平板陶瓷膜MBR技術處理工業園區綜合廢水的應用試驗

黃付平 覃霞 黃智寧 秦玉蘭 覃岳隆 代晉國

【關鍵詞】平板陶瓷膜;MBR;工業園區;綜合廢水

【中圖分類號】X703 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）05-0074-03

隨著經濟發展，一大批經濟技術開發區、高新技術產業開發區等各種形式的工業園區在全國各地建成[1]。據調查，我國工業園區的污水排放量占全國污水排放量的45%左右[2]，工業園區內的污水來源包括園區內各類工業廢水和生活污水，由于園區內企業眾多，排放的廢水水量、水質變化大，導致工業園區綜合廢水存在成分復雜、含難降解有機物種類多、生物毒性強、可生化性差、處理難度大等問題[3]。工業園區綜合廢水處理目前采用的工藝主要有A2O、氧化溝、膜生物反應器（MBR）等活性污泥法[4]，其中MBR是一種將生物處理技術和膜分離技術相結合的一項新技術，具有適用性強、選擇性好、排泥量小、生化效率高、耐負荷沖擊能力強和易實現自動化等優點，在污水處理領域中得到越來越廣泛的應用[5]。MBR工藝的核心是膜組件，其中以有機膜應用最廣泛[6]，本研究采用的是由Al2O3為主要原料制成的納米平板陶瓷膜，相比于有機膜具有適用范圍廣、壽命較長、膜通量高、機械強度高、可以承受高溫和強酸的處理條件等優點，將納米平板陶瓷膜應用在MBR處理技術上代替傳統的有機膜，為MBR中膜分離技術提供新技術[7]。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本研究采用單套浸沒式MBR，內置陶瓷平板膜組件。實驗裝置如圖1所示。

反應器的有效容積為100 L。原水經蠕動泵提升至反應器中，反應器的水位通過液位計和時控器保持恒定。由時控器控制出水流量和抽停時間。跨膜壓差由真空表測出。陶瓷膜組件下方設有曝氣條，通過氣泵和曝氣條對反應器內進行曝氣，由流量計控制曝氣量。

膜組件：采用的是納米平板陶瓷膜（簡稱平板陶瓷膜），其板面密布微孔，以膜兩側的壓力差為驅動力，膜為過濾介質，在一定壓力下，實現大分子和小分子物質分流。膜組件由20塊膜面積為0.01 m2的模塊組成，膜組件總面積為0.2 m2。平板陶瓷膜與有機膜的性能對比見表1。MBR實驗裝置的基本參數見表2。

1.2 試驗水質

實驗用水取自某工業園區污水處理廠污水，該工業園區綜合廢水主要由食品加工廢水、化工廢水、紡織廢水及園區職工生活污水等組成，原水主要水質指標見表3。

1.3 運行條件

接種污泥取自某污水處理廠，馴化培養至污泥濃度穩定，污泥濃度保持在6 000～15 000 mg/L，連續運行1個月，分別在運行5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d進行采樣檢測，實驗的初始條件取膜通量為50 L/m2·h，曝氣量為25 L/h，平板陶瓷膜的工作方式為抽吸9 min，停抽1 min，水力停留時間控制在5～6 h，間歇出水，整個反應器處于好氧狀態，DO保持在2 mg/L左右。

1.4 膜組件清洗方法研究

平板陶瓷膜污染清洗劑的選擇研究，分別采用NaOH、H2O2及NaClO進行清洗，清洗過程中采用清洗劑浸泡10 h，采用相同操作壓力（10 kPa）測定其清水通量，并與新膜的膜通量對比，判斷膜片通量恢復情況，從而確定最佳清洗劑。

1.5 分析項目及方法

試驗分析項目主要有COD、NH3-N、濁度、操作壓力和出水體積，分析方法COD采用重鉻酸鉀法，NH3-N采用鈉氏比色法，濁度采用分光光度法，操作壓力采用真空表測定，出水體積采用量筒測量。

膜通量J的計算公式：

J=V/（T×A）

上式中：J為膜通量（L/m2·h）;V為取樣體積（L）;T為取樣時間（h）;A為膜有效面積（m2）。

2 結果與討論

2.1 污染物去除效果

2.1.1 COD去除情況

MBR反應器運行期間進水、上清液、出水COD的變化情況和COD去除率如圖2所示?？芍?，MBR反應器對有機物的去除較穩定，COD平均去除率達到85%，MBR進水COD濃度波動不大，在250～300 mg/L，上清液隨著進水COD波動，平均濃度為56.71 mg/L。MBR反應器好氧生物活性較好，在第5天時，COD就由253.67 mg/L降到95.33 mg/L，去除率達到60%;5～15 d，系統中的微生物逐步適應廢水水質，COD的去除率逐漸升高，在第15 d時系統進入穩定期，對COD的去除率達到90%，出水COD都在30 mg/L以下，平均值為25.52 mg/L，能夠滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）[8]中水污染物一級標準B標準排放限值（COD≤60 mg/L）?？梢?，平板陶瓷膜對有機物有明顯的攔截作用，在MBR反應器中活性污泥的吸附、生物降解和膜本身的截留、吸附作用、反應器運行過程中膜絲表面形成的沉積層的篩濾的共同作用實現對有機物的去除。

