中空纖維膜生物反應器應用于城市住宅小區生活污水資源化處理的研究

劉建艷

(天津市津南區環保監測站,天津300350)

1 水資源危機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分布上很不平衡,南方多北方少,北方大部分地區人均水資源更低。在北方干旱半干旱地區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;隨著經濟發展和城市比進程的加快,城市缺水問題變得尤為突出。當前相當部分城市水資源短缺,城市缺水范圍不斷擴大,缺水程度日趨嚴重。據統計,全國669個城市中,400個城市常年供水不足,其中有110個城市嚴重缺水,日缺水量達1600萬m3,年缺水量60億m3,由于缺水每年影響工業產值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重威脅。

天津市的引灤人津工程曾為天津的生存和發展發揮了巨大作用,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,從2000年開始,已經3次從黃河緊急調水給天津,沿途省市為此付出了很大代價。雖然引黃濟津暫時解決了水危機,但黃河水也十分緊缺,保證率不高,不是長遠之計。因此,對于天津這樣的資源性缺水性城市,不但要找水,更重要的是大力發展回用水技術,節水技術,使每一滴水更大限度的發揮作用。

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、生產用水中,約40%的水是與人們生活緊密接觸的,而多達60%的水使用在工業用水,農業灌溉,環衛用水和小區居民雜用水等方面。如將這部分用中水替代,在水質標準上是完全允許的。同時節約了大量的新鮮水源。將中水引入小區,實現雙路供水是建設節水型城市的重要體現。小區中自引中廁用水、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小區項目都有中水回用設施。將中水管線直接進入用戶的馬桶內用于沖廁。既避免了居民誤飲誤用,又使得管理收費方便易行。

2 居民住宅小區小水回用現狀及主要處理技術

一般住宅小區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。使得雜排水水質有逐漸變好的趨勢,水質可生比性比較強,但水量變化較大。因此用簡單的處理方法很難達到回用水標準。根據小區污水回用系統的自身特點和規律,工程設計應該注意：小區污水處理設施的建設應遵循城鎮排水總體規劃和專項規劃;處理設施的占地和污泥產量應盡量少。選擇性能穩定的設備,管理維護應簡便易行;處理系統應有較強的抗水量、水質波動的能力。以適應小區水質、水量波動較大的特性。一般均需設置調節池;處理系統應達到國家有關惡臭、噪聲等標準,不能影響小區居民的正常生活。結合目前國內外小區中水回用的實際情況。目前采用的生化工藝主要有生物接觸氧化法,SBR和膜生物反應器工藝等。

2.1 生物接觸氧化法

接觸氧化法是小區污水處理中較常用的處理技術。該工藝具有操作簡便、不需回流污泥、抗沖擊負荷等優點。通過合理設計可以達到脫磷除氮的處理效果。整個處理裝置可以埋地設置。上部仍可覆土、綠化,裝置的開停可以由調節池水位自動控制。但其污泥量相對較大,污泥穩定性較差。使后續污泥處理設備較復雜。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,是近年來國內外污水處理領域研究日趨增多并引起廣泛重視的處理技術。該工藝的基本特點是運行時按照進水、反應、沉淀、排水、排泥5個工序,依次在一個池子中周期進行。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,而不是連續流提供的空間程序上的污水處理。即在時間上污染物基質具有濃度梯度——與推流式相同。在空間上基質濃度完全相同——具有完全混合式的特點,也就是說該工藝集中了兩種地型的優點同時避免了其固有的缺陷。但是我國目前相關配套設備較少,主要依靠進口,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 膜生物反應器

近年來,隨著膜生產技術的提高和生產成本的降低,膜技術在污水處理領域中的應用,特別是與生物反應器相組合的膜生物反應器(MembraneBioreactor)已經成為目前公認的水處理高新技術,MBR綜合了膜處理技術和生物處理技術的優點,在緊湊的空間內同時實現微生物對污染物質的降解和超濾膜對污染物質的分離,而降解與分離之間又存在著協同作用,是一種高效、實用的污水處理技術,已經廣泛應用于中水回用、污水處理、以及各種工業廢水的處理中。目前全球已有8000多套MBR裝置在正常運行,處理規模在6～13000m3/h。美國2000年用在MBR裝置上的膜組件銷售額達67.5億美元,年增長速度約為13%,說明這一技術具有強大的生命力。隨著科技的進步,我國對MBR的研究和應用正在處于高速發展時期,隨著膜制造技術革新的技術進步,膜使用壽命的提高和膜成本的降低,MBR技術在污水處理與回用事業中所起的作用越來越大。膜生物反應器工藝流程如圖3。

