船舶污水處理設備中預處理對膜污染的影響

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(中國農業機械化科學研究院，北京 100083)

膜分離技術較其它技術更能高效、徹底和可靠地處理船舶生活污水,使排放水滿足IMO標準，故發達國家早在10年前就紛紛將膜分離技術應用于大型郵輪、艦船生活污水的處理。我國船舶污水處理采用膜技術較晚，在工藝研究、處理規模、可靠性上與發達國家仍有巨大的差距，經其處理的污水難以達到現行標準要求[1-2]。為滿足2010年1月1日IMO開始施行新的污水排放標準MEPC.159(55),研究膜技術與生物技術結合的工藝在船舶生活污水處理設備上應用具有重要的意義。

1 船用膜-生物反應器工藝分析

早在2000年前，美、英、德、加等國研究并開發了船用膜-生物反應器(membrane bio-reactor，MBR)，將膜分離技術與生物技術結合處理污水，高效地進行固液分離，其設備體積僅有傳統污水處理設備的1/2～1/4，剩余污泥產量小，僅為常規污水處理方法的1/5～1/7，可節約占地空間。由于膜的高效截留作用，使得出水穩定，可以直接作為生活雜用水使用。

國際上船用污水處理設備采用MBR工藝技術的主要公司有：Hamworthy，GE(前加拿大ZENON公司)、Rochem、Scanship、Hydroxy、Evac等。這些公司的產品在大型游船、軍艦上使用，日處理量可達100 m3以上。2004年美國海岸警衛隊(USCG)和阿拉斯加環境部(ADEC)對裝先進的污水處理設備(MBR)的250人以上大型游船的污水排放做了30 d的取樣檢測，檢測結果表明，裝有先進的污水處理設備的船舶排水都能滿足阿拉斯加水域嚴格的排放要求。

以上公司采用了不同的膜結構。目前典型的代表是采用外置管式膜組件的HAMWORTHY公司和采用內置簾式中空纖維膜的ZENON公司(GE);HAMWORTHY公司采用管式膜，模組件外置，工藝流程見圖1。

圖1 HAMWORTHY公司設備工藝流程

ZENON公司采用中空纖維膜，膜組件置于生物反應器內，工藝流程見圖2。

圖2 ZENON公司設備工藝流程

從以上兩種流程來看，無論采用外置管式膜還是內置簾式膜,其前端都采用了過濾裝置。由于船舶內沒有較大空間來滿足固形物的沉淀，因此在污水進入生化反應器前，必須在較短的時間、在流動情況下去除大的固形物，滿足MBR工藝的要求。由于污水處理裝置一般勻安裝在甲板下，因此要求過濾裝置具有體積小、良好的密封性，并具有排渣功能。國外不同公司也具有不同的過濾方式。如Hamworthy的MBR系統采用壓濾過濾方法去除紙張和其它固形物;Rochem.Bio-fit系統采用振動篩去除較大的固形物，并在其反滲透膜前再加裝細篩進一步去除纖維以及頭發等。Zenon Zee Weed MBR系統預處理采用了兩級篩去除固形物和纖維等。Scanship的處理系統用采用轉鼓過濾篩去除固形物。由此可見，當MBR工藝用于船舶污水處理系統時，其預處理部分比陸用MBR預處理的要求高，預處理系統的優劣成為能否充分發揮MBR功能和系統中膜組件可靠運行的關鍵。

2 國內MBR工藝分析

我國近幾年也研制出了新型(MBR工藝)船用生活污水處理裝置，在部分新造艦船及改裝艦上開始試用。代表性的工藝是：污水進曝氣柜耗氧消化，然后再通過接觸氧化進一步消化，經沉淀后再通過膜過濾外排，和采用序批式活性污泥法(SBR)與膜過濾結合的處理工藝相比，雖然兩種代表性工藝處理后的水質均能夠滿足MEPC．159(55)決議排放要求，但這兩種工藝流程都存在不足。

1)為保證膜過濾的要求，進入膜過濾的水中懸浮物有一定要求，這就需要生化池污泥具有好的沉降性。而活性污泥的沉降性受多因素的影響：溫度、pH、溶解氧、鹽度及污泥濃度等。一般污水處理裝置都安裝在甲板下，船艙溫度較高，加之曝氣裝置產生的溫度，以造成水溫上升，當水溫超過30 ℃時，水的溶氧能力下降，同時微生物的代謝加快，這時易產生水中溶解氧偏低，絲狀菌成為優勢菌群，造成污泥上浮。污水中鹽度、pH變化大也會造成污泥的沉降性能變差。此外船舶航行也會影響污泥的沉降。

2)污泥濃度不易過高。一般生化柜污泥濃度不要超過4 500 mg/L，過高的濃度會影響污泥的沉降性，影響出水。因此，這將降低設備的運行效率。根據MBR反應器運行數據，當反應器內污泥質量濃度達到5 000 mg/L時，污泥的沉降性較差；當污泥質量濃度達到6 000 mg/L時，0.5 h幾乎不沉淀。

3)活性污泥培養過程較長，設備啟動慢，抗沖擊負荷能力較差。當來水沖擊負荷大時，污泥容易上浮，而水力負荷沖擊大，這正是船舶污水的特性之一。

因此，如果不能控制好前處理，將加速膜的污染，增加膜的清洗次數或造成膜的報廢。因此，要保證設備能穩定運行，要求具有較復雜的操作技能和經驗，管理比較繁瑣，與國外先進的處理裝置相比，在可靠性、操作性及維修性等方面仍存在一定差距。針對這一問題，試驗研究預處理對膜運行的影響，優化工藝設計。

