船用污水脫氮裝置的設計和應用

楊 真，田大冰，王 捷

（滬東中華造船集團有限公司，上海 200129）

隨著全球經濟的發展，人類對資源的需求越來越大，海洋是一個巨大的能源寶庫，并且隨著海洋開發技術的不斷發展，海洋資源的開采大量增加。但是隨著海洋資源的不斷開采，海洋污染問題也越來越嚴重，海洋污染問題成為全世界關注的重點問題。船舶是海洋資源的重要運輸工具，全球大約80%的資源運輸通過船舶進行，船舶的污水排放對于對海洋造成了不同程度的污染和生態破壞，其中船舶生活污水中含氮元素眾多，這些氮元素對于海洋具有十分重要的危害作用，致使海洋富營養化等問題的出現，因此對于船舶生活污水進行脫氮處理是海洋船舶污水治理的重要課題。船用MBR（Membrance Bio-Reactor，膜生物反應器）是膜技術和生化處理技術有機結合而產生的高效污水處理技術，目前在船用脫氮中較為常用的一種方法。但是目前對于MBR在船用脫氮處理方面還不夠成熟，因此，為了降低船舶污水處理設備體積、提升處理效率、同時克服惡劣的海洋環境對污水處理設備的穩定性，展開對船用MBR的研究，設計了船用污水脫氮裝置，這就可以加大對船舶生活污水排放的控制，進一步保護河流以及海洋環境，避免出現更多的海洋環境污染，對人類健康以及經濟都造成破壞。

1 基于船用MBR的污水處理流程

膜生物反應器（MBR）結合了膜分離技術以及生化處理技術的新型污水處理技術，反應器內包含了大量的活性污泥，主要功效為凈化水體。MBR膜反應技術是目前處理船舶生活污水重要的方式，相比其他方式具有設備小、處理效率高等優點，因此廣泛應用在的海上船舶污水脫氮處理中。MBR膜生物反應材料采用纖維膜材料，一般的纖維膜材料采用聚丙烯材料。

基于船用MBR的污水處理流程如圖1所示，首先通過初步篩選系統將生活污水中的大顆粒漂浮物篩出，隨后將污水運輸到生物降解裝置中進行生物降解，處理好的污水直接排放到海水中，底泥根據處理情況排入到焚燒爐中焚燒。

圖1 MBR式船用生活污水處理流程

在上述的流程，好氧曝氣柜跟膜分離裝置進行一體化焊接，好氧曝氣柜的有效處理廢水容積為1.15 m3.將預處理的污水導入到曝氣柜中，經過浸沒式膜組件過濾裝置，通過出水泵將處理好的污水排入到大海之中，而沉淀后的污泥排出。同時好氧曝氣柜的另一功能則是提供充足的氧氣，提高微生物降解有機物的效率，同時減少膜污染的發生。因此在該好氧曝氣柜中設置了5片膜反應材料，膜反應組件下方設置進氣孔來生成氧氣。

船舶生活污水進入到在MBR中，以及凈化水的排出部分則是應用PLC自動控制技術運用感應器來控制水位、壓力、時間等參數，且會將所有的控制信息都保存在核心處理器中，且可以根據需求調整、優化感應器參數。

2 船用污水脫氮裝置的設計

船用污水中會存在大量的氮，它會對海水產生較大的副作用，必須要在污水排放前進行處理。本文設計的船用污水脫氮裝置基于多級環流氣升式MBR膜生物，結合了多級環流技術、膜技術和生化處理技術來進行脫氮設計，具體的設計如圖2所示。

圖2 基于MBR膜生物的脫氮裝置圖

本文設計的基于MBR膜生物的脫氮裝置包含了四個部分：

（1）進水系統則主要包含了配水箱、上水箱、粉碎泵等裝置，主要通過PLC系統來控制水量的進出，浮球閥用來確保水箱內水量的充足，上水泵則根據水箱內的水位變化來選擇是否注入水。

（2）進水和反沖洗部分包含了出水箱、流量計、膜組件、電磁閥等部件。通過電磁閥來控制反應池內經過了處理后的水是否排出，若需要排出則通過真空泵完成膜組件內的反沖洗步驟。

（3）曝氣部分包含了曝氣頭、曝氣泵、流量計等部件，主要是確保反應器內有充足的氧氣。空氣通過曝氣泵的曝氣頭運輸到反應器內，且曝氣頭還會控制氣體的均勻分布。

該脫氮裝置主要是應用在處理生活污水人數為30人，每人每天產生70 L污水，MBR反應器每天的總處理量為：

30×70＝2 100 L

每小時水流量為：

2 100/24=87.5 L

設定水力停留時間HRT=8 h，反應器內水每天三次循環更新，總容量為2 100 L.