圖3 膜生物反應器工藝流程圖

膜生物反應器(MBR)是將膜分離技術和生物處理技術有機結合的一種優化的污水處理技術,其主要特點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器。如曝氣池內,不受二沉池重力分離效果的影響,因此反應器內活性污泥濃度高,泥齡長且根據需要可人為凋節,膜分離截留了微生物也截留了難降解的物質。由于泥齡長微生物可將這些易降解和難降解的物質徹底降解,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。這樣不但使出水水質優良,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用技術。此外,由于本方案采用的膜的孔徑只有0.2μm,其在進行泥水分離的同時,可以截流部分致病病毒及絕大部分的致病微生物。經綜合比較.膜生物反應器具備有以下一些特點。

(1)反應器中生物污泥濃度可高出常規活性污泥的5～10倍,即可達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,硝化也可進行完全,因此出水水質非常好,最大限度地減少了污水對環境的污染。

(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大量費用用于處理污泥的難題得以較好解決。出水水質很好,高于三級處理或國家雜用水的標準。因為沒有二沉池的沉淀分離問題。因此不用擔心污泥膨脹、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。各種生物反應器處理污水時,其活性微生物總量是關鍵,即V?X是關鍵(V,反應器容積,X,生物濃度),如果VX=C不變,當X增加5倍時,則V就減少5倍。因此MBR生物反應器容積可比常規生物法小的多,再加上其出水相當或優于三級處理的出水,所以MBR一個反應器又可取代三級處理的若干處理單元,所以在占地和運行以及造價上都更加優越。工藝簡單,單一的反應器取代眾多處理設施,因此也很便于自動化PLC控制。

3 小區生活污水和處理資源化中試研究

為了深刻了解小區污水的特性,確定最優化的工藝流程,探討膜生物反應器最優運行工況,對其進行了中試規模的研究。這對該技術推向實際應用有著重要意義。在總結膜生物反應器處理生活污水多項研究成果的基礎上,進行了處理水量在 3.36～4.32m3/d的位差式中空纖維膜生物反應器處理人工配水的中試試驗研究。試驗結果表明：該技術具有較強的技術可靠性,完全可以應用于實際生活污水回用工程。

3.1 試驗主要設備

(1)膜生物反應器。反應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。反應器內置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)控制系統的運行。

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

3.2 運行狀況分析

中空纖維膜膜生物反應器處理污水實驗進行了約4個月,設計出水流量200L/h采用間歇運行方式,運行期間無反洗,無人工及化學清洗,實驗期間無排泥。實驗裝置運行其他條件,運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。間歇運行,8min出水,2min停止空曝氣。

3.3 實驗結果及討論：

3.3.1 COD的去除

整個實驗運行期間進水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%沖擊負荷對出水COD去除率沒有影響。這說明系統的穩定性和可靠性。

在實際污水處理工程中。沖擊負荷是難以避免的,這部分研究是考察COD沖擊負荷對膜通量的影響。在正常運轉的情況下,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 運行方法

將原水引人調節池中。完成膜生物反應器內的污泥培養與馴化,并向每個膜生物反應器內投加15kg粉末活性炭。打開控制系統電源,預熱10～15min。檢查并調整各儀表、閥門狀態,使整個系統水氣管路正常、通暢。在觸摸屏上,先進人設置菜單,進行各項目選擇。輕觸“自動”,此時整個系統按照PLC設定的程序開始運行。運行過程中,要注意觀察在線流量計、電流表的數值變化。如發現異常,要及時停車檢查。

3.3.3 日常保養和維護

(1)排泥、加炭。膜生物反應器定期每周排泥一次,每個反應器的排泥量約為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),需停止反應器出水,至手動,啟動鼓風機對膜組件進行曝氣沖刷6h后,即正常運轉。(要選擇在排水低峰時進行)每天定時巡視,發現異常情況應關閉反應器,進行檢查修理。二氧化氯發生器保持全天性連續工作。檢查二氧化氯發生器的工作情況,及時補充所需的原料。

4 結語

經過2年的科研實驗和工程實際研究,在東方設備廠寫字樓和生活區中水回用工程的實際設計運行基礎上,已掌握了膜生物反應器在城市和生活小區生活污水和處理資源領域的關鍵技術。相信在各級政府的推動下,膜生物反應器在污水資源化領域會有越來越美好的前景。