MBR運行參數對處理船舶含油餐飲廢水的影響

劉喜元，李樹，謝承利，王良武

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

2中國農業機械化科學研究院，北京100083

MBR運行參數對處理船舶含油餐飲廢水的影響

劉喜元1，李樹2，謝承利1，王良武1

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

2中國農業機械化科學研究院，北京100083

膜生物反應器（MBR）處理船舶含油廢水在工程中得到了廣泛的應用，為了研究膜生物反應器運行參數對處理船舶含油餐飲廢水的影響，通過生產油脂產生的廢水模擬船舶含油廢水的水質特性，搭建小型膜生物反應器陸上試驗系統，用光譜儀等儀器測量化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）及氨氮等參數。研究膜生物反應器的水力停留時間（HRT）、COD和BOD及氨氮、膜壓力、污泥濃度等指標之間的關系。系統穩定運行了70天。研究結果表明：膜生物反應器對油脂廢水中COD、油、總碳（TOC）和BOD的去除率達80%以上，對氨氮的去除率達50%以上；油對膜的污染有較大影響。

船舶污水處理；膜生物反應器；水質特性；水力停留時間；含油餐飲廢水

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.038.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：劉喜元，李樹，謝承利，等.MBR運行參數對處理船舶含油餐飲廢水的影響［J］.中國艦船研究，2016，11（2）：133-138.

LIU Xiyuan，LI Shu，XIE Chengli，et al.Effects of operating parameters of MBR on the treatment of ship's restaurant oily wastewate［rJ］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：133-138.

0　引　言

船舶是流動的平臺，船員在生活過程中會產生大量的含油餐飲廢水，而廢水的排放會對水域產生嚴重的污染，尤其是在船舶錨泊、靠港時，并且污染的水域隨著船舶的航行也會呈現出污染范圍擴大的趨勢。雖然目前在國際防污公約及大多數國家的環境保護法規中未對船舶餐飲廢水提出具體的排放指標要求［1］，但鼓勵處理后再排放，且隨著技術水平和環保要求的逐步提高，對含油餐飲廢水處理后達標排放將成為必然趨勢。

而在船舶含油餐飲廢水的收集和處理上，中餐與西餐具有不同的特點。與西餐相比，中餐含油量大、殘渣多，處理中餐產生的含油廢水使我國船舶污水處理技術面臨更大的挑戰。船舶管路管徑較小，而含油餐飲廢水中含有油脂、固體顆粒，油脂聚集凝結后容易附著在管壁上，使管徑不斷“縮小”，固體顆粒則容易堆積在彎頭、閥門處造成堵塞。與岸上工程相比，受船舶空間和排水量限制，含油餐飲廢水在處理過程中的水力停留時間（HRT）、沉淀池容積設置、殘渣預處理及膜污染后的清洗都是污水處理過程中需要解決的難題。

膜生物反應器（MBR）由于出水水質好，穩定性高，可獲得比普通活性污泥法高得多的生物濃度，能極大地提高生物降解能力和抗負荷沖擊能力［2］，因而作為一種成熟的污水處理技術被廣泛應用于工業廢水、生活污水的處理，成為當前污水處理技術的主流方向。

盡管MBR在處理含油餐飲廢水方面己有較多的研究，但不同的HRT情況下，對于MBR處理含油餐飲廢水過程中溶解性有機物特性（DOM）的研究仍處在不斷探索中，而溶解性有機物的物質組成及結構變化與污染物的降解和膜污染速率密切相關［3］。本文將結合船舶餐飲廢水水量和成分波動大的特點，采用小型系統原理模型的方法，研究船舶含油餐飲廢水中污染物對膜的影響以及生化處理的效果。為保證研究的穩定性，試驗中采用含油廢水替代含油餐飲廢水。

