膜生物反應(yīng)器處理腈綸污水的應(yīng)用研究

蔣建軍

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海200540)

膜生物反應(yīng)器處理腈綸污水的應(yīng)用研究

蔣建軍

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海200540)

采用填料式厭氧-好氧膜生物反應(yīng)器(MBR)處理腈綸廢水，考察MBR的運(yùn)行效果。實驗結(jié)果表明：采用“厭氧-好氧”工藝可以有效去除污水中的化學(xué)耗氧量，去除率為73.4%，氨氮去除率為98%，總氮去除率可達(dá)80%。

膜生物反應(yīng)器 腈綸污水 厭氧 好氧

腈綸污水中難降解有機(jī)污染物濃度較高，可生化性極差，難生物降解及較難生物降解有機(jī)污染物占總有機(jī)物量的40.63%，因此用傳統(tǒng)的單一生化處理方法很難使腈綸污水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，需輔以適當(dāng)?shù)念A(yù)處理措施。與傳統(tǒng)的生化處理工藝相比，膜生物反應(yīng)器(MBR)具有工藝設(shè)備與設(shè)施較為集中，占地面積小，較高的容積負(fù)荷和較強(qiáng)的抗負(fù)荷沖擊能力等優(yōu)點，在處理腈綸污水的過程中，全程實現(xiàn)自動化控制，處理費(fèi)用和工作量顯著降低[1-4]。文章對MBR處理腈綸污水的過程進(jìn)行了研究，探索不同工藝條件對腈綸污水處理效果的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。

圖1 膜生物反應(yīng)器實驗裝置

試驗采用有機(jī)玻璃生物反應(yīng)器，反應(yīng)器設(shè)計有效容積為200 L，膜組件長度為0.5 m，膜孔徑為0.2 μm，膜組件表面積為1 m2；選擇簾式中空纖維膜作為膜組件，聚颯為膜材料；利用微孔曝氣裝置進(jìn)行氧氣傳質(zhì)，曝氣量由空氣流量計進(jìn)行調(diào)節(jié)，流量控制為0.3～1.0 m3/h。通過處理過程中的氧消耗可以大大降解有機(jī)污染物，降低污水中的五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3—N)。由于在曝氣過程中會產(chǎn)生微氣泡，引起液體湍流，造成曝氣器發(fā)生位移，因此將曝氣器聚氯乙烯(PVC)管連接固定于反應(yīng)器底部。

1.2 測試項目與方法

試驗所采用的水質(zhì)分析方法遵照國家環(huán)保局編寫的《水和廢水分析檢測方法》，試驗分析項目主要包括五BOD5、化學(xué)耗氧量(COD)、NH3—N以及pH等，如表1所示。

表1 分析項目與方法一覽

1.3 活性污泥的培養(yǎng)

腈綸污水中含有大量有機(jī)難降解污染物，且毒性大，往往會抑制硝化菌等微生物的生長，如果直接采用腈綸污水培養(yǎng)馴化活性污泥，活性污泥由于受到毒害作用，很難培養(yǎng)馴化成功。所以實驗首先采用生活污水，接種生活污水廠的污泥，逐步馴化培養(yǎng)硝化菌和反硝化菌，培養(yǎng)成功后，再選取部分腈綸污水站接觸氧化池中的污泥，添加腈綸污水，使微生物逐步適應(yīng)污水水質(zhì)，漸漸培養(yǎng)馴化出可有效降解腈綸污水污染物的污泥。試驗采用MBR，配制進(jìn)水腈綸污水體積分?jǐn)?shù)依次為5%，10%，20%，40%，60%，80%，100%，采取逐步遞增的方式，使反應(yīng)器內(nèi)微生物有逐步適應(yīng)的過程，直至MBR進(jìn)水全為腈綸污水，并達(dá)到穩(wěn)定的處理效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD去除效果與分析

2.1.1 運(yùn)行時間對COD的影響

圖2為反應(yīng)器進(jìn)水腈綸污水體積分?jǐn)?shù)為20%時反應(yīng)器好氧段及出水的COD隨運(yùn)行時間的變化情況。

圖2 COD隨運(yùn)行時間變化情況

由圖2可知：

(1)反應(yīng)器進(jìn)水腈綸污水體積分?jǐn)?shù)為20%時，反應(yīng)器各段及出水的COD隨運(yùn)行時間的增長均在逐步增高。這主要是由于隨著進(jìn)水腈綸污水體積分?jǐn)?shù)的增加，進(jìn)入MBR的難降解有機(jī)物也在增多，而一部分有機(jī)物被MBR的微濾膜截留在反應(yīng)器內(nèi)，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部積累了大量的難降解有機(jī)物，引起各段出水COD逐步增高，好氧段COD從最初的110 mg/L上升到最高130 mg/L；出水COD從最初的70 mg/L上升到最高90 mg/L。