2.1.2 氨氮去除情況

MBR進水、上清液、出水氨氮的變化情況和氨氮去除率如圖3所示，實驗運行階段（5～15 d），由于硝化菌生長較慢，出水中的大部分氮以氨氮的形式存在，隨著硝化菌的生長和納米平板陶瓷膜對硝化菌的攔截作用，硝化菌在反應器內逐步積累，硝化效果逐步明顯。進入第15 d穩定期后，MBR對工業廢水中的氨氮去除效果良好，去除率達到92.3%，平均值為0.57 mg/L，且均在5 mg/L以下，低于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中水污染物一級標準B標準排放限值（氨氮≤8 mg/L）。氨氮是溶解性小分子物質，膜對氨氮的截留作用有限，但由于膜片對微生物的截留作用，使硝化菌在反應器內富集，有效保證了氨氮的去處效果。

2.1.3 濁度去除情況

MBR進水、上清液、出水濁度的情況和濁度去除率如圖4所示，在運行期間，進水濁度較高，在48～90 NTU，出水濁度在1.1 NTU以下，平均值為0.75 NTU，濁度去除率在98%以上。初期，主要由膜的吸附和截留作用去除水中的大分子物質;后期，膜表面形成多糖和蛋白組成的凝膠層，更有效攔截了大分子物質。從出水濁度情況看，平板陶瓷膜具有高效的截留作用。

2.2 膜清洗試驗效果

MBR在運行過程中，平板陶瓷膜表面會形成凝膠層，且隨著時間的延長凝膠層逐漸變厚，會吸附水中的微生物及其產物，形成污染層，導致膜通量變小，跨膜壓差需要增大來確保出水，為恢復膜通量，需要定期清洗膜片。新膜在操作壓力為10 KPa時，其清水膜通量為617 L/m2·h，采用不同濃度的NaOH、H2O2及NaClO作為膜清洗劑對污染的膜進行清洗，膜在這幾類不同濃度的清洗劑浸泡10 h后，其膜通量恢復情況如圖5、圖6所示。膜通量恢復率隨著NaOH的濃度增加而降低后上升，在0.02 mol/L時膜通量恢復率最高為87.40%，膜通量恢復率隨著H2O2、NaClO的濃度增加呈現先上升后下降的趨勢，在采用0.3% H2O2和0.2%NaClO時清洗效果最好，膜通量恢復率分別達到94.80%和92.20%。H2O2、NaClO比NaOH的清洗效果好，主要是原因是H2O2、NaClO具有氧化性，能夠氧化分解膜表面的濾餅層中大分子物質之間的結合，使膜面濾層脫落。強氧化性對生活污水中的油脂、蛋白、藻類等生物物質的去除有很好的效果，是處理由生物污水引起膜污染比較理想的清洗劑。而NaOH則主要去除有機酸物質。

3 結論

該反應器運行1個月內，運行穩定，出水水質良好，部分指標滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中水污染物一級標準B標準排放限值。

（1）在抽停比為9∶1，曝氣量為25 L/h，水力停留時間控制在5～6 h，啟動時間為15 d，工業園區綜合廢水經平板陶瓷膜MBR技術處理后出水COD可穩定在30 mg/L以下，氨氮穩定在1.1 mg/L以下，濁度小于1.1 NTU。

（2）膜清洗試驗表明，不同濃度的NaOH、H2O2及NaClO對膜均有清洗效果，其中0.3% H2O2和0.2% NaClO的膜清洗效果最好，膜通量恢復率分別達到94.80%和92.20%。

（3）以Al2O3為基材的平板陶瓷膜應用于工業園區綜合廢水處理平均調試時間僅為15 d，出水水質可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中一級B標要求，對應用MBR工藝處理工業園區綜合廢水具有實際意義。

參 考 文 獻

[1]馬超一.產業集聚區社會風險表征與控制[J].現代企業，2015（2）：26-27.

[2]黃付平，莫雅圓，秦玉蘭，等.采用納米陶瓷膜技術提標改造工業園區廢水工程實例[J].水處理技術，2017，

43（11）：136-139.

[3]王林，李詠梅，楊殿海，等.工業園區廢水處理技術研究與應用進展[J].四川環境，2016，35（2）：142-148.

[4]江城.工業園區污水處理廠工藝優選研究[J].化工管理，2017（24）：86.

[5]張偉.膜生物反應器（MBR）技術研究及其在國內應用現狀[J].環境與發展，2011（11）：192-194.

[6]代晉國，秦玉蘭，高明河，等.平板陶瓷膜在污水處理中的應用[J].中國環保產業，2018（3）：54-57.

[7]曲艷波.金屬膜生物反應器處理廢水的實驗研究[D].大連：大連理工大學，2005.

[8]GB 18918—2002，城鎮污水處理廠污染物排放標準[S].