1　含油廢水的水質特性

含油廢水中的有機組分大多以動植物油、脂肪酸和膠質等物質為主，基本上可以被生物降解。因船舶含油餐飲廢水的水質波動大，采集困難，采用了某油脂生產車間經預處理后的廢水作為試驗研究對象，其含油率基本穩定，易于獲取和存儲。搭建的處理含油廢水的小型膜生物反應器系統穩定運行了70天，得到如表1所示的處理后的水質特性結果。其中，化學需氧量（COD）、油、總碳（TOC）和生化需氧量（BOD）的含量仍較高，均未達到GB 18918-2002［4］規定的國家一級排放標準。而從BOD/COD的比值（平均0.51）來看，廢水中的污染物主要是生物可降解性有機物。

表1　含油廢水的水質特性Tab.1　Water quality characteristics of oily wastewater

由于常規的生物工藝出水中殘留的有機污染物濃度和濁度仍相對較高，故需進一步采用強化處理技術去除這些污染物，以減小對環境的影響。近年來，MBR技術在難降解的工業廢水和洗浴廢水處理中已相繼應用。有關研究人員采用MBR對工業含油廢水進行了處理，發現能有效去除工業含油廢水中的難降解有機物。目前，用于含油廢水深度處理的技術包括氣浮、無機膜過濾等工藝，而采用MBR處理含油廢水的相關報道則相對較少［5］。因此，有必要對實際工程應用MBR系統中的膜污染問題進行較為系統的研究，以提供高效和穩定運行的科學依據。

2　試驗模型

為了驗證含油廢水對MBR的影響，根據船舶污水處理工藝搭建了小型膜生物反應器試驗系統，如圖1所示。試驗系統由調節池、好氧池和膜池等組成，系統的主體采用有機玻璃加工，以便實時觀察池內液位狀態，并通過量杯分別采集調節池和清水池的水樣進行分析。作為試驗模型的進水水樣和出水水樣，進水流量由進水計量泵控制，每天的進水量約為25 L。

圖1　MBR試驗系統示意圖Fig.1　Schematic diagram of the MBR test system

試驗系統各組成部件參數如下：

1）調節池。用于貯存含油廢水，按照產水每天25 L計算，定期采集水樣，調節池的總容積約為50 L。

2）好氧池。用于降解水體中的有機物，培養污泥，采用微孔曝氣為微生物提供一個良好的生存環境，HRT按照12 h計算，有效容積按照24 L計算，總容積約為30 L。

3）膜池。用于安裝膜組件，試驗用膜組件選用PVDF膜，有效膜面積0.05 m2，HRT按照2 h計算，有效容積按照4 L計算，總容積約為12 L。

4）清水池。用于存放產水，容積為20 L。

3　試驗儀器

使用的試驗儀器如下：

1）掃描電子顯微鏡。用于觀察污染前后膜絲表面的形貌變化及其截面的變化。

2）壓汞儀。用于測量膜絲的孔徑和孔隙率。

3）電子萬能試驗儀。用于測量拉伸強度和延展率。

4）接觸角測定儀。用于測量樣品材料表面水滴與表面之間的夾角，反映樣品材料表面的親疏水性。

5）耦合等離子體發射光譜儀。用于測量膜絲表面沉積的無機離子濃度，包括鈣、鎂、鋁、鐵、硅、磷、錳和銅等，可以反映MBR試驗中膜絲上無機物的污染情況。

6）傅立葉變換紅外光譜儀。用于測量膜絲外表面沉積的有機污染物。

7）X射線光電子能譜儀。用于對膜絲外表面沉積的有機和無機元素進行整體定量分析，以更精確地分析膜絲表面污染物元素的含量。

4　含油廢水處理的試驗結果

試驗采用連續運行方式，含油廢水通過進水泵從調節池進入好氧池，在好氧池中經過充分的充氧后推流進入膜池，膜池的液位通過液位計控制，整個系統通過PLC自控箱控制。每隔一段時間采集反應器內的水樣，進行水質分析。下面介紹水質分析后得到的MBR中HRT對COD、油、TOC、氨氮及BOD的去除率的影響。膜通量對過膜壓力（TMP）的影響和溶解氧（DO）、溫度、pH值及污泥濃度的變化情況，最后對試驗結果進行分析。

