一體式平片膜生物反應(yīng)器處理抗生素廢水研究.doc

一體式平片膜生物反應(yīng)器處理抗生素廢水研究相對于傳統(tǒng)的污水處理方法，膜生物反應(yīng)器（MBR）由于其諸多優(yōu)勢1而備受青睞。而與分置式膜生物反應(yīng)器相比，一體式膜生物反應(yīng)器又具有運行能耗低2、不因循環(huán)泵的剪切對污泥絮體產(chǎn)生不良影響3等優(yōu)點。本文采用平片式膜生物反應(yīng)器對抗生素廢水進行了初步研究。 1 材料與方法1.1 試驗裝置與流程一體式膜生物反應(yīng)器試驗裝置與工藝流程如圖1所示，該試驗裝置由生物反應(yīng)器、一體式膜組件、膜抽吸系統(tǒng)及自動控制等系統(tǒng)組成，其中生物反應(yīng)器為活性污泥鼓風(fēng)曝氣反應(yīng)池，有效容積為47 L，反應(yīng)器中間有一隔板，一側(cè)放膜組件，組件下方設(shè)有穿孔管曝氣，在供給微生物分解廢水中有機物所需氧氣的同時，在平片膜表面形成循環(huán)流速以減輕膜面污染。抽吸系統(tǒng)采用型號BT01100蘭格蠕動泵，對浸沒于反應(yīng)器的膜組件進行抽吸。自動控制部分采用時間控制器對抽吸泵及進水泵進行控制。一體式MBR中的處理水經(jīng)蠕動泵抽吸進入凈水池，凈水池的水作為膜沖洗備用。1.2 試驗用水試驗用水為上海某制藥廠抗生素廢水，稀釋后的廢水基本水質(zhì)情況如表1，進水經(jīng)100目篩網(wǎng)過濾后進入反應(yīng)器。表1 實驗用水水水質(zhì)測試項目數(shù)據(jù)（CODcr）/（mgL-1）25004000（SS）/（mgL-1）4001000（NH3-N）/（mgL-1）3.57.4pH值68水溫/9151.3 試驗用膜試驗用膜為平片膜，由中科院上海原子核研究所膜分離技術(shù)研究開發(fā)中心提供，膜組件自行研制，平片膜材質(zhì)為PVDF（聚偏氟乙烯），截留分子量為 14萬，膜有效面積為0.05m2。1.4 試驗方法1.4.1 水通量的測定水通量的測定由下式得出：J=V(At)（1）式中：J下所測定的實際膜通量；V下在 t時間內(nèi)實際過濾液體積；A平片膜有效面積。在測定膜水通量時，為了便于比較試驗的不同階段水溫所帶來的差異，該試驗將不同溫度測得的數(shù)據(jù)換算成20下的通量值，換算公式為：J20J（w/w20） （2）式中：J20換算成20時的通量；w下純水的粘度；w2020 時純水的粘度。注：下文中的通量J皆經(jīng)上式轉(zhuǎn)換為20下的通量值。1.4.2 阻力分析方法膜污染可以分為物理污染、化學(xué)污染及生物污染，對于不同的反應(yīng)器形式、生物的不同生長階段、不同的組件形式及不同的運行方式，占主導(dǎo)地位的污染形式不同。在本試驗中，膜污染阻力可以分為三部分：一部分為膜固有的阻力（Rm）；一部分為泥餅阻力（Rc），包括濃差極化、膜表面的吸附及沉積等形成的阻力，可以采用水沖洗。海棉擦洗等方法將其除去；另一部分為膜孔的吸附及堵塞阻力（Rf），這部分阻力可以采用化學(xué)清洗等方法全部或部分去除。通過試驗測定的有關(guān)通量數(shù)據(jù)，用RIS（resistance一in一series）阻力模型計算出各部分阻力及其所占比例。表達式如下：Rt p（1J1）RmRcRf （3）Rmp/（0J0）（4）Rfp（0J0）Rm （5）Rcp（1J1）RmRf（6）式中：0純水在2O時的粘度（0=1.005010-3PaS）；1膜過濾液粘度。