取自北京某毛紡廠污水站經(jīng)過015mm篩板篩濾后的毛紡印染廢水。該廢水組分復雜，含有染料!染化助劑!毛料漂染過程產(chǎn)生的各種污染物。試驗運行期間原廢水的水質(zhì)情況列于表1。
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試驗研究中分析項目主要有pH!溫度!污泥濃度(MLSS)!溶解氧(DO)!COD!色度!濁度等。測定方法均采用相應的國家標準方法。試驗污水處理量(Q)為25~85L/d;好氧反應器的運行參數(shù)詳見表2。除取樣外，MBR系統(tǒng)不額外排泥，如果把取樣所排出的混合液作為排泥計入污泥齡，則實際的污泥齡在200d?50d。
2 結(jié)果與討論
2.1 處理效果與出水水質(zhì)試驗系統(tǒng)對毛紡印染廢水處理效果的平均值列于表3。
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由表3可見，COD的去除率平均達8013%，出水COD平均值為37mg/L。在本試驗運行的同期，毛紡廠廢水處理車間的常規(guī)生物處理工藝對COD去除率平均為42%，由此可見，本系統(tǒng)對COD去除率明顯高于現(xiàn)有廢水處理車間，平均高出3813%。北京市中水水質(zhì)標準及建設(shè)部頒布的生活雜用水水質(zhì)標準(CJ2511289)的COD濃度為50mg/L，本系統(tǒng)在70多d的連續(xù)運行中COD的平均值僅為37mg/L，明顯優(yōu)于該標準。試驗系統(tǒng)的COD進出水濃度變化見圖2。
試驗系統(tǒng)對廢水中BOD5處理效果如圖3所示。本試驗的毛紡印染廢水的生物可降解性能較差，BOD5/COD波動較大，有時小于012，有時又大于015。但試驗系統(tǒng)對BOD5去除率平均達95%。
廢水中染料等有機物組分多為難生物降解物，染料分子一般在好氧條件下很難破壞，色度難以去除。但有些染料分子可以在厭氧條件下通過水解酸化分解為較易被好氧微生物分解的小分子物質(zhì)。因此，系統(tǒng)加入了厭氧處理單元以便提高脫色效果。結(jié)果表明，厭氧生物反應器與好氧膜生物反應器組合工藝有較明顯的脫色效果，出水的色度一般可保持在20倍左右，色度的平均去除率達59%。由于原水中COD濃度較低，因此，在厭氧生物反應器內(nèi)加入填料，采用生物膜法。膜生物反應器對濁度的去除作用明顯，出水的濁度均低于0133NTU，出水濁度十分穩(wěn)定，平均值僅為0124NTU。
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污泥濃度隨運行時間的變化情況如圖4所示。在整個運行的135d內(nèi)沒有排泥，生物反應器內(nèi)污泥的VSS/SS基本無變化，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，VSS/SS保持在0175~0180，說明系統(tǒng)內(nèi)沒有明顯的無機物積累。
2.2 生物反應器中難降解有機物的積累在本試驗運行期間，對MBR上清液中COD濃度(混合液經(jīng)定量濾紙過濾)進行了監(jiān)測。通過上清液COD濃度的變化，可以間接地了解難降解有機物在MBR中的積累狀況。圖5為試驗運行期間MBR上清液中COD的變化過程。從圖5可以看出，系統(tǒng)運行的前20d上清液COD呈明顯的上升趨勢，這可能與系統(tǒng)的運行初期較高的COD污泥負荷有關(guān)。在系統(tǒng)的運行初期，反應器內(nèi)污泥濃度較低，COD污泥負荷達0133~0171kg/(kg#d)。在系統(tǒng)運行的第22d，往MBR中添加部分污泥MLSS780mg#L-1上升到2510mg#L-1，上清液COD恢復到較低值。在系統(tǒng)運行的20~100d，上清液COD隨運行時間的延長呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在第70d上清液COD上升到極大值720mg/L，隨后15d內(nèi)上清液COD急劇下降到130~210mg/L。從系統(tǒng)運行的第100天開始，上清液COD又急劇增加。由此看出，經(jīng)過長期的運行，生物反應器內(nèi)的有機物有一定的積累，表現(xiàn)為上清液COD的升高。這些物質(zhì)很大程度上來自廢水中的難降解有機物和微生物代謝產(chǎn)物及細胞解體產(chǎn)生的大分子產(chǎn)物。