(2)運(yùn)行至第3天后反應(yīng)器各段的COD趨于穩(wěn)定，并且從第6天開始反應(yīng)器各段及出水的COD均出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。這說明積累在反應(yīng)器上的部分難降解有機(jī)物得到了生物分解，導(dǎo)致COD下降，但是下降幅度并不大，僅為10 mg/L左右。由此可知只是很少一部分難降解有機(jī)物得到降解，大部分難降解有機(jī)物在反應(yīng)器積累后得不到降解。

2.1.2 進(jìn)水腈綸污水體積分?jǐn)?shù)對COD的影響

圖3為COD隨進(jìn)水腈綸污水體積分?jǐn)?shù)變化情況。

圖3 COD隨進(jìn)水腈綸污水體積分?jǐn)?shù)變化情況

由圖3可知：

(1)腈綸污水COD的可生化性差。隨著反應(yīng)器進(jìn)水中腈綸污水體積分?jǐn)?shù)的遞增，反應(yīng)器厭氧、好氧裝置及出水中的COD也均逐漸增大，當(dāng)進(jìn)水腈綸污水體積分?jǐn)?shù)達(dá)到100%時，出水中的COD最高可以達(dá)到360 mg/L。由此可知，腈綸污水中確實含有大量難生物降解的有機(jī)物，盡管部分有機(jī)物因為微濾膜的截留作用在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生積累并得到了部分去除，但由于MBR僅為生物處理，即使在反應(yīng)器得到較長時間的停留也不會被生物降解，這也再一次證實了僅僅采用生物處理的方式很難實現(xiàn)對腈綸污水難降解有機(jī)物的高效去除。所以要實現(xiàn)對腈綸污水中難降解有機(jī)物的高效去除，還需進(jìn)一步探究物理化學(xué)技術(shù)對腈綸污水的處理效果，或深入探究MBR出水的深度處理工藝。

(2)出水COD的增量與腈綸污水增加量的相關(guān)性很差。例如當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)水腈綸污水的體積分?jǐn)?shù)由40%增加到60%，進(jìn)水COD的增加量為30 mg/L，好氧COD的增加量為50 mg/L，出水COD的增加量為30 mg/L；當(dāng)進(jìn)水腈綸污水的體積分?jǐn)?shù)從60%增加到80%，進(jìn)水COD的增加量同樣為30 mg/L，好氧及出水COD的增加量則高達(dá)170 mg/L；當(dāng)進(jìn)水腈綸污水的體積分?jǐn)?shù)從80%增加到100%，進(jìn)水COD的增加量為290 mg/L，好氧COD的增加量為80 mg/L，出水COD的增加量為100 mg/L。

2.1.3 進(jìn)水水質(zhì)的變化對MBR出水COD的影響

MBR出水COD隨進(jìn)水水質(zhì)的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化情況見表2。

表2 MBR在不同運(yùn)行時間時各段的COD

由表2數(shù)據(jù)可知：MBR處理3個不同時間段取用的腈綸污水時，進(jìn)水、厭氧段、好氧段、出水的COD均變化較大，其中出水COD最高時可以達(dá)到380 mg/L，而最低時僅為240 mg/L。這主要是由于腈綸污水水質(zhì)波動較大，腈綸污水水質(zhì)不同導(dǎo)致MBR對污水的處理效果存在較大差異。其中厭氧段的COD去除率最高，達(dá)到55%～66%；好氧段的COD去除率最低，僅為7%～8%；COD總?cè)コ首罡哌_(dá)到78.2%，最低則僅為70.0%。當(dāng)進(jìn)水中難降解有機(jī)物較多時，則MBR出水COD較高，去除率較低；當(dāng)進(jìn)水中難降解有機(jī)物較少時，則MBR出水COD較低，去除率較高，即MBR出水COD隨進(jìn)水水質(zhì)的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

