膜生物工艺和活性污泥法处理巴西基酸生产废水的对比试验

吴志超， 王士芬， 高廷耀?
（同济大学 环境科学与工程学院, 上海 200092）

　　摘　要：采用膜生物工艺(好氧生物曝气—超滤)和常规生物工艺(好氧生物曝气—二沉池)对巴西基酸生产废水进行对比处理试验研究表明，膜生物工艺产泥量少，污泥活性高，并能提高大分子难降解有机物的去除率。
　　关键词：废水处理；膜生物工艺；活性污泥法
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码： C
　　文章编号： 1000-4602(2000)03-0057-04

　　膜生物工艺(Membrane Biological Reactor,MBR)是采用膜分离取代传统生物处理工艺中二沉池的一种新型污水处理工艺^［1］。研究人员Boran Zhang^［2］、Angel Canales^［3］等从微生物学角度对膜生物工艺和传统活性污泥法的本质区别进行了一些研究，由于没有进行对比试验，其研究结果的实用性受到一定质疑。作者采用膜生物工艺和常规生物工艺对同一废水进行对比试验研究，以此对膜生物工艺的运行特性进行初步研究。?

1 试验方法

　　试验废水为巴西基酸生产废水，其中COD浓度在3000～12000 mg/L之间，BOD₅/COD在0.4～0.5之间，pH值在2.0左右，硫酸根离子含量13000mg/L。废水经石灰中和沉淀后，上清液的COD浓度基本不变，硫