采用膜生物反應器處理回用洗浴廢水

周超，夏四清，高乃云，楚文海

(同濟大學 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海，200092)

一般城市污水處理大多采用活性污泥處理系統，如常規活性污泥法、氧化溝(OD)等。而隨淡水短缺和更嚴格環境法規的推動，膜生物反應器技術(Membrane bioreactor, MBR)已成為生活污水的主要治理方法之一[1]。膜生物反應器技術作為一種將傳統活性污泥生物降解技術(CAS)和高效多孔膜分離技術相結合的一種新型廢水處理技術[2-4]，兼顧污水處理和再生使用兩方面功能，具有占地少、污泥排放量低、出水水質高等優點[5-6]，廣泛應用于市政廢水、工業廢水和地表水治理[7-9]，特別是在中水回用方面的巨大潛力，使其受到國內外的普遍關注[10]。膜生物反應器在污水處理工藝的應用研究起源于20世紀60年代末的美國[11]，20世紀80年代后期，其作為一種很有前途的技術已成功應用到世界不同地區的城市污水處理中[12]。我國對膜生物反應器污水處理工藝的研究起步相對較 晚[13]。同濟大學三好塢水體屬于典型的封閉式校園景觀水體，長期處于嚴重的富營養狀態。同濟大學洗浴廢水處理中水回用示范工程，以節水節能為目的，在學生浴室旁安裝了一套生產規模裝置，用以 MBR工藝為主體，以氣浮、曝氣生物濾池為輔助的組合工藝將具有水量變化大、污染輕、水質穩定等特點的洗浴廢水再生利用，出水回用于三好塢景觀水體，實現對外零排放。本文作者采用上述膜生物反應器對洗浴廢水進行處理回用研究，確定該工藝最佳運行參數，并考察其用于洗浴廢水回用的可行性。

1 實驗裝置與方法

試驗期間，洗浴廢水水質變化情況如表1所示。

1.1 工藝流程

同濟大學洗浴廢水回用處理工藝流程如圖 1所示，其主要處理單元是容積140 L的曝氣池。膜生物反應器內裝有聚乙烯中空微濾膜塊，其表面積為3 m2，孔徑為0.4 μm，空氣由抽氣泵通過膜塊下方的軸向多孔管進入，提供給微生物氧氣。調節池洗浴廢水通過抽水泵吸入生物反應池，水泵由水位指示器控制，保持試驗期間曝氣池內固定水位。膜濾出水通過連接膜塊的抽水泵抽吸，出水流速和跨膜壓差分別通過流量計和真空計監控。

1.2 測試方法

化學需氧量(COD)采用重鉻酸鉀法測定；氨氮(NH3-N)采用納氏試劑比色法測定；總氮(TN)質量濃度采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；混合液懸浮固體(MLSS)、混合液揮發性懸浮固體(MLVSS)和懸浮物(SS)質量濃度采用重量法測定；生物化學需氧量(BOD5)采用微生物傳感器快速測定法測定；總磷(TP)質量濃度采用鉬酸銨分光光度法測定；膜生物反應器臨界通量通過通量步進方法確定[14]。

1.3 污泥馴化

接種污泥取自曲陽污水廠曝氣池回流污泥(ρ(MLSS)為 9.85 g/L), 污泥沉降比為 72%)，污泥質量濃度為 2.50 g/L，外觀棕褐色，鏡檢生物相豐富。啟動生物反應池內回流泵，使整個反應池的污泥處于不斷循環的狀態，系統暫不出水，同時投加一定量營養物質維持污泥營養，悶曝2 d。停止回流泵，采取連續流(水量7 L/(m2·h))進行馴化，控制廢水COD5質量濃度，使馴化過程中進水陰離子表面活性劑(LAS)含量逐步升高，直至完全成為原廢水，以求污泥逐漸適應廢水水質，最終實現運行穩定，使處理水量(7 L/m2·h)逐步遞增至次臨界通量區(12～15 L/m2·h)。

表1 試驗期間洗浴廢水水質Table 1 Quality of bath wastewater during test

圖1 洗浴廢水回用處理工藝流程圖[6]Fig.1 Flow diagram of treatment process[6]

2 實驗結果與討論

2.1 MBR運行參數優化

2.1.1 MBR臨界通量

圖2所示為臨界通量測定圖。由圖2可見：每階通量值遞增2～3 L/(m2·h)，歷時30 min；當通量達到17 L/(m2·h)，跨膜壓差增加較為迅速，故臨界通量在15～17 L/(m2·h)區域范圍。MBR恒流操作分為3個區域：超臨界區(17 L/(m2·h)以上)、臨界區(15～17 L/(m2·h))和次臨界區(15 L/(m2·h)以下)。MBR在超臨界區運行時，跨膜壓差上升很快，而在次臨界區，跨膜壓差變化緩慢。因此確定膜通量在次臨界區運行。

圖2 臨界通量測定圖[6]Fig.2 Measurement of critical flux[6]