2.2 腈綸污水NH3—N去除效果與分析

動物學(xué)科英語隸屬于科技英語，但它是更具專業(yè)性的科技英語，涉及的知識面更加狹窄，與動物學(xué)聯(lián)系更加緊密。因此，在進(jìn)行動物學(xué)科英語互譯時，不但要注意科技英語的文體、修辭、語法等特點，還要緊密結(jié)合相關(guān)專業(yè)知識，力求做出符合原文語言特點、本族語言特點以及動物學(xué)相關(guān)知識的完美譯文。此外，通過上述介紹可以得知，概念語法隱喻一般包括語義層次上的及物性隱喻和詞匯語法層次上的名詞化、形容詞化等現(xiàn)象，下面將主要從以下兩個方面來探討動物學(xué)科英語的翻譯。

由于腈綸污水中NH3—N質(zhì)量濃度高，導(dǎo)致MBR進(jìn)水NH3—N質(zhì)量濃度高達(dá)160 mg/L(具體見圖4)。

圖4 NH3—N質(zhì)量濃度變化情況

由圖4可知：隨著進(jìn)水中腈綸污水體積分?jǐn)?shù)的逐步增加，進(jìn)水NH3—N的質(zhì)量濃度從85 mg/L逐步上升到141 mg/L，但反應(yīng)器仍然保持了較好的硝化效果，厭氧段的NH3—N質(zhì)量濃度最低為10 mg/L，最高為20 mg/L。好氧段的NH3—N質(zhì)量濃度有所升高，最高為10 mg/L，最低為3 mg/L，但反應(yīng)器出水NH3—N質(zhì)量濃度一直很低，最高為3 mg/L，最低僅為1 mg/L。即便最終全用腈綸污水時，出水NH3—N質(zhì)量濃度也始終維持在5 mg/L以下，對進(jìn)水NH3—N去除率平均在97%以上。因此，MBR對腈綸污水的硝化與反硝化效果很好。

2.3 水力停留時間對腈綸污水處理的影響

水力停留時間(HRT)是MBR一個重要的運(yùn)行參數(shù)，HRT對反應(yīng)器各段COD的影響如圖5所示。由圖5可以發(fā)現(xiàn)：將MBR的HRT由40 h降低為30 h，即增大處理水量后，反應(yīng)器各段的COD基本沒有產(chǎn)生變化，厭氧段的COD增加了10 mg/L，好氧段及出水COD沒有變化。說明HRT對難降解有機(jī)物的去除效果并無明顯影響，難降解有機(jī)物即使在反應(yīng)器有較長的停留時間也不會得到生化去除。這同時也說明了MBR對進(jìn)水水量變化有較強(qiáng)的耐沖擊性能，這主要是因為MBR本身的污泥濃度高，耐沖擊性能強(qiáng)，又在反應(yīng)器內(nèi)添加了極易生物掛膜的聚丙烯纖維填料，更增加了反應(yīng)器的耐沖擊性能。因此從經(jīng)濟(jì)性的角度而言，停留時間控制在30 h更為合適。

這里只是對COD的試驗，沒有對NH3—N試驗，故停留時間是否合適需要作說明。

圖5 HRT變化對反應(yīng)器各段COD的影響

3 反應(yīng)器膜污染狀況及分析

MBR有其獨特的優(yōu)勢，如出水水質(zhì)良好、運(yùn)行穩(wěn)定、污染物去除率高、占用空間少、操作簡單等。其中處理效率高或出水水質(zhì)好在進(jìn)水水質(zhì)可生化性比較好的情況下才能實現(xiàn)，否則需要配有可靠的預(yù)處理裝置才能保證污水的可生化性。MBR也有著不可忽視的缺點，那就是膜污染問題，膜污染導(dǎo)致的運(yùn)行費(fèi)用增加限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。

(1)膜污染的途徑

在試驗過程中，由于抽吸泵的抽吸作用，水透過膜，膜出水比較清澈，但在膜周圍的污泥濃度越來越高，隨著實驗的進(jìn)行，活性污泥或膠體物質(zhì)附在膜表面，導(dǎo)致膜通量下降，形成了膜污染。如果及時采取預(yù)防措施，那么，這種由于膜污染受到的損失可以得到恢復(fù)。本次實驗過程中，曝氣采用聯(lián)動控制，抽吸泵工作時，生化池內(nèi)采用正常曝氣，運(yùn)行一段時間后，抽吸泵停止一段時間，此時曝氣量加大，膜下方的曝氣裝置對膜進(jìn)行沖刷，去除表面的污染物。此時的實驗現(xiàn)象表現(xiàn)為：膜通量在運(yùn)行過程中有下降趨勢，但經(jīng)過曝氣沖刷以后，膜通量基本得到恢復(fù)。