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圖6是進入?yún)捬醴磻鞯拿徲∪緩U水(進水)和厭氧反應器出水(A段出水)中BOD/COD的測試結(jié)果。圖5中所示的系統(tǒng)在70~100d區(qū)段內(nèi)上清液COD的回落現(xiàn)象可能與進入MBR的廢水較好的可降解性能有關(guān)，這一階段的BOD/COD達到0157。在系統(tǒng)運行100d以后上清液COD又呈急劇的上升趨勢，這一階段進入MBR的廢水的降解性能明顯低于70~100d區(qū)段，BOD/COD比值僅為0131。因此MBR處理難降解工業(yè)廢水時，必須控制合適的污泥齡，適當?shù)呐拍嘤兄诮档蜕锓磻髦腥芙庑噪y降解有機物質(zhì)的積累。
但MBR出水COD濃度并不隨反應器中上清液COD濃度的波動有明顯的變化。圖7為采用定量濾紙過濾后的上清液COD!用0145Lm濾膜過濾后的上清液COD與MBR出水COD。從圖7可以看出，微濾膜以及凝膠層在膜表面形成動態(tài)過濾層的分離作用對穩(wěn)定出水水質(zhì)起了重要的作用。
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2.3 系統(tǒng)產(chǎn)水量及操作壓力的變化
膜能否長期穩(wěn)定運行是MBR反應器實際應用中非常關(guān)鍵的問題。許多研究工作表明，系統(tǒng)開始運
行的膜通量影響主體料液中粒子向膜面的運動速度，膜通量越大，粒子在膜面沉積越快，膜的阻力增加幅度也越大，膜通量衰減得也越快[6]。圖8為系統(tǒng)運行過程中膜通量和水頭壓力隨時間變化的情況。為了減輕膜的污染，本試驗采用控制初始膜通量的操作方式，即在系統(tǒng)運行的初期，膜通量從某一較低值4L/(m2#h)開始逐步升高到10L/(m2#h)。同時采取恒壓操作模式，逐步提高膜的操作壓力;在系統(tǒng)運行的前78d，膜的操作壓力為13kPa，膜通量穩(wěn)定在(10?215)L/(m2#h);當膜的操作壓力提高到(1915?115)kPa，膜通量維持在(15?215)L/(m2#h)。這些試驗結(jié)果表明，通過采取合適的操作方式，在省去重力出流或MBR傳統(tǒng)的出水抽吸泵及復雜的反沖洗設(shè)備的條件下，僅依靠生物反應器內(nèi)混合液液位水頭的作用能連續(xù)出水，并獲得較高的膜通量。
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試驗研究期間，在不同的操作壓力下，對重力出流式膜生物反應器的膜通量及曝氣量的變化進行了考察，試驗結(jié)果如圖9所示。由圖9中的試驗結(jié)果可知，增加曝氣量，膜通量相應增加;并且隨著液位水頭壓力的增大，曝氣強度對膜通量的影響增加。本研究運行的結(jié)果還表明，提高曝氣量不僅有助于提高膜通量，而且有利于長期運行膜污染的控制，降低膜阻力的上升速率。
3 結(jié)論
(1)采用重力出流式膜生物反應器處理毛紡印染廢水是可行的，能有效地去除廢水中的有機污染物!色度和濁度，出水水質(zhì)優(yōu)于常規(guī)生物處理技術(shù)。
(2)膜生物反應器中難降解有機物呈明顯的積累狀況，但出水COD濃度未受影響，微濾膜以及凝膠層在膜表面形成動態(tài)過濾層的分離作用對穩(wěn)定出水水質(zhì)起了重要的作用。
(3)重力出流式膜生物反應器省去了傳統(tǒng)的出水抽吸泵及復雜的反沖洗設(shè)備，在生物反應器內(nèi)混合液液位水頭的作用下可連續(xù)出水，膜通量較高。在同等處理能力下，較常規(guī)一體式膜生物反應器可節(jié)省膜組件的一次性投資及運行折舊費用。試驗裝置結(jié)構(gòu)緊湊，投資少，操作簡便。
(4)提高曝氣量不僅有助于提高膜通量，而且有利長期運行膜污染的控制，降低膜阻力的上升速率。膜組件上部的液位水頭壓力越大，曝氣強度對膜通量的貢獻越大。
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