4.1HRT對COD去除率的影響

HRT是涉及污水生物處理系統的一個重要參數，它不僅與系統的處理效果有關，還直接決定了生物反應器容積的大小［6］。試驗系統穩定運行后，測量含油廢水進、出水的COD含量，定期采集水樣，共取樣16次。如圖2所示，進水的COD含量在1 400～2 000 mg/L之間，出水的COD含量在150～380 mg/L之間。

圖2　HRT對COD去除率的影響Fig.2　Removal effect of HRT on COD

從測量結果可以看出，COD的去除率隨著HRT的變化而變化，但當HRT為70和140 h時，COD的去除效果差別不大，平均去除率為85.2%，相應的出水濃度為233.6 mg/L。有研究表明：COD的去除與污泥濃度有關，隨著系統連續運行時間的增加，污泥濃度不斷累積，可揮發性污泥濃度（MLVSS）與污泥濃度（MLSS）的比值卻呈下降趨勢。MBR系統對COD的去除效果隨污泥負荷的增加存在著先降后升的現象［7］。

4.2HRT對除油率的影響

試驗系統穩定運行后，測量含油廢水進、出水的含油量，定期采集水樣，共取樣16次。如圖3所示，進水的含油量在4 100～6 200 mg/L之間，出水的含油量在120～280 mg/L之間。

圖3　HRT對除油率的影響Fig.3　Removal effect of HRT on oil

由圖3可知，進水中油的變化幅度較大，而出水中的含油量則較穩定，除油效果隨著HRT的變化而變化，平均除油率為93.8%，相應的出水濃度為310.1 mg/L。

4.3HRT對TOC去除率的影響

試驗系統穩定運行后，測量含油廢水進、出水的TOC含量，定期采集水樣，共取樣16次。如圖4所示，進水的TOC含量在630～980 mg/L之間，出水的TOC含量在80～120 mg/L之間。

圖4　HRT對TOC去除率的影響Fig.4　Removal effect of HRT on TOC

由圖4可知，去除TOC的效果隨著HRT的增加而逐漸平穩，TOC的平均去除率為88.4%，相應的出水濃度為95.7 mg/L。

4.4HRT對氨氮去除率的影響

試驗系統穩定運行后，測量含油廢水進、出水的氨氮含量，定期采集水樣，共取樣16次。如圖5所示，進水的氨氮含量在4～34 mg/L之間，出水的氨氮含量在1～4.8 mg/L之間。

圖5　HRT對氨氮去除率的影響Fig.5　Removal effect of HRT on ammonia nitrogen

由圖5可知，氨氮的去除率隨著HRT的增大而逐漸平衡，氨氮的平均去除率為51.3%，相應的出水濃度為3.9 mg/L。

4.5HRT對BOD去除率的影響

試驗系統穩定運行后，測量含油廢水進、出水的BOD含量，定期采集水樣，共取樣16次。如圖6所示，進水的BOD含量在700～1 150 mg/L之間，出水的BOD含量在20～50 mg/L之間。

圖6　HRT對BOD去除率的影響Fig.6　Removal effect of HRT on BOD

由圖6可知，BOD的去除效果隨著HRT的增加而逐漸平穩，BOD的平均去除率為97.5%，相應的出水濃度為22.6 mg/L。

4.6膜通量對過膜壓力的影響

膜通量對膜污染的潛在趨勢可以以膜所承受的壓力來表現［8］，TMP對膜污染的試驗結果如圖7所示。可以發現，當膜通量較高（15 L/h）時，隨著時間的增加，TMP變化較大。而將膜通量降低到8 L/h以下時，相應的TMP得到了有效控制，約在2～8 kPa之間。

圖7　膜通量對膜污染潛在趨勢的影響Fig.7　Effect of TMP on membrane fouling trend

當膜通量維持在15～20 L/h之間時，TMP的變化較明顯，增加較為迅速。通過每周一次的化學清洗（500 mg/L次氯酸鈉浸泡6 h）后，TMP有所降低，但隨后又迅速增加。當將膜通量維持在5～8 L/h時，TMP得到了控制，維持在2～6 kPa之間。