測定過程如下：在不同的抽吸壓力下，用新膜對純水過濾，通過公式（4）計算出膜固有阻力；用該膜對反應(yīng)器混合液進行過濾，利用公式（3）可以得出運行過程中膜總阻力的瞬時值；一定時間后，把膜組件從反應(yīng)器中取出，清水無壓力清洗，并用柔軟的海綿擦去膜面吸附物，然后對純水過濾，由公式（5）得到膜孔吸附及堵塞阻力；由公式（6）可得膜表面的泥餅阻力。2 結(jié)果和討論2.1 處理效果用前述工藝流程和試驗方法，使用該制藥廠的廢水處理站的污泥接種半個月后，直接把PVDF平片膜浸沒于反應(yīng)器中以 46的周期運行（4 min抽吸6 min停抽），反應(yīng)器的運行參數(shù)列于表2。表2 膜生物反應(yīng)器運行參數(shù)測試項目數(shù)據(jù)水溫/1520pH值6.07.6泥齡/d500水力停留時間/d1.5曝氣量（m3h-1）1.4從圖2可以看出在此運行過程中反應(yīng)器中MLSS的質(zhì)量濃度經(jīng)過一段時間后基本維持在15g/L左右，出水CODcr去除率為86。可見，水中懸浮和溶解的CODcr并沒有在MBR中累積。但運行至1月中旬膜出水CODcr與上清液CODcr相比，并沒有多大差別，由此可知，PVDF膜所起的作用主要是截留水中懸浮物，使MLSS維持在較高濃度，從而達到高效降解水中有機物的目的。2.2 過濾過程中的阻力分析2.2.1 膜固有阻力的測定新膜粘結(jié)后，放入純水中浸泡24 h以消除環(huán)境對膜性能的影響，調(diào)節(jié)抽吸壓力，連續(xù)測定5次對應(yīng)壓力下的通量，取其平均值，由公式（4）可以得出，膜固有阻力Rm為 1.082 1012m-1。2.2.2 PVDF膜放入反應(yīng)器后總阻力的變化為了考察PVDF膜在盡量長時間內(nèi)運行中阻力的變化，我們把膜組件在設(shè)定壓力 30 kPa，（MLSS）為13.8 gL，曝氣量為 l.45 m3h的條件下放入反應(yīng)器中進行連續(xù)抽吸運行，由圖3可知，總阻力經(jīng)大約 25 min漸趨穩(wěn)定，從開始 2.811012m-1逐漸上升至 5.291012m-1。也就是，膜固有的阻力從開始占總阻力的98.6逐漸降低至52.4。可見，盡管反應(yīng)器曝氣沖刷對減弱懸浮固體向膜面吸附遷移有一定作用4，由于很高的懸浮固體濃度，導(dǎo)致較高的粘度（實測粘度高達6.310-3PaS），膜污染隨時間加劇。同時，我們也考察廠PVDF膜在設(shè)定周期（4min抽吸6 min停抽）下運行，其間不進行任何清洗，總阻力的變化規(guī)律如圖4所示?？梢姡g歇運行 27 d，阻力達到 5.34 1012m-1。把連續(xù)抽吸的25 min內(nèi)阻力變化延長至 27d，充分體現(xiàn)了一體式膜生物反應(yīng)器中間歇運行中曝氣沖刷膜面的效果。2.2.3 PVDF膜水力清洗及海綿擦洗后的阻力比較長期運行過程中，泥餅阻力是導(dǎo)致膜通量下降的主要因素。表3所示，在1d的連續(xù)運行過程中，泥餅阻力占總阻力的比例從開始的35.87上升至 94.01。新開發(fā)的 PVDF平片膜組件其優(yōu)點在于能夠通過簡單便捷的在線海綿擦洗的方法，消除泥餅阻力，如圖4，從而使水通量迅速恢復(fù)接近初始通量。表3 運行過程中阻力分布的分析運行時間/h阻力/（1012m-1）RmRcRfRtRc：Rt/%11.0821.010.722.8135.871012.670.8514.6086.772435.211.1637.4594.01在一體式MBR中，泥水混合液處于循環(huán)流動狀態(tài)，在運行過程中，膜表面泥餅層處于一種動態(tài)的相對穩(wěn)定狀態(tài)，形成膜過濾的主要阻力，并且由于膜的長期使用，形成阻力的因素也具有累積效應(yīng)5；而且，由于化學(xué)清洗價格昂貴、操作復(fù)雜且不可能完全恢復(fù)膜通量6。