3 試驗

3.1 試驗樣機

CWM5船用污水處理設備由中國農業機械化科學研究院研發生產。樣機設有沉淀柜，柜內設有粗過濾器，過濾精度2～5 mm，之后是調節柜、生物反應柜及膜柜組成。調節柜與生物反應柜之間裝有細過濾器，過濾精度0.5～1.0 mm。設備配有通風系統、液位計、電磁流量計、溫度儀、電控系統等。該設備日處理污水10 m3。工藝流程見圖3。

圖3 樣機工藝流程

粗過濾器能按事先設定時間自動通曝氣沖刷，防止堵塞，無需人工清理。細過濾裝置截留的細渣通過過濾器壓力開關或定時器進行自動反沖洗，將渣排出。

3.2 污水來源

為盡可能接近船舶污水處理的水質，不經過沉淀，直接在化糞池內安裝污水泵獲取污水，污水泵的啟停由設備內的液位計控制。當沉淀柜液位在低位時，污水泵啟動，當液位到高位時，污水泵自動停止。

3.3 膜材料

膜材料采用PVDF中空纖維簾式膜，具有很好的抗污染、抗氧化、耐酸堿、透水量大等優點。

4 試驗方法

用污水泵將污水打入設備中，啟動風機供氧，經1周培養，泥漿質量濃度達4 500 mg/L時，即可進行試驗。試驗過程中對進水、出水取樣，對SS、COD、BOD5、大腸桿菌等指標進行檢測，并觀察膜壓和出水量的變化。流量1 m3/h，可通過進水閥門調節，電磁流量計監控，膜壓通過出水壓力表觀查，出水流量0.5 m3/h，通過變頻器調節出水泵進行調節控制，并通過電磁流量計監控。

5 結果與分析

在不使用細過濾器時，污水進入沉淀柜后，因重力作用，大的懸浮物被內置粗過濾器截住，污水進入調節柜，然后經生物反應柜、膜柜，通過膜過濾后排放。運行初期，膜壓、出水量都很穩定，膜壓在0.012～0.014 MPa之間。其間對進水的懸浮物取樣檢測，平均值>1 000 mg/L，出水水質達標，見表1。

表1 進水懸浮物質量濃度

經近80 d試驗，前30 d運行平穩，后30 d膜壓上升到0.02 MPa,之后膜壓開始緩慢上升，第45～60 d膜壓從0.025 MPa上升到0.028 MPa，60 d后，膜壓快速上升到0.03 MPa以上，這時出水量很快下降，由10 m3/d下降到4 m3/d以下，此刻測得污泥質量濃度6 600 mg/L，經觀測，0.5 h內污泥幾乎不沉降。

膜壓與出水變化見圖4、5。

圖4 膜壓的變化

圖5 出水量的變化

此時停機，將膜柜水排出，可觀察到膜污染狀況，見圖6。此刻膜片上已粘滿污泥，污泥已發黑，說明污泥粘在膜上并堆積已有一段時間，造成污泥缺氧而變黑。將污泥清洗后，膜絲上仍掛有很多纖維和毛發，并纏繞在一起，清洗很困難。由于膜絲相互纏繞，靠氣流沖刷膜絲抖動能力減弱，造成膜片上污泥堆積。試驗現象與數據說明僅采用粗過濾不能有效防止纖維等懸浮物進入膜柜。

圖6 膜污染狀況1

關閉連通閥，將污水加壓，通過細過濾器過濾后進入生物反應柜。運行60 d，膜壓穩定在0.018 MPa，運行120 d后膜壓開始緩慢上升；到第140 d，膜壓上升到0.036 MPa，出水下降了40%，此刻污泥質量濃度達7 300 mg/L,見圖7、8。

圖7 膜壓變化

圖8 膜出水變化

此時將膜柜水排出，觀察膜表面，可以看到膜表面較干凈，但也有少量的污泥堆積，將污泥清洗后，膜絲上有少量纖維和毛發，主要集中在膜頂部，見圖9。

圖9 膜污染狀況2

試驗結果表明，增加細過濾極大延緩了膜的污染，延長了膜的清洗周期，是未加細濾穩定運行時間的2倍。在試驗期間，對出水水質、大腸桿菌的指標也作了抽樣本送普尼(PONY)檢測，檢測結果均能滿足IMO MEPC.159(55)排放標準，見表2。

表2 出水水質

注：E．Coli24個樣本中有兩個樣本大腸桿菌的濃度分別為79和84 MPN/(100 mg·L-1)，分析認為可能是取樣時被污染，故沒有計算在平均值內。

6 結束語

增加預處理過濾裝置，對MBR工藝穩定運行有著很重要的作用；裝有預處理裝置的設備較沒有裝預處理的設備運行穩定性更好，膜的清洗時間可延長1倍以上。通過去除污水中細小纖維，防止纖維等纏繞在膜絲上，清洗較為方便，可在膜柜內清洗，不用取出，大大減少了維護強度，簡化操作過程，提高了設備使用效率。雖然此次試驗表明加裝預處理裝置能有效地改善膜的清洗周期，但過濾后的污水中還是存在少量的渣；此外過濾的渣反沖回沉淀柜，在允許排污的海域排放，而國外該類設備預處理污水后產生的渣收集后進行焚燒。

此外,該次試驗中的SS平均值為1 000 mg/L，大于船級社船用生活污水處理裝置認可的進水SS要求(>500 mg/L)，但據有關研究報告[2]，實測SS平均值大于2 000 mg/L，因此，如何進一步改進過濾裝置，完善該系統還需要進一步研究。

[1] 馬如中，何麗君.膜分離技術在船用生活污水處理裝置上的應用[J].船海工程，2010，39(6):4-6.

[2] 董良飛．船舶生活污水污染特征及控制對策研究[D]．西安：西安建筑科技大學，2005.