4.7溶解氧、溫度和pH值的變化

試驗中，處理含油廢水的MBR共運行了70天，溶解氧、溫度和pH值每天測量3次，試驗結果如圖8所示。

圖8　MBR的運行狀況Fig.8　Experimental conditions of MBR

整個系統在運行過程中溫度保持在30～35℃之間，因為溫度的變化會加劇膜污染的速率，低溫會加劇膜污染［9］。但是，當微生物適應低溫環境后，膜污染速率會逐漸減緩，而低溫時MBR的出水水質并未受到明顯的影響［10］。由于原水的pH值較小，水體呈現酸性，因此，在調節池中將水體的pH值調至6.5～7.5之間，整個系統運行過程中的溶解氧保持在1～3 mg/L之間。

4.8污泥濃度的變化

如圖9所示，整個系統在運行過程中MBR中的污泥變化較為明顯，隨著MBR的運行，SV30（曝氣池混合液在量筒靜止沉降30 min后污泥所占的體積百分比）持續增加，最終維持在80%～95%之間。由于調節池底部沉積物（無機雜質）進入MBR，而且系統運行后一直未排污泥，因此，在后期運行過程中，MLSS逐漸增加到20 000 mg/L，但系統中的MLVSS基本維持在2 000～4 000 mg/L之間，整個系統對有機物的去除率仍然較高。

圖9　MBR中的污泥性狀變化Fig.9　Changes of the sludge in MBR

4.9試驗結果分析

從以上試驗結果可以看出，該試驗系統對COD、油、TOC、氨氮和BOD均具有較好的去除效果。由于廢水中的有機成分較為復雜，水體中難降解的有機污染物也較多，因此，出水中部分有機污染物還需進一步物化處理。污染物去除效果的差異是由系統有機負荷率的變化引起的［11］，表2為采用MBR處理含油廢水的試驗結果。

表2　MBR處理含油廢水的效果Tab.2　Treatment effects of oily wastewater by MBR

從表2可以看出，油和BOD的去除率最高，其出水分別為310.1和22.6 mg/L，說明水體的可生化性較好。COD和TOC的去除效果相當，出水分別為233.6和95.7 mg/L，說明水體中的大部分有機物被降解，殘留的有機物大多為難以生物降解的有機物。整個系統的氨氮降解率不佳，出水氨氮含量為3.9 mg/L，這可能與進水中的氨氮太少有關，但依然達到了GB 18918-2002規定的國家一級排放標準。

5　結　論

基于建立的試驗系統，對MBR處理含油廢水的試驗過程進行了監測。重點研究了HRT對COD、油、TOC、氨氮、BOD去除率的影響和膜通量對過膜壓力的影響，以及MBR中溶解氧、溫度、pH值、污泥濃度的變化情況。通過研究，得出如下結論：

1）MBR處理含油廢水，對于COD、油、TOC、氨氮和BOD有著很高的去除率，BOD和氨氮的含量達到國家一級排放標準。

2）當膜通量較高（15 L/h）時，隨著時間的增加，TMP變化較大，而將膜通量降低到8 L/h以下時，相應的TMP得到了有效控制。

［1］ 中國船級社.經1978年議定書修訂的1973年國際防止船舶造成污染公約［S］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］ 劉韓超.原水COD/N對膜生物反應器膜污染的影響研究［D］.濟南：山東大學，2011.

［3］ 吳志超，何磊，王志偉.水力停留時間對溶解性有機物特性的影響［J］.同濟大學學報（自然科學版），2011，39（4）：556-561. WU Zhichao，HE Lei，WANG Zhiwei.Influence of hydraulic retention time on characteristics of dissolved organic matter［J］.Journal of Tongji Universerty（Nat?ural Science Edition），2011，39（4）：556-561.

［4］國家環境保護總局.城鎮污水處理廠污染物排放標準：GB 18918-2002［S/OL］.［2015-01-22］.http:// wk.baidu.com/view/5eee62747fd5360cbaladb50？uid= 1456452693567_20&ssid=31399dblec664609b36209 e1b4de200.3.1456452724.1TVDJMpXngmK#1.