膜通量每次通過沖刷后能基本恢復(fù)，但沒有完全恢復(fù)，隨著實驗的開展，膜通量仍不斷下降，這種污染主要是低聚物或生物代謝物在膜表面形成凝膠層或堵塞膜通道。此時的實驗現(xiàn)象為膜表面有少量黏泥。這種污染造成的損失通過沖刷作用無法恢復(fù)，只能對膜進(jìn)行清洗。

以上兩種污染造成的損失通過沖刷或清洗基本能及時得到恢復(fù)，比較嚴(yán)重的是微生物污染，特別是對于一體化MBR。隨著實驗的推進(jìn)，生化池中污泥濃度越來越高，膜表面開始出現(xiàn)一層活性污泥，沖刷不掉，越來越厚，此時的現(xiàn)象為：膜通量下降很快，膜表面的泥越來越厚。出現(xiàn)微生物污染時，簡單的清洗很難恢復(fù)膜通量，必須經(jīng)過反復(fù)的化學(xué)清洗，同時要進(jìn)行殺菌處理。所以在應(yīng)用過程中要盡量避免微生物污染。微生物污染不僅難恢復(fù)，而且對膜傷害比較嚴(yán)重，會降低膜使用壽命，影響出水水質(zhì)。

(2)膜污染控制

從整體考慮，可以將膜污染控制分為膜材料的選擇和安裝、混合液特性的改善、操作條件的優(yōu)化等。

在選擇膜材料的時候，應(yīng)該從強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐污染性、產(chǎn)水性、使用壽命、造價等方面對其進(jìn)行技術(shù)可行性分析和經(jīng)濟(jì)評價。在膜孔徑選擇方面，增大膜孔徑有利于提高水通量，但會加速膜污染，使得水通量快速下降，一般膜的切割顆粒尺寸(截留相對分子質(zhì)量)應(yīng)該要比分離的污染物的尺寸小一個數(shù)量級。在膜表面改性方面，為防止溶解性有機(jī)物和微生物代謝產(chǎn)物造成嚴(yán)重的膜污染，應(yīng)該考慮采用抗污染性強(qiáng)的親水性膜，從而降低膜和原水間的界面能，此外，選擇與溶質(zhì)帶電性相同的膜材料也能有效地減緩膜污染的產(chǎn)生。在膜組件的安裝方面，應(yīng)該合理確定膜組件和曝氣池墻體、空氣擴(kuò)散管、反應(yīng)器液面之間的距離，空氣擴(kuò)散器和曝氣池底之間的距離，保證在一定曝氣量下能夠獲得較高的液體上升速率，減少膜表面污泥累積，減緩膜污染速率。

在此次MBR實驗過程中，主要從操作優(yōu)化和混合液特性兩方面控制膜的污染：一是利用間歇抽水，加大曝氣沖刷，這種方法可以有效解決實驗初期膜表面污染問題；二是調(diào)節(jié)混合液pH，由于在厭氧條件下產(chǎn)生酸性物質(zhì)，膜表面很容易出現(xiàn)黏性物質(zhì)，通過調(diào)節(jié)混合液pH可以避免吸附積累在膜表面，延緩了膜污染的周期。

(3)膜的清洗

根據(jù)污染程度或種類不同，采用的膜清洗方法也不同。在實驗初期，膜污染主要是膜表面積累或沉積一些活性污泥或膠體物質(zhì)，此時采用空氣吹洗即能基本恢復(fù)膜通量。隨著膜污染的加重，出現(xiàn)膜通道堵塞，此時需要對膜進(jìn)行水沖洗或簡單的酸堿洗，這樣基本能恢復(fù)膜通量。在膜受到微生物污染時，以上兩種方法已經(jīng)無法達(dá)到清洗目的，需要采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)清洗劑清洗膜表面及通道中的有機(jī)物和微生物，才能徹底恢復(fù)膜通量。

本次試驗先對膜進(jìn)行了物理清洗，即加大曝氣量，依靠增大膜面流速，加大膜絲的抖動促使泥餅的脫落。物理清洗結(jié)束后，部分附著在膜絲上的泥餅有所脫落，但是大部分泥餅還是附著在膜絲上，使得膜通量的恢復(fù)量不是很大，并且反應(yīng)器正常運(yùn)行后膜絲在幾天內(nèi)又會被堵塞，可見僅僅采用物理清洗方式很難實現(xiàn)膜通量的恢復(fù)。