因此，海綿定期在線擦洗對于膜通量的增強非常有利。再者，從長期運行的角度來看，在線擦洗至少可以減弱各種阻力因素的累積，從而具有積極的實踐意義。3 結(jié)論由于膜過濾對混合液懸浮固體的完全截留，盡管原水含有少量抑菌物質(zhì)，出水CODCr去除率仍可達86%。膜組件長時間運行導(dǎo)致膜污染，因此必須對其進行定期的清洗，而平片膜組件具有清洗高效。操作簡單的優(yōu)點。平片膜組件只需用簡單的在線海綿擦洗的方法，便可以部分恢復(fù)膜通量，從而減少價格昂貴的化學(xué)清洗，具有相當(dāng)?shù)膶嵱脙r值。膜性能指標有壓力與通量兩個變量，而運用RIS阻力模型可以統(tǒng)一兩者，因此，在研究膜生物反應(yīng)器中膜性能時，用阻力這個指標分析是可行的。一種高效城市污水再生處理新工藝由英國Degremont有限公司推出了一種用于城市污水再生處理的新組合工藝專利技術(shù)高負荷澄清池和生物曝氣濾池（BAFF工藝），法國OTV等公司也有相似技術(shù)如BIOSTYR推出，本文重點介紹建設(shè)于英國Poole STW地區(qū)的BAFF工藝，及其該工藝的設(shè)計、調(diào)試、運行狀況。1 BAFF工藝介紹BAFF工藝是目前比較先進的一種污水處理新技術(shù)，能夠使污水出水水質(zhì)滿足日益提高的排污標準，包括對氨氮的嚴格控制。該工藝利用高效的復(fù)合澄清技術(shù)（DENSADEG）和生物曝氣濾池（BAF）工藝相結(jié)合，實現(xiàn)高標準的污水處理目標，工藝如圖1所示。1.1 高負荷澄清池（DENSADEG）高負荷澄清池不僅能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)程度的污泥濃縮，還能實現(xiàn)非常高的水力負荷，所以該工藝十分的緊湊。高負荷澄清池由三部分組成，分別是反應(yīng)池、預(yù)沉濃縮池和斜板分離器，如圖2所示。向經(jīng)過格柵和除砂后的污水中加入Fe2(SO4)3，經(jīng)快速混合后，污水在反應(yīng)器內(nèi)進行混凝。同時，回流污泥也回流到反應(yīng)池，然后污水溢流進第二反應(yīng)室。第二反應(yīng)室配備帶有旋轉(zhuǎn)垂直柵條的濃縮機械裝置。懸浮物沉到池底，并由旋轉(zhuǎn)刮泥機進行濃縮。澄清后的液流流經(jīng)斜板并收集于集水槽中，最終匯集到中心渠道。污泥分離是由裝有液面探測器的自動化分離泵控制，這樣可以維持低高液面間的懸浮泥渣層，從而控制泥齡和干固體濃度。1.2 生物曝氣濾池 (BAFF)污水的二級處理，采用上向流式生物曝氣濾池，要處理的污水和壓縮空氣都被引至濾池底部。這樣可以避免降流式濾池中經(jīng)常出現(xiàn)的表面堵塞和氣囊的形成。此外，僅有處理后的出水才暴露于空氣中，這樣可以最大限度的減少臭味。具體結(jié)構(gòu)見圖3。填料是經(jīng)特別挑選的多孔性，有粗糙表面和高比表面積的材料。它為微生物的生長提供了理想的載體，并可維持高濃度生物量，其濃度是活性污泥法的45倍，從而增加了單元的負荷，減小了污水廠的規(guī)模。BAF處理（生物曝氣濾池）分為2個階段：階段1為了去除有機物，階段2為了硝化，故也稱之為BAFF工藝。2 工程實例介紹由英國Degremont有限公司設(shè)計的，建設(shè)于英國Poole STW的新型高復(fù)合澄清池和生物曝氣濾池。