膜生物反應器處理造紙廢水研究

王 磊

(中國電力建設股份有限公司，北京 100048)

0 引言

近年來，造紙工業飛速發展，其排放的廢水占全國排放的9.89%。造紙廢水若處置不當，其排放對于全國廢水總排放BOD的貢獻值超過25%［1］。將生物反應器與膜分離相結合而形成的膜生物反應器被認為是廢水處理與回用的新型技術，并得到廣泛研究和應用。膜生物反應器技術有較強的懸浮物去除能力，可以提高污泥的濃度，達到強化處理的效果以及較為寬泛的處理濃度范圍［2-6］。與傳統污水處理廠相比，生物反應器在體積、處理效果、自動化方面均有優勢，但是需要承擔較高的處理費用、膜污染等問題［7-9］。

1 材料和方法

1.1 中試MBR系統

中試外置式MBR反應器示意圖如圖1所示。系統由生物反應池和外置膜池組成，有效容積為500 L。廢水由集水池經進水泵提升至生物反應池，安裝減壓閥和氣體流量計調節曝氣量。生物反應池中設置兩個水位傳感器控制池內水位，在線探頭分別檢測水溫、溶解氧濃度和pH。混合液由離心泵輸送到膜池內進行泥水分離。膜池內裝有三個壓力傳感器分別測定進口、出口和過濾壓力。

膜組件技術參數表見表1。

1.2 試驗材料

試驗接種污泥為某污水處理廠剩余污泥。該污泥沉降性能良好，反應器初始接種MLSS=4 830 mg/L，SVI=89 mL/g。系統采取不排泥，通過進水對接種污泥進行馴化和培養，污泥濃度逐漸增長。污泥濃度達到10 000 mg/L開始對系統排泥，使污泥齡保持在30 d左右，穩定運行后污泥濃度在15 000 mg/L左右。生物池溶解氧濃度維持在2 mg/L～3 mg/L。運行壓力介于0.5 bar～1.5 bar。反應器進水為實際造紙廢水，混合造紙廢水水樣取自集水池出水，水質指標見表2。

COD，MLSS，色度等指標均采用標準方法測定。

圖1 中試膜生物反應器裝置

表1 膜組件技術參數

表2 進水水質特征

2 結果與討論

2.1 COD生物降解效果

試驗期間系統進水與出水COD濃度變化如圖2所示。由于系統進水取自造紙廠廢水集水池實際廢水，進水COD在2 487 mg/L～5 905 mg/L內波動，變化較大。但系統仍表現出良好的COD去除能力。穩定運行階段，進水COD濃度為3 900 mg/L左右，出水COD為250 mg/L左右，COD平均去除率為93.7%。系統對COD去除效果穩定，表現出較強抗沖擊負荷能力。

Dufresn·R等發現:對于COD和懸浮固體的去除而言，MBR方法更占優勢，去除率可以分別達到99%和90.0%［10］。韓懷芬等［11］發現要提高污泥濃度使得COD降低至100 mg/L以下，水利停留時間18 h比較合適。然而水利停留時間為40 h的活性污泥法，其COD仍然無法降至100 mg/L以下。

圖2 膜生物反應器對COD的去除效果

2.2 色度去除效果

試驗期間系統對色度的去除效果如圖3所示。測定色度的波長設定為436 nm。試驗期間進水色度變化較大，在10 m－1～80 m－1范圍內波動。出水色度在試驗初期波動較大，到試驗后期，能穩定維持在10 m－1以下。色度平均去除率為79.2%。

研究表明單獨MBR工藝對造紙廢水色度去除效果有限。需要后續處理工藝或者組合工藝進一步降低出水的色度。Roozi等人采用納濾技術能有效地將造紙廢水色度降低到1 m－1以下［12］，而在一份與光催化相結合的膜生物反應器處理研究中，研究者發現該方法對于濁度、色度、COD均有較高的去除率［13］。

圖3 膜生物反應器對色度的去除效果

2.3 污泥濃度變化

試驗期間系統內污泥濃度變化如圖4所示。啟動運行初期，采用不排泥，通過進水對接種污泥進行馴化和培養，污泥濃度逐漸增長。經過100 d左右的運行，MLSS由接種時的4 850 mg/L逐步增加至10 000 mg/L左右。考慮到高污泥濃度和長污泥齡會加快膜污染速度，降低膜壽命，此后將系統SRT控制為30 d，遠長于傳統活性污泥工藝。由于采用膜組件進行混合液泥水分離，試驗期間系統內污泥濃度呈緩慢增加的趨勢。到達穩定階段后，MLSS維持在15 000 mg/L左右。第75天和第200天，系統發生運行事故，造成系統內污泥濃度的降低。

圖4 運行期間污泥濃度變化

2.4 膜通量和跨膜壓差變化

進水水質、膜材料、膜組件形式和操作條件等因素都能影響膜組件滲透通量。對于特定的膜組件，膜通量的變化主要取決于進水組分在膜內部和膜表面積累造成的膜污染。試驗期間膜通量和跨膜壓差的變化如圖5所示。接種污泥開始運行后到實驗的第150天，膜組件跨膜壓差增長緩慢，與此同時膜通量緩慢下降。150 d以后，跨膜壓差迅速增加，膜通量急劇下降。

圖5 運行期間膜通量與跨膜壓差變化

隨著膜生物反應器的運行，膜污染問題開始逐步顯現出來。若不進行有效的清洗，將降低膜處理效率，增加電費成本。比較常見的處理方式除膜更換之外還有利用化學、物理方法等清洗［14，15］。本實驗中，啟動運行后到第150天，膜通量下降緩慢，此后跨膜壓差有一個明顯的上升，伴隨膜通量的顯著下降。繼續運行到第240天，跨膜壓差急劇升高，此時膜通量已降低到最低并趨于不變。表明此時膜污染已非常嚴重，需要進行清洗以恢復過濾能力。而從保持系統較高產水量的角度，在第150天左右就需對膜組件進行清洗，以避免膜通量的顯著下降，同時減少膜污染對膜的使用壽命的影響。

3 結語

1)膜生物反應器能高效處理造紙廢水，穩定運行階段，進水COD濃度為3 900 mg/L左右，出水COD為250 mg/L左右，COD平均去除率為93.7%;出水色度在試驗初期波動較大，到試驗后期，能穩定維持在10 m－1以下，色度平均去除率為79.2%。

2)系統穩定后，MLSS維持在15 000 mg/L。較長的污泥停留時間和高污泥濃度使系統有機負荷低，污泥產量少。同時試驗期間跨膜壓差增長緩慢，綜合考慮膜組件清洗周期為150 d。

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