2.1.2 最佳曝氣量

當曝氣強度小于經濟曝氣強度時，懸浮固體向膜表面運動的速度大于懸浮固體脫離膜表面的速度，導致懸浮固體迅速在膜表面沉積，此時膜污染主要由懸浮固體在膜表面的沉積所控制，跨膜壓差上升速率隨曝氣強度減小而增加；而當曝氣強度大于經濟強度時，膜污染主要由溶解性有機物在膜表面的沉積所控制，此時跨膜壓差上升速率隨曝氣強度增大而增大。如圖3所示，經分析確定曝氣量為450～550 L/(m2·h)。

圖3 跨膜壓差與曝氣強度關系[6]Fig.3 Relationship of transmembrane pressure and aeration strength[6]

2.2 水質指標變化

水力停留時間t是膜生物反應器運行中的一個重要操作參數，降低停留時間會導致較高的有機負荷率，而提高停留時間會得到更好的去除效果[15]。本試驗以水質指標去除率對t的變化情況進行工藝參數優化，同時對MBR活性污泥性能進行分析。

2.2.1 CODCr的去除

表2所示為水質指標去除率對水力停留時間的變化。由表2可知：試驗初期，即污泥馴化期，膜池上清液以及出水都隨進水水質而波動，處理效果不理想。隨污泥逐步適應水質進入適應期，上清液和出水水質得到改善，出水完全達標，此時活性污泥十分活躍。在污泥成熟期，由于污泥漸漸老化，溶解性物質和胞外聚合物逐漸增多。但由于膜的截流作用，出水水質仍穩定。開始膜的截留作用不明顯，因為膜只能截留較大分子污染物，而由于生物作用，較大分子污染物已被分解，且膜面的凝膠層尚未形成。隨時間推移，膜面凝膠層的逐步形成，從而增大了膜的去除效果。

表2 水質指標去除率對水力停留時間t的變化Table 2 Removal rate of water quality index on t %

2.2.2 總氮的去除

膜生物反應器出水 TN質量濃度始終低于 15 mg/L，達標準要求。馴化初期脫氮效果不太好且上清液和出水總氮變化隨進水總氮而變化。適應階段處理效果較好，說明膜生物反應器內污泥活性較好且已適應水質。盡管之后進水總氮有時較高，但去除效果均較理想，說明生物膜有一定的抗沖擊負荷能力。上清液總氮和出水總氮差值不大，這是因為總氮是無機物，過膜水平高，所以，膜對其截流作用不強，只有膜面凝膠層對總氮有一定去除作用。

2.2.3 氨氮的去除

由于曝氣以及膜的截流作用，截流了世代時間較長的亞硝化細菌和氨氧化細菌，MBR對氨氮的去除極好。初期就有較高的去除率，隨時間推移去除率逐漸增加并趨于穩定，最后達到90%，出水氨氮含量接近于0。

2.2.4 總磷的去除

污泥生長需要一定的磷且進水含磷量較少，所以MBR對其去除較高，甚至達100%。只有個別情況，由于進水總磷含量太低去除率不是很高，后期去除沒有預想中穩定，有可能是系統未排泥。

2.2.5 LAS的去除

馴化初期系統對 LAS[16]去除不高，出水 LAS含量未達標。隨時間推移，LAS去除率逐漸增加直到馴化結束時已接近80%。從膜池生物去除率來看，好氧生物的作用較大，隨時間去除率進一步提高，高達90%且相對穩定，說明活性污泥對LAS已經適應。污泥能在短時間內適應水質是因為接種污泥取自生活污水處理廠，而生活污水處理廠水中也含有一定的LAS，因此，接種污泥中有些污泥已有去除LAS的能力。

2.2.6 BOD5的去除

馴化初期，上清液和出水水質隨進水而波動，BOD5含量已較低，生物去除吸收較快。適應期膜生物反應器出水十分穩定，最低去除率為95%，最高為100%，說明活性污泥對BOD5的去除相當有效。

2.2.7 濁度的去除

表3所示為濁度和懸浮物去除率對水力停留時間的變化。從表 3可看出：MBR具有較強的去除能力(去除率為99%)；濁度反映水中SS對光線透過的阻礙程度，測定結果表明MBR能優質出水。經過38 d的測定，發現 SS和濁度去除率較穩定，不需再繼續檢測。

2.2.8 污泥特性

用生活污水廠的污泥作為接種污泥，可較快適應污水水質，易于接種馴化。圖 4所示為馴化期污泥MLSS變化曲線。由圖4可知：馴化期污泥質量濃度一直呈增長趨勢，初期增長較快，之后增長較為穩定，保持在2.20～2.50 g/L之間。

圖4 馴化期污泥MLSS變化曲線Fig.4 MLSS curve of sludge in domesticated period

圖5所示為運行期污泥MLVSS與MLSS質量濃度變化曲線。由圖5看出：污泥總體呈增長趨勢，且在 2.50～4.00 g/L之間。活性污泥特征參數 f (f為MLVSS與MLSS濃度比)變化不大，可看出污泥的活性一直很強，從氮的去除也可說明這一點。

表3 濁度和懸浮物去除率對水力停留時間t的變化Table 3 Removal rate of turbidity and SS on t %

圖5 運行期污泥MLVSS與MLSS質量濃度變化曲線Fig.5 Mass concentration of MLVSS and MLSS of sludge in operating period