2.1 建設(shè)目的這個項目是為了滿足EA（歐洲環(huán)保局）制訂的更為嚴格的排放標準（見表1），在原有污水廠基礎(chǔ)上擴建的。表1 歐洲環(huán)保局污水排放標準BOD(mg/L)20（溫度可降到7）SS(mg/L)30（溫度可降到7）NH3-N(mg/L)5（溫度可降到10）污泥重量占6（適合于厭氧消化）2.2 設(shè)計規(guī)模該項目的設(shè)計規(guī)模及原污水水質(zhì)情況見表2。 表2 設(shè)計規(guī)模及原污水水質(zhì)旱季流量 (m3/d)28 000高峰流量 (m3/d)64 000水溫 ()722BOD (kg/d)7235（最高值為460mg/L，持續(xù)4h）SS (kg/d)8 683（最高值為565mg/L，持續(xù)4h）TKN (kg/d)1 250（最高值為81mg/L，持續(xù)4h）NH3-N(kg/d)875（最高值為57mg/L，持續(xù)4h）2.3 污水廠占地面積由于原污水廠占地面積有限，新建的污水廠必須十分緊湊，占地面積約135m37m。用地指標：0.18m2/(m3d)。2.4 新建工藝設(shè)施因原污水處理已不能滿足新的排放要求，而且場地緊張，決定采用如下工藝：3座高負荷澄清池（DENSADEG）8座去除BOD的生物曝氣濾池(BIOFOR C)18座硝化生物曝氣濾池(BIOFOR N)新處理工藝流程如圖4所示。2.5 設(shè)計參數(shù)2.5.1 高負荷澄清池（DENSADEG）設(shè)計參數(shù)考慮到定期的檢修，需要采用3套高負荷澄清池（DENSADEG），設(shè)計參數(shù)如下：表3 高負荷澄清池（DENSADEG）設(shè)計參數(shù)數(shù)量單位斜板面積3座澄清池同時運行時的流速67平均流速7.9m/h最大流速15.4m/h2.5.2 高負荷澄清池（DENSADEG）設(shè)計目標 高負荷澄清池的設(shè)計目的為：懸浮物去除率80，BOD去除率為50，底流污泥濃度為6%。2.5.3 生物曝氣濾池(BAFF)設(shè)計參數(shù)BAFF處理（生物曝氣濾池）分為2個階段：階段1為了去除有機物，階段2為了硝化。下表列出濾池的尺寸和高峰流量時的操作流速：表4 生物曝氣濾池(BAFF)設(shè)計參數(shù) 階段1階段2單位數(shù)目818座單個濾池的面積7373填料高度34m流速5.32.4m/h去除有機物的濾池的沖洗速度（7座運行）6.05m/h硝化濾池的沖洗速度（16座運行，一備一檢）2.65m/h2.5.4 生物曝氣濾池(BAFF)的硝化保證措施為了給硝化提供足夠的堿度并保證出水呈中性，向進入濾池的污水中投加NaOH。加藥是自動化的，通過監(jiān)測pH值來控制投藥量。2.5.5 生物曝氣濾池(BAFF)的反沖洗濾池的反沖洗也由自動化控制，并且反沖洗水回流到處理系統(tǒng)前端。反沖洗可分為3個步驟：（1）填料的流化，（2）沖洗，（3）漂洗。沖洗的效果由氣、水同時反沖洗來保證，這使得填料處于振動和攪拌狀態(tài)，從而去除多余的生物量。正因為這個原因，生物降解是一直存在的，同時很快的適應(yīng)于流量和負荷的變化。用處理后的污水來短期反沖洗填料，流量為800m3/h。因為污水水質(zhì)較差，故回流反沖洗水相當(dāng)于濾床體積的10。2.5.6 生物曝氣濾池的自控系統(tǒng)完全自動化控制對BAFF污水處理廠是十分重要的，也是十分必要的。這樣就不需人為控制來應(yīng)對進水流量的變化，通過PLC自控就可以完成對每一個濾池的控制。