中空纖維膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于城市住宅小區(qū)生活污水資源化處理的研究

劉建艷

(天津市津南區(qū)環(huán)保監(jiān)測站,天津300350)

1 水資源危機(jī)與污水回用的必要性

我國是一個水資源貧乏的國家,人均水資源僅為世界平均水平的1/4。同時水資源在時間和地區(qū)分布上很不平衡,南方多北方少,北方大部分地區(qū)人均水資源更低。在北方干旱半干旱地區(qū)全年的降水量主要集中在7～9月3個月,這使可利用的水尤其顯得不足;隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市比進(jìn)程的加快,城市缺水問題變得尤為突出。當(dāng)前相當(dāng)部分城市水資源短缺,城市缺水范圍不斷擴(kuò)大,缺水程度日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計,全國669個城市中,400個城市常年供水不足,其中有110個城市嚴(yán)重缺水,日缺水量達(dá)1600萬m3,年缺水量60億m3,由于缺水每年影響工業(yè)產(chǎn)值2000多億元。天津、長春、大連、青島、唐山和煙臺等大中城市已受到水資源短缺的嚴(yán)重威脅。

天津市的引灤人津工程曾為天津的生存和發(fā)展發(fā)揮了巨大作用,但由于連年干旱,灤河潘家口水庫和于橋水庫庫存急劇減少。為了緩解天津市水危機(jī),從2000年開始,已經(jīng)3次從黃河緊急調(diào)水給天津,沿途省市為此付出了很大代價。雖然引黃濟(jì)津暫時解決了水危機(jī),但黃河水也十分緊缺,保證率不高,不是長遠(yuǎn)之計。因此,對于天津這樣的資源性缺水性城市,不但要找水,更重要的是大力發(fā)展回用水技術(shù),節(jié)水技術(shù),使每一滴水更大限度的發(fā)揮作用。

水是自然界中唯一不可替代,也是唯一可再生的資源。在城市生活、生產(chǎn)用水中,約40%的水是與人們生活緊密接觸的,而多達(dá)60%的水使用在工業(yè)用水,農(nóng)業(yè)灌溉,環(huán)衛(wèi)用水和小區(qū)居民雜用水等方面。如將這部分用中水替代,在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上是完全允許的。同時節(jié)約了大量的新鮮水源。將中水引入小區(qū),實(shí)現(xiàn)雙路供水是建設(shè)節(jié)水型城市的重要體現(xiàn)。小區(qū)中自引中廁用水、綠化用水、洗車等方面都可以用中水代替、目前天津市的很多新建生態(tài)小區(qū)項(xiàng)目都有中水回用設(shè)施。將中水管線直接進(jìn)入用戶的馬桶內(nèi)用于沖廁。既避免了居民誤飲誤用,又使得管理收費(fèi)方便易行。

2 居民住宅小區(qū)小水回用現(xiàn)狀及主要處理技術(shù)

一般住宅小區(qū)的污水主要為居民生活用水。包括居民的洗浴廢水、廚房廢水、洗衣廢水以及沖廁用水等。隨著生活水平的提高,洗浴用水量莊住增長較快。使得雜排水水質(zhì)有逐漸變好的趨勢,水質(zhì)可生比性比較強(qiáng),但水量變化較大。因此用簡單的處理方法很難達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)小區(qū)污水回用系統(tǒng)的自身特點(diǎn)和規(guī)律,工程設(shè)計應(yīng)該注意：小區(qū)污水處理設(shè)施的建設(shè)應(yīng)遵循城鎮(zhèn)排水總體規(guī)劃和專項(xiàng)規(guī)劃;處理設(shè)施的占地和污泥產(chǎn)量應(yīng)盡量少。選擇性能穩(wěn)定的設(shè)備,管理維護(hù)應(yīng)簡便易行;處理系統(tǒng)應(yīng)有較強(qiáng)的抗水量、水質(zhì)波動的能力。以適應(yīng)小區(qū)水質(zhì)、水量波動較大的特性。一般均需設(shè)置調(diào)節(jié)池;處理系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到國家有關(guān)惡臭、噪聲等標(biāo)準(zhǔn),不能影響小區(qū)居民的正常生活。結(jié)合目前國內(nèi)外小區(qū)中水回用的實(shí)際情況。目前采用的生化工藝主要有生物接觸氧化法,SBR和膜生物反應(yīng)器工藝等。

2.1 生物接觸氧化法

接觸氧化法是小區(qū)污水處理中較常用的處理技術(shù)。該工藝具有操作簡便、不需回流污泥、抗沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。通過合理設(shè)計可以達(dá)到脫磷除氮的處理效果。整個處理裝置可以埋地設(shè)置。上部仍可覆土、綠化,裝置的開?？梢杂烧{(diào)節(jié)池水位自動控制。但其污泥量相對較大,污泥穩(wěn)定性較差。使后續(xù)污泥處理設(shè)備較復(fù)雜。生物接觸氧化法工藝流程如圖1。