(4)膜清洗效果分析

由于膜的物理清洗效果并不理想，本次試驗還對膜的化學(xué)清洗效果進(jìn)行了研究探討，并與物理清洗效果進(jìn)行了對比(見表3)。

表3 各種清洗方式對膜通量的效果

由表3可知：化學(xué)清洗的效果要明顯好于物理清洗效果。本次試驗先后采用乙酸、次氯酸鈉對膜進(jìn)行了化學(xué)清洗。其中乙酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，次氯酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。先用化學(xué)藥液浸泡，然后再進(jìn)行曝氣，此時會發(fā)現(xiàn)從膜絲上脫落下大量的泥餅，并且露出了膜絲本身的乳白色，而物理清洗時膜絲依然保持灰棕色。由此說明經(jīng)過化學(xué)清洗后，不但泥餅從膜絲上脫落，附著在膜絲上的生物黏膜及有機(jī)物也從膜絲上脫落下來。相比之下，次氯酸鈉的清洗效果更好。此外本次試驗還對微濾膜的反清洗效果進(jìn)行了試驗，膜的反沖洗方式是先對膜組件進(jìn)行浸泡，浸泡時間為60 min，再用次氯酸鈉液進(jìn)行反向沖洗30 min，化學(xué)清洗采用外浸清洗方式，不會對生物池的反硝化產(chǎn)生影響。經(jīng)過試驗對比發(fā)現(xiàn)，反向沖洗后的微濾膜的膜通量恢復(fù)要更好一些，由此可見反向沖洗對膜通量的恢復(fù)有很好的促進(jìn)作用。本次試驗雖然對幾種膜的清洗方法以及化學(xué)清洗的藥劑的配方進(jìn)行了簡單的探索，但并沒有對膜污染的根本原因，具體是腈綸污水中的什么物質(zhì)造成了膜的污染以及采取何種措施防止膜污染進(jìn)行深入的研究探討。所以要使MBR真正應(yīng)用于工程實踐，還必須解決膜污染的預(yù)防與治理的問題。

4 結(jié)論

(1)采用MBR處理只經(jīng)厭氧預(yù)處理的腈綸污水，可對約70%的腈綸污水COD進(jìn)行去除，但是由于MBR進(jìn)水中難降解有機(jī)物仍很多，故導(dǎo)致出水COD也很高，維持在30～400 mg/L。因此要減小MBR出水COD，還必須加強(qiáng)物理、化學(xué)及生物預(yù)處理措施，增加腈綸污水的可生化性，減少腈綸污水中難降解物的含量，或者對MBR出水進(jìn)行深度處理，進(jìn)一步去除腈綸污水中的污染物。

(2)“厭氧-好氧”工藝可實現(xiàn)對NH3—N的高效去除，但是由于腈綸污水中的難降解含氮有機(jī)物較多，有機(jī)氮無法向NH3—N轉(zhuǎn)化，限制了對總氮的去除效果，所以要進(jìn)一步提高對總氮的去除率，還必須加強(qiáng)預(yù)處理，提高有機(jī)氮向無機(jī)氮的轉(zhuǎn)化率。

(3)該MBR污泥濃度高，且好氧段裝有極易生物掛膜的聚丙烯填料，微生物種類豐富，HRT的變化對反應(yīng)器的處理效果影響不大，即MBR對進(jìn)水水量的變化都有一定的耐沖擊性能。

(4)實驗表明，MBR在不同階段存在不同的污染形式。初期為活性污泥或膠體在膜表面沉積，形成膜表面污染；隨著實驗的開展，低聚物或生物代謝物堵塞膜通道，膜通量逐步下降，形成膜內(nèi)部污染；隨著實驗的深入，膜上出現(xiàn)微生物繁殖生長，膜通量快速下降，形成了微生物污染。不同的污染形式對應(yīng)的膜污染控制和膜清洗方法也不同。

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Study on the Application of Membrane Bioreactor in Treatment of Acrylic Fiber Wastewater

Jiang Jianjun

(SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The operating effect of membrane bioreactor (MBR) was investigated by using an anaerobic-aerobic MBR to treat simulated acrylic fiber sewage.The results showed that the removal rate of chemical oxygen consumption was 73.4%,the removal rate of ammonia and nitrogen was 98%,and the removal rate of total nitrogen was up to 80% by using “anaerobic-aerobic” process.

membrane bioreactor,acrylic fiber sewage,anaerobic,aerobic

2017-03-09。

蔣建軍，男，1984年出生，2002年畢業(yè)于上海師范大學(xué)環(huán)境工程系，工程師，目前從事清潔生產(chǎn)、危險廢物管理、環(huán)保三同時等工作。

1674-1099 (2017)02-0053-06

X783.4

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