［5］JUDD S，JUDD C.Principles and applications of mem?brane bioreactors in water and wastewater treatment ［M］.Amsterdam：Elsevier，2006.

［6］FANG H H P，YU H Q.Effect of HRT on mesophilic acidogenesis of dairy wastewater［J］.Journal of Envi?ronmental Engineering，2000，126（12）：1145-1148.

［7］李秀芳，吳建堃，孫美俠.污泥濃度對MBR凈化效果影響試驗研究［J］.廣東化工，2014，41（4）：74-76. LI Xiufang，WU Jiankun，SUN Meixia.Effect of sludge concentration on removal efficiencies of mem?brane bioreactor［J］.Guangdong Chemical Industry，2014，41（4）：74-76.

［8］邢鍇，張宏偉，龍樹勇，等.MBR中中空纖維膜和板式膜不同的膜污染機理［J］.天津大學學報（自然科學與工程技術版），2009，42（11）：1028-1033. XING Kai，ZHANG Hongwei，LONG Shuyong，et al. Different fouling mechanisms of hollow fiber membrane bioreactor and flat sheet membrane bioreactor［J］. Journal of Tianjin University（Natural Science Edi?tion），2009，42（11）：1028-1033.

［9］ROSENBERGER S，LAABS C，LESJEAN B，et al. Impact of colloidal and soluble organic material on membrane performance in membrane bioreactors for municipal wastewater treatment［J］.Water Research，2006，40（4）：710-720.

［10］李菊，唐書娟，王志偉.溫度對膜生物反應器運行特性及膜污染的影響［J］.環境科學與管理，2010，35（5）：110-114. LI Ju，TANG Shujuan，WANG Zhiwei.Effect of tem?perature on the operating characteristics and mem?brane fouling in membrane bioreactor［J］.Environ?mental Science and Management，2010，35（5）：110-114.

［11］袁麗梅，張傳義，張雁秋，等.水力停留時間對膜生物反應器復合工藝污水處理特性的影響［J］.環境污染與防治，2007，29（5）：363-366. YUAN Limei，ZHANG Chuanyi，ZHANG Yanqiu，et al.Effect of HRT on the performance of a step-feed hy?brid MBR process treating synthetic domestic wastewa?ter［J］.Environmental Pollution and Control，2007，29（5）：363-366.

Effects of operating parameters of MBR on the treatment of ship's restaurant oily wastewater

LIU Xiyuan1，LI Shu2，XIE Chengli1，WANG Liangwu1
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences，Beijing 100083，China

Membrane bioreactor（MBR）has been widely applied to the treatment of ship's oily wastewater. To study the operating parameters of MBR on the treatment of oily wastewater produced by onboard restau?rants，wastewater is first produced from axunge which simulates the water characteristics of ship's oily wastewater，and a small shore-based MBR system is subsequently founded.Chemical Oxygen Demand （COD），Biochemical Oxygen Demand（BOD），ammonia nitrogen are tested with the measuring device like spectroscope.The relationship between the Hydraulic Retention Time（HRT）s，COD，BOD，ammonia nitro?gen，membrane pressure and sludge concentration during the 70 days operation of the MBR system is also studied，which shows that the MBR could remove the COD，oil，TOC，BOD by over 80%and ammonia nitro?gen by over 50%in oily wastewater.Furthermore，the research also indicates that the oil greatly affects the membrane fouling.

ship sewage treatment；membrane bioreactor（MBR）；water quality characteristic；Hy?draulic Retention Time（HRT）；restaurant oily wastewater

U664.9

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.019

2015-01-25網絡出版時間：2016-3-17 10:56

劉喜元，男，1965年生，研究員。研究方向：船舶輔助機械。E-mail：364574447@qq.com

王良武（通信作者），男，1985年生，碩士，工程師。研究方向：船舶輔助機械。

E-mail：wyhylq@163.com