8h處理量為：

2 100/3=700 L

故反應器的有效容積：

V≥700 L

對膜組件作為膜反應器的核心部件，對于膜反應器的處理性能具有非常重要的影響。通過上述計算得到的反應器計算量，接下來則要對膜組件的水箱容量以及水流量速度等進行設計。膜組建的選型主要考慮設計流量、處理水質和設計成本三方面的因素：當水質較差時，則需要較多的膜組件成本則會增加；而當水流量逐步也增大時，對于成本的要求也會增高，因此必須要平衡三者之間的關鍵。綜合考慮之后選擇FP-AI型號膜組件進行設計。膜組件參數如表1所示。

表1 膜組件參數

首先進行實驗裝置以及儀器的選擇，由于在整個過程中，裝置的密封性具備非常高的重要性，對于微生物的活動有非常重要的影響以及空氣的控制等，因此本文主要闡述了真空泵的選擇。對于對于泵的選擇主要影響因素為膜端阻力、管道阻力、閥門阻力和泵的揚程等，由此選擇真空泵作為出水泵，這就符合實驗環境。而在分析了真空泵的控制層參數后，選擇真空泵的型號為25ZB-2-20，揚程為20 m.見表2.

表2 泵的計算參數

在實驗過程中采用預處理-曝氣-反洗復合工藝減緩膜污染，當過濾膜被污染發生阻塞后，壓力傳感器觸發PLC控制系統進行自動化學清洗。其中各個分析項目俊才用國家標準檢測方法，例氮檢測應用鈉式分光光度法、PH采用PH儀等。

3 實驗結果分析

船用污水脫氮裝置基于多級環流氣升式MBR膜生物，常規分析項目包括COD、BOD5、溶解氧、Mlss、氨氮、PH、鹽度、污泥沉降比等，這些項目均采用國家標準檢測方法試驗，船用污水的具體水質如表3所示。通過表3可知，當前水質偏酸性，且氮含量較高，因此要加強對廢水中氮元素的處理，污水在同故宮脫氮裝置后基本可以實現污染物質的處理，達到污水排出要求，提高了水質的凈化功能。

表3 廢水水質

3.1 污水處理運行參數

在試驗期間，水溫設置為17℃左右，PH值設置為7-8左右，污水中溶解氧為0.8-2.3 mg/L，出水流量為230 L/h.MBR處理有機物主要通過兩個方面去除膜生物反應器中的微生物，一方面通過菌類的代謝溶解污水中的有機物，另一方面通過膜反應裝置對大有機物進行截留，通過增大有機物與菌類之間的接觸面積，增大有機物的代謝速度。這就可以實現更加穩定的微生物群落處理機制，提高了對膜反應裝置的處理質量以及效果。

出水處理則可以加強對脫氮裝置的容量設計，當水箱設計過小則會影響到出水的效果，過大則會占用大量的船體面積，因此這就需要控制水流量的設計。

3.2 不同曝氣時間下SBR脫氮效果

如下表所示為通過改變不同的曝氣時間，觀察膜反應裝置的脫氮效果。如表4所示曝氣時間1h后污水中的污染物就降低到一定的程度了，考慮到實際試驗中的各種誤差，因此在實際工程中采用1.5 h的曝氣時間，達到較好的去除污染物的效果，并提高了凈水的效果。

表4 SBR脫氮效果表

4 結論

隨著海洋資源的不斷開采，海洋污染問題也越來越嚴重，海洋污染問題成為全世界關注的重點問題。船舶是海洋資源的重要運輸工具，全球大約80%的資源運輸通過船舶進行，船舶的污水排放對于對海洋造成了不同程度的污染和生態破壞，其中船舶生活污水中含氮元素眾多，這些氮元素對于海洋具有十分重要的危害作用，通過對MBR生物膜在船舶污水處理中的設計進行研究與推廣應用，將有助于生態環境的保護和水資源的循環利用。