生物曝氣濾池的運行可分為4個階段：（1）閑置階段，（2）過濾階段，（3）反沖洗階段，（4）準備過濾階段。PLC能夠根據(jù)進水流量和當(dāng)前濾池的運行情況，自動開啟或關(guān)閉濾池以應(yīng)對進水流量的變化。進入BAFF污水廠的污水量由裝有固定轉(zhuǎn)速的水泵的泵站控制。進水是階段性不均勻的，而濾池則一直處于運行或閑置狀態(tài)，這對污水的處理沒有不良影響。2.6工藝調(diào)試2.6.1 高負荷澄清池（DENSADEG）調(diào)試處理廠全套設(shè)備由英國Degrement有限公司提供。工藝調(diào)試運行從1996年1月3日開始，首先將經(jīng)過格柵、沉砂池處理后的污水直接進入到高負荷澄清池（DENSADEG）的初沉室中。這樣做的目的有二：一是保證DENSADEG工藝正常運行，二是保持藥劑用量在控制范圍之內(nèi)。首先需要提供Fe2(SO4)3和聚電解質(zhì)化學(xué)藥劑泵裝置。經(jīng)反復(fù)試驗確定Fe2(SO4)3混凝劑和聚電解質(zhì)的用量分別為40 mg/L和1 mg/L。同時，控制加藥量和加藥頻率使系統(tǒng)處于最佳沉淀效果。通過使用斜板和置于沉淀池底的裝有垂直柵條的濃縮池，污水首先經(jīng)過第一座斜板分離器。來自斜板的上清液流入到置于預(yù)處理室中的出水渠。進水管配有閥門，沉淀的污水也可通過緊急溢流堰回流到污水廠入口處的泵站。同時，污泥泵也處于運行狀態(tài)，且引進了初沉池的周期性除泥設(shè)備。每天都檢測初沉池3個液位試樣點的污泥液位和污泥特性。當(dāng)污泥濃縮率達到6時，用污泥泵將污泥打入污泥消化池前的儲泥池。當(dāng)能取得連續(xù)投配率和良好的沉淀效果時，大約13天后水流就轉(zhuǎn)到第2座高負荷澄清池（DENSADEG）并且重復(fù)整個運行過程。同時，第2座高負荷澄清池（DENSADEG）能取得上述相當(dāng)?shù)男Ч麜r，水流就轉(zhuǎn)到第3座高負荷澄清池（DENSADEG）中。3座高負荷澄清池（DENSADEG）的調(diào)試進行了75天。2.6.2 去除BOD的生物曝氣濾池(BIOFOR C)的調(diào)試高負荷澄清池（DENSADEG）的調(diào)試完成后，開始調(diào)試8座去除BOD的生物曝氣濾池(BIOFORC)，同時把水引到兩個反應(yīng)器中以使得水量易于控制，并對曝氣系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)的風(fēng)機、泵和閥門及控制系統(tǒng)進行調(diào)試。在BAFF污水廠，控制系統(tǒng)是關(guān)鍵所在，它能控制所有的反沖洗操作，能維持反應(yīng)室處于運行、反沖洗、準備運行及停止階段。每一對反應(yīng)器的調(diào)試大約需7天才能完成，然后才能調(diào)試另一對。因此，所有的8座去除有機物的濾池總共進行了25天后才投入運行。在這期間，處理水流入到段間轉(zhuǎn)移集水池，在此由泵打回進水泵房。當(dāng)(BIOFORC)中產(chǎn)生了足夠的生物量時，就能夠達到設(shè)計預(yù)期的出水指標（BOD50mg/L，SS 55mg/L）。2.6.3 硝化生物曝氣濾池(BIOFOR N)的調(diào)試當(dāng)BIOFOR C調(diào)試完成后，水被排放到硝化濾池進行硝化，調(diào)試過程如上所述，所不同的是污水要同時被分配到3座反應(yīng)器中。