圖1 生物接觸氧化法工藝流程圖

2.2 序批式活性污泥法

序批式活性污泥法(SequencingBatchReactor)簡稱SBR,是近年來國內(nèi)外污水處理領(lǐng)域研究日趨增多并引起廣泛重視的處理技術(shù)。該工藝的基本特點(diǎn)是運(yùn)行時按照進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水、排泥5個工序,依次在一個池子中周期進(jìn)行。因此可以省去二沉池甚至初沉池,而且不需回流污泥,很適合小區(qū)污水處理與其它工藝相比SBR工藝提供了時間程序上的污水處理,而不是連續(xù)流提供的空間程序上的污水處理。即在時間上污染物基質(zhì)具有濃度梯度——與推流式相同。在空間上基質(zhì)濃度完全相同——具有完全混合式的特點(diǎn),也就是說該工藝集中了兩種地型的優(yōu)點(diǎn)同時避免了其固有的缺陷。但是我國目前相關(guān)配套設(shè)備較少,主要依靠進(jìn)口,使得工藝投資較高。序批式活性污泥法工藝流程如圖2。

圖2 序批式活性污泥法工藝流程圖

2.3 膜生物反應(yīng)器

近年來,隨著膜生產(chǎn)技術(shù)的提高和生產(chǎn)成本的降低,膜技術(shù)在污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用,特別是與生物反應(yīng)器相組合的膜生物反應(yīng)器(MembraneBioreactor)已經(jīng)成為目前公認(rèn)的水處理高新技術(shù),MBR綜合了膜處理技術(shù)和生物處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),在緊湊的空間內(nèi)同時實(shí)現(xiàn)微生物對污染物質(zhì)的降解和超濾膜對污染物質(zhì)的分離,而降解與分離之間又存在著協(xié)同作用,是一種高效、實(shí)用的污水處理技術(shù),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中水回用、污水處理、以及各種工業(yè)廢水的處理中。目前全球已有8000多套MBR裝置在正常運(yùn)行,處理規(guī)模在6～13000m3/h。美國2000年用在MBR裝置上的膜組件銷售額達(dá)67.5億美元,年增長速度約為13%,說明這一技術(shù)具有強(qiáng)大的生命力。隨著科技的進(jìn)步,我國對MBR的研究和應(yīng)用正在處于高速發(fā)展時期,隨著膜制造技術(shù)革新的技術(shù)進(jìn)步,膜使用壽命的提高和膜成本的降低,MBR技術(shù)在污水處理與回用事業(yè)中所起的作用越來越大。膜生物反應(yīng)器工藝流程如圖3。

圖3 膜生物反應(yīng)器工藝流程圖

膜生物反應(yīng)器(MBR)是將膜分離技術(shù)和生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一種優(yōu)化的污水處理技術(shù),其主要特點(diǎn)是用膜分離取代二沉池的沉淀分離,由于膜分離可將全部微生物截留在反應(yīng)器。如曝氣池內(nèi),不受二沉池重力分離效果的影響,因此反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度高,泥齡長且根據(jù)需要可人為凋節(jié),膜分離截留了微生物也截留了難降解的物質(zhì)。由于泥齡長微生物可將這些易降解和難降解的物質(zhì)徹底降解,從而使膜幾乎只過濾潔凈的水和截留微生物及生物不可降解等膜能截留的物質(zhì)。這樣不但使出水水質(zhì)優(yōu)良,而且可大大減輕膜過濾時的膜堵塞和污染問題,從而延長了膜的使用壽命,使MBR成為一種真正有效的實(shí)用技術(shù)。此外,由于本方案采用的膜的孔徑只有0.2μm,其在進(jìn)行泥水分離的同時,可以截流部分致病病毒及絕大部分的致病微生物。經(jīng)綜合比較.膜生物反應(yīng)器具備有以下一些特點(diǎn)。

(1)反應(yīng)器中生物污泥濃度可高出常規(guī)活性污泥的5～10倍,即可達(dá)10～30g/L。甚至可以做到40g/L以上。使污水中可降解的污染物完全氧化,硝化也可進(jìn)行完全,因此出水水質(zhì)非常好,最大限度地減少了污水對環(huán)境的污染。

(2)膜的截留作用可使出水幾乎無懸浮物和大腸桿菌等病源微生物及部分病毒。高污泥濃度和長的泥齡,使降解速度慢的難降解物也可得到徹底降解。

(3)由于泥齡可以很長,所以剩余污泥量極少,因此使一般污水生物處理常常需要花費(fèi)大量費(fèi)用用于處理污泥的難題得以較好解決。出水水質(zhì)很好,高于三級處理或國家雜用水的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)闆]有二沉池的沉淀分離問題。因此不用擔(dān)心污泥膨脹、上浮等麻煩。

(4)水力停留時間(HRT)和污泥泥齡(SRT)可以完全分開MBR的水力停留時間理論上可以很短。各種生物反應(yīng)器處理污水時,其活性微生物總量是關(guān)鍵,即V?X是關(guān)鍵(V,反應(yīng)器容積,X,生物濃度),如果VX=C不變,當(dāng)X增加5倍時,則V就減少5倍。因此MBR生物反應(yīng)器容積可比常規(guī)生物法小的多,再加上其出水相當(dāng)或優(yōu)于三級處理的出水,所以MBR一個反應(yīng)器又可取代三級處理的若干處理單元,所以在占地和運(yùn)行以及造價上都更加優(yōu)越。工藝簡單,單一的反應(yīng)器取代眾多處理設(shè)施,因此也很便于自動化PLC控制。