3 結論

(1) MBR運行的最佳工藝參數如下：通量值為13～15 L/(m2·h)；抽停出水時間為 12 min，停止 3 min；曝氣量為 450～550 L/(m2·h)；缺氧池水力停留時間為1.3～1.5 h；好氧池水力停留時間為3～4 h；污泥停留時間為60～80 d；污泥濃度為3.00～4.00 g/L。

(2) 該條件下工藝對洗浴廢水的處理效能較高，化學需氧量、總氮、氨氮、總磷、陰離子表面活性劑、生物化學需氧量、濁度的去除率均高于90%，甚至達100%，有很好的脫氮除磷效果，也有一定的抗沖擊負荷能力，可保證COD5去除率較高，同時保證膜通量，出水水質能夠達到標準。

(3) 膜生物反應器工藝用于凈化補償河道水取得了較好效果。采用MBR結合BAF、氣浮等工藝處理洗浴廢水。試驗證明，膜生物反應器用于洗浴廢水回用是可行的。

[1] YANG Wen-bo, Cicek N, Ilg J. State-of-the-art of membrane bioreactors: Worldwide research and commercial applications in North America[J]. J Membr Sci, 2006, 270: 201-211.

[2] Fallah N, Bonakdarpour B, Nasernejad B, et al. Long-term operation of submerged membrane bioreactor (MBR) for the treatment of synthetic wastewater containing styrene as volatile organic compound (VOC): Effect of hydraulic retention time(HRT)[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 178: 718-724.

[3] Pierre L C. Membrane bioreactors and their uses in wastewater treatments[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2010, 88: 1253-1260.

[4] 王偉國, 李日強, 王愛英. 序批式膜生物反應器處理生活污水污染物去除特性研究[J]. 水處理技術, 2010, 36(11): 96-99.WANG Wei-guo, LI Ri-qiang, WANG Ai-ying. Study on removal of pollutants from domestic wastewater by sequencing batch membrane bioreactor[J]. Technology of Water Treatment,2010, 36(11): 96-99.

[5] 謝元華, 朱彤, 徐成海, 等. 膜生物反應器中膜污染影響因素的研究進展[J]. 化學工程, 2010, 38(10): 26-32.XIE Yuan-hua, ZHU Tong, XU Cheng-hai, et al. Research progress in influence factors on membrane fouling in membrane bioreactor[J]. Chemical Engineering (China), 2010, 38(10):26-32.

[6] GUO Ji-feng, XIA Si-qing, WANG Rong-chang, et al. Study on membrane fouling of submerged membrane bioreactor in treating bathing wastewater[J]. Journal of Environmental Sciences, 2008,20: 1158-1167.

[7] Melin T, Jefferson B, Bixio D, et al. Membrane bioreactor technology for wastewater treatment and reuse[J]. Desalination,2006, 187(1/2/3): 271-282.

[8] YANG Wen-bo, Cicek N. State of the art of membrane bioreactors: worldwide research and commercial applications in North America[J]. J Membr Sci, 2006, 270(1/2): 201-211.

[9] McAdam E J, Judd S J. A review of membrane bioreactor potential for nitrate removal from drinking water[J]. Desalination,2006, 196(1/2/3): 135-148.

[10] Jefferson B, Laine A L, Judd S J, et al. Membrane bioreactor and their role in wastewater reuse[J]. Water Science and Technology,2000, 41(1): 197-204.

[11] 胡建東, 完顏華. 污水處理中膜生物反應器工藝的探討[J].煉油技術與工程, 2004, 34(4): 59-62.HU Jian-dong, WAN Yan-hua. Exploration on MBR process for waste water treatment[J]. Petroleum Refinery Engineering, 2004,34(4): 59-62.

[12] Visvanathan C, Ben Aim R, Parameshwaran K. Membrane separation bioreactors for wastewater treatment[J]. Crit Rev Environ Sci Technol, 2000, 30(1): 1-48.

[13] 李國會, 王玉玲, 王麗蕓. MBR處理工藝的發展與應用[J]. 中國環境管理干部學院學報, 2009, 19(2): 43-46.LI Guo-hui, WANG Yu-ling, WANG Li-yun. Development and application of MBR treatment process[J]. Journal of EMCC,2009, 19(2): 43-46.

[14] Tewari P K, Singh R K, Batra V S, et al. Membrane bioreactor(MBR) for wastewater treatment: Filtration performance evaluation of low cost polymeric and ceramic membranes[J].Separation and Purification Technology, 2010, 71: 200-204.

[15] MENG Fan-gang, SHI Bao-qiang, YANG Feng-lin, et al. Effect of hydraulic retention time on membrane fouling and biomass characteristics in submerged membrane bioreactors[J].Bioprocess Biosyst Eng, 2007, 30: 359-367.

[16] XIA Si-qing, GUO Ji-feng, WANG Rong-chang. Performance of a pilot-scale submerged membrane bioreactor (MBR) in treating bathing wastewater[J]. Bioresource Technology, 2008, 99:6834-6843.