在硝化階段，共用18座濾池，需38天來調(diào)試接種所有的硝化生物曝氣濾池反應(yīng)器。由于這時已經(jīng)是5月份了，溫度很高，反應(yīng)器內(nèi)的生物量增加的很快。到1997年6月5日，歷時140天調(diào)試整各污水處理工藝，出水水質(zhì)達到所規(guī)定的排放標準。處理水排放到Hole灣，然后流入Poole港。連續(xù)的出水水質(zhì)檢測表明出水水質(zhì)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。2.7 運行問題像這樣大規(guī)模的污水處理廠，盡管有尖端的控制設(shè)備，但問題仍然會出現(xiàn)。運行成功的衡量標準是工藝在沒有影響到出水水質(zhì)的情況下能否緩解問題帶來的影響，以及如何很快地解決問題。2.7.1 高負荷澄清池（DENSADEG）泡沫問題在高負荷澄清池（DENSADEG）調(diào)試的初期，會遇到少量的泡沫，這可以通過加脫泡沫劑很容易的抑制它，并且一旦形成生物量，問題很快就會消除。2.7.2 單向閥堵塞問題10個月后，當(dāng)聚電解質(zhì)投加量發(fā)生變化時，運行中出現(xiàn)了第一次主要問題。通過測試，發(fā)現(xiàn)原因在于泵中單向閥堵塞，且止回閥粘在一起的緣故。解決的辦法是將泵拆下來，并且重新安裝不銹鋼單向閥和用Wallace Tiednam不銹鋼類型的止回閥。密封的增壓風(fēng)擋也適用于泵的出水管路。2.7.3反沖洗閥門啟動/關(guān)閉控制問題在試運行過程中（7月份），發(fā)現(xiàn)當(dāng)26座濾池都處于運行狀態(tài)時，隨著沖洗和停止沖洗階段的進行，經(jīng)常發(fā)生控制問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)問題集中在所有開啟閥門的Pakscan控制系統(tǒng)。Rotork公司發(fā)明了這種單線系統(tǒng)，主要是滿足對大量閥門啟動/關(guān)閉的控制。很顯然，由Rotork公司所宣稱的最大控制閥門個數(shù)只是理論上的，與現(xiàn)實有一定差距，而Poole污水處理廠的控制系統(tǒng)正是應(yīng)用的此理論值。首先懷疑的是閥門之間的接觸面，對所有的閥門都作了檢查，并且對其方位作微調(diào)整。其次考慮是PAKSCAN控制程序軟件包的控制程序有問題，最后考慮是否因為Degremont公司改變了軟件中的反沖洗次序，從而使得系統(tǒng)難以正常運行。經(jīng)調(diào)整后現(xiàn)在當(dāng)反應(yīng)器需要沖洗時，Pakscan控制系統(tǒng)可以及時接受終端信號，并且能夠進行人工控制反沖洗。2.7.4 高負荷澄清池（DENSADEG）超負荷運行問題發(fā)生在投入運行階段的另一個主要問題是，高峰流量進入高負荷澄清池時導(dǎo)致污泥層的懸浮物溢流至第二處理階段。對濾池運行造成不利影響。設(shè)計高負荷澄清池時，它是能容納最大流量的，并且加上反沖洗水。在正常流量條件下，3座高負荷澄清池中2座運行即可，而在高峰流量時，再運行第三座高負荷澄清池來解決水力超負荷問題。2.8 運行資料在運行期間（1996年15月）和于1996年8月開始的維護期間，已經(jīng)對各種不同類型的參數(shù)進行了分析，如BOD、SS和氨氮濃度。在1996年15月的運行期間獲得的資料結(jié)果表明污水廠的出水達到綜合排放標準。圖5、6表明，污染物的突然變化并沒有影響到污水廠的穩(wěn)定運行，出水濃度仍能保持在BOD去除率為97，氨氮去除率為98。在第二階段（1996