3 小區(qū)生活污水和處理資源化中試研究

為了深刻了解小區(qū)污水的特性,確定最優(yōu)化的工藝流程,探討膜生物反應(yīng)器最優(yōu)運(yùn)行工況,對其進(jìn)行了中試規(guī)模的研究。這對該技術(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用有著重要意義。在總結(jié)膜生物反應(yīng)器處理生活污水多項(xiàng)研究成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了處理水量在 3.36～4.32m3/d的位差式中空纖維膜生物反應(yīng)器處理人工配水的中試試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)具有較強(qiáng)的技術(shù)可靠性,完全可以應(yīng)用于實(shí)際生活污水回用工程。

3.1 試驗(yàn)主要設(shè)備

(1)膜生物反應(yīng)器。反應(yīng)器為聚氯乙烯塑料制造,矩形截面柱體;截面積為0.3m2。有效水深H=3.6～3.9m;有效容積V=1.08～1.17m3,高低水位差為0.3m。

(2)膜組件。反應(yīng)器內(nèi)置6只中空纖維膜膜組件。每個蟆組件的面積是20m2。

(3)控制柜。采用PLC(可編程序控制器)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

(4)浮球閥液位控制器。控制器控制反應(yīng)器內(nèi)的液位,進(jìn)水至最高水位時停進(jìn)水泵,液位降至最低水位時,啟動進(jìn)水泵。

3.2 運(yùn)行狀況分析

中空纖維膜膜生物反應(yīng)器處理污水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了約4個月,設(shè)計出水流量200L/h采用間歇運(yùn)行方式,運(yùn)行期間無反洗,無人工及化學(xué)清洗,實(shí)驗(yàn)期間無排泥。實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行其他條件,運(yùn)行出水期間曝氣氣水比25∶1;出水流量采用閥門、流量汁控制恒定,人為降低出水壓頭。間歇運(yùn)行,8min出水,2min停止空曝氣。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：

3.3.1 COD的去除

整個實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間進(jìn)水COD的平均值為366.4mg/L。最大值為 780.9mg/L、最小值為228.0mg/L;出水COD的平均值為13.1mg/L,最大值為25.2mg/L。最小值為4.4mg/L：COD的平均去除率為96.0%沖擊負(fù)荷對出水COD去除率沒有影響。這說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在實(shí)際污水處理工程中。沖擊負(fù)荷是難以避免的,這部分研究是考察COD沖擊負(fù)荷對膜通量的影響。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,采用出水控制閥控制出水流量衡定。在研究COD沖擊負(fù)荷時,短時間全開閥門,以觀察最大流量的變化,從而了解摸阻力的變化。

3.3.2 運(yùn)行方法

將原水引人調(diào)節(jié)池中。完成膜生物反應(yīng)器內(nèi)的污泥培養(yǎng)與馴化,并向每個膜生物反應(yīng)器內(nèi)投加15kg粉末活性炭。打開控制系統(tǒng)電源,預(yù)熱10～15min。檢查并調(diào)整各儀表、閥門狀態(tài),使整個系統(tǒng)水氣管路正常、通暢。在觸摸屏上,先進(jìn)人設(shè)置菜單,進(jìn)行各項(xiàng)目選擇。輕觸“自動”,此時整個系統(tǒng)按照PLC設(shè)定的程序開始運(yùn)行。運(yùn)行過程中,要注意觀察在線流量計、電流表的數(shù)值變化。如發(fā)現(xiàn)異常,要及時停車檢查。

3.3.3 日常保養(yǎng)和維護(hù)

(1)排泥、加炭。膜生物反應(yīng)器定期每周排泥一次,每個反應(yīng)器的排泥量約為3m3左右(注：排泥的同時必須曝氣),排泥的液位差為310mm。排泥后,向每個反應(yīng)器投加粉末活性炭6kg左右。

(2)空曝氣。為了減少膜的污染,保持膜通量,每隔一定周期(一般為一個月),需停止反應(yīng)器出水,至手動,啟動鼓風(fēng)機(jī)對膜組件進(jìn)行曝氣沖刷6h后,即正常運(yùn)轉(zhuǎn)。(要選擇在排水低峰時進(jìn)行)每天定時巡視,發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)關(guān)閉反應(yīng)器,進(jìn)行檢查修理。二氧化氯發(fā)生器保持全天性連續(xù)工作。檢查二氧化氯發(fā)生器的工作情況,及時補(bǔ)充所需的原料。

4 結(jié)語

經(jīng)過2年的科研實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)際研究,在東方設(shè)備廠寫字樓和生活區(qū)中水回用工程的實(shí)際設(shè)計運(yùn)行基礎(chǔ)上,已掌握了膜生物反應(yīng)器在城市和生活小區(qū)生活污水和處理資源領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。相信在各級政府的推動下,膜生物反應(yīng)器在污水資源化領(lǐng)域會有越來越美好的前景。