生物膜法組合工藝處理高濃度生物質廢水的試驗研究

應云飛， 朱衛兵， 江桂紅， 馬建鋒， 許 淮

（1.維爾利環保科技集團股份有限公司， 江蘇 常州 213125；2.常州大學， 江蘇 常州 213002）

0 引言

某園區生產運營過程中熱力資源電廠、 生物質綜合處理廠和污泥處理廠等產生的廢水需集中處理， 其中高濃度污水主要來自熱力電廠垃圾坑的滲瀝液和生物質綜合處理廠經厭氧后的高濃度沼液[1]。該廢水有機物和氨氮濃度較高， 其性質與垃圾滲濾液相似[2]，屬于高濃度難降解的有機生物質廢水[3]。

高濃度生物質廢水常見處理方法有生物法、物化法和生物膜法組合技術等幾種。生物法是廢水處理中最常用的一種方法， 由于其運行費用相對較低、處理效率高，污染物有效去除，二次污染少[4]，具體的工藝形式有厭氧生物處理和好氧生物處理[5]。 物化法包括絮凝沉淀、活性炭吸附、膜分離和化學氧化法等[6]。物化法是垃圾滲濾液處理的重要單元， 較少單獨使用，且運行成本高，一般有二次污染物產生。 生物膜法組合膜生化反應器（MBR）技術采用超濾取代傳統的二沉池[7]，通過超濾膜的截留作用將微生物完全截留在生化系統中， 實現水力停留時間和污泥齡的完全分離，使生化反應器內的污泥濃度提高，從而提升反應器的容積負荷，使反應器容積減小，使污泥泥齡得到大幅延長。

本研究擬通過膜法組合工藝對此類廢水進行處理，驗證COD 出水是否達到GB16889—2008《生活垃圾填埋污染控制標準》中的表2 限值，通過試驗探討工藝技術參數， 為后續工程項目的實施提供設計依據。

1 材料和方法

1.1 原水水質

本次實驗以某生物質廢水處理廠混合廢水為研究對象，其水質為：ρ（COD）為35 000 ～55 000 mg/L，ρ（BOD5）為15 000 ～35 000 mg/L，ρ（NH3-N）為800 ～1 500 mg/L，ρ（TN）為1 000 ～2 500 mg/L，pH 值在5.5～7.5 之間。 水質渾濁，呈弱酸性，黃褐色，有惡臭。

1.2 試驗裝置和流程

試驗裝置工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程示意

試驗裝置包括上流式污泥床厭氧反應器（UBF）、外置式膜生物反應器（MBR）和反滲透（RO）3 個單元。

（1）上流式污泥床厭氧反應器（UBF）:UBF 反應塔圓柱尺寸為Φ2 400 mm×6 800 mm， 有效容積為27 m3。 反應器下部有上流式污泥床，中部填料床，中上部澄清區，頂部沼氣室。內置采用軟性帶狀高分子材質聚乙烯（PE）生物膜條填料，填料高度為3 m；COD 容積負荷為8.0 kg/（m3·d），溫度為35℃，表面負荷為0.06 m3/（m2·h），沼氣產率為0.42 m3/kg。 進水泵流量為1.0 m3/h，功率為0.37 kW；外部配備循環泵流量3.0 m3/h，功率為0.55 kW；頂部配備沼氣氣體收集的水封和管道。

（2）外置式膜生物反應器（MBR）：緩沖水池有效容積為3 m3，內置穿孔曝氣管；提升泵流量為1.0 m3/h，功率為0.37 kW；風機風量為6 m3/min，功率為7.5 kW；缺氧池圓柱尺寸為Φ400 mm×1 500 mm， 有效容積為150 L，內置攪拌器；好氧池圓柱尺寸為Φ600 mm×1 500 mm， 有效容積為400 L； 超濾輸送泵流量為12.0 m3/h,功率為1.5 kW，臥式離心泵；超濾采用圓柱尺寸為Φ100 × 1 200 mm 有機管式膜組件， 材質PVDF，膜面積為6.4 m2，3 支串聯。

（3）反滲透（RO）:超濾清液罐有效容積為3 m3；反滲透裝置為成套設備， 處理規模為進水1.0 m3/h，65%的系統回收率。 配備聚酰胺材質的膜元件和相應的耐壓膜殼及水泵， 其中進水泵流量為1.0 m3/h，功率為0.37 kW；增壓水泵流量為1.0 m3/h，功率為1.5 kW，揚程為180 m；循環水泵流量為3.0 m3/h，功率為0.55 kW。

實驗流程如下：

（1）UBF 調試：取附近城市污水處理廠厭氧污泥作為生物接種菌源，投入廢水儲池中加水溶解，通過進水泵打入UBF 反應塔中，啟動外置循環泵實施UBF 的內部循環，當UBF 反應塔池液位高度為6 m時，改厭氧污泥水為生物質廢水，按10 ～15 m3/d 的水量進水，并測試頂部是否有氣體產生，待UBF 出水水質中主要指標如COD 有下降趨勢，則將水量提升至20 m3/d， 并逐漸觀測沼氣產生的連續性和穩定性，完成接種厭氧調試工作[8]。 該過程需要3 個月時間。

（2）MBR 接種：在厭氧調試接近2 個月后開始進行好氧接種調試， 取附近城市污水處理廠硝化活性污泥作為生物接種菌源。 取硝化池容積5%～10%的硝化活性污泥， 粗濾后通過生化反應器布水系統加入好氧池，通過曝氣進行生物接種，啟動超濾輸送泵回流至缺氧池，再自流至好氧池形成內部循環。在2 周內根據好氧池溶解氧情況和原水水質， 適當提升厭氧后的廢水處理量。pH 值控制在7 ～8 左右；通過調節供氣量大小維持ρ（DO）在3 ～4 mg/L；每班測定各段其COD、污泥濃度、pH 值、溶解氧、水溫等基礎數據，根據測試結果調整進水量、曝氣強度。 該過程需要1 個月時間。

（3）RO 調試及全流程運行：RO 調試屬于機械式檢查，主要用清水測試水泵的正反轉向和壓力等，防止跑冒滴漏。 當UBF 和MBR 進入正常狀態，逐步增加進水量到設計處理能力，啟動RO 裝置，調整進出水量和操作壓力，測試其出水水質數值。

當UBF 和MBR 其它運行參數均符合工藝要求，如COD 去除率60%～70%，出水ρ(NH3-N)＜25 mg/L 時，可轉入全過程連續運行。

2 結果與討論

2.1 UBF 對COD 的去除效果

UBF 厭氧反應器內部以高分子材質軟性填料為流化載體，高濃度廢水作為流水介質，厭氧微生物以生物膜形式依附于軟性填料表面， 在循環泵作用下反應器中下段集水，將廢水吸入至中上部布水，形成較高速的下向流，廢水在填料生物區，和長滿生物膜的微生物區充分混合并不斷循環。 反應器中部空間所架設的填料，微生物在其表面生長，且在其空隙中截留懸浮微生物，由于填料的存在，夾帶污泥的氣泡在上升過程中與之碰撞， 加速了污泥與氣泡的分離，從而降低了污泥的流失，有效實現高濃度有機物的降解[9]。 UBF 厭氧反應器系統對COD 的處理效果見圖2。

圖2 UBF 對COD 的去除效果

由圖2 可知，UBF 進水的COD 濃度變化較大，平均質量濃度為48 000 mg/L，厭氧生化處理系統剛開始對COD 的處理效果不明顯，隨著厭氧菌種對水質的適應，去除能力逐步提升，出水COD 變化相對較小，在60 d 后漸漸運行達到穩定階段并控制在12 000 mg/L 以下。在3 個月的調試期間，平均去除率為68.9%，最高去除率可達到78.8%。

2.2 MBR 對COD 去除效果

MBR 由缺氧池、好氧池和超濾膜組件3 部分組成， 大量的活性微生物在好氧池內與廢水中的可降解有機物充分接觸， 通過氧化分解作用進行新陳代謝以維持自身生長、繁殖，同時使有機物降解[10]。 好氧池中實現NH3-N 轉化為硝酸鹽氮的過程，包括2個步驟：由亞硝酸菌參與的NH3-N 轉化為亞硝酸鹽的反應； 由硝酸鹽菌參與的亞硝酸鹽氮轉化為硝酸鹽的反應。 缺氧池中實現將產生的硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成N2的步驟。超濾膜組件通過機械截留篩分等廢水和污泥混合液進行固液分離。 大分子物質等被濃縮后返回缺氧池中再自流入好氧池， 從而避免了微生物的流失。 MBR 對COD 的處理效果見圖3。

圖3 MBR 對COD 的去除效果

由圖3 可知，MBR 對COD 的去除效果明顯，運行60 d 后超濾出水COD 質量濃度可控制在1 200 mg/L 左右，平均去除率為84.2%，最高去除率達到89.3%。

生物處理系統和膜分離組件的有機結合， 不僅提高了系統的出水水質和運行的穩定程度， 還延長了難降解大分子物質在生物反應器中的水力停留時間，加強了系統對難降解物質的去除效果。

2.3 RO 對COD 的去除效果

反滲透膜分離的基本特點是以壓力差為推動力，傳質機理一般認為溶劑的擴散傳遞，透過膜的物質是水溶劑，截留物質為溶質、鹽、懸浮物和大分子及離子等[11]。 在生物膜法組合工藝穩定運行的過程中， 高濃度生物質廢水經UBF 及MBR 生化處理后COD 質量濃度在1 000 mg/L 左右， 超濾出水注入RO 系統后， 出水COD 質量濃度低于50 mg/L，BOD質量濃度下降至4 mg/L 以下，TN 質量濃度降至0 ～5 mg/L，TSS 出水質量濃度為0 ～10 mg/L，系統可穩定運行，大部分水質指標低于檢測極限，水質可達回用水標準。 RO 系統對COD 的處理效果見圖4。

由圖4 可知，RO 出水COD 質量濃度在60 d 后可控制在50 mg/L 以下， 最低質量濃度為38 mg/L，RO 系統平均去除率為93.9%。

3 結論

（1）UBF 對高濃度生物質廢水有較好的去除效果， 進水質量濃度在48 000 mg/L 時，60 d 可控制在12 000 mg/L 以下，平均去除率為68.9%，最高去除率可達到78.8%。

（2） 由缺氧池、 好氧池和超濾膜組件組成的MBR 系統對UBF 出水中COD 的去除效果明顯，在60 d 可控制在1 200 mg/L 以下平均去除率為84.2%，最高去除率達到89.3%。

（3）通過RO 系統出水COD 質量濃度在60 d 后可控制在50 mg/L 以下， 最低質量濃度為38 mg/L，RO 系統平均去除率為93.9%。

（4）生物膜法組合工藝可有效的分階段處理高濃度生物質廢水。借鑒成熟的垃圾滲濾液處理工藝，結合具體水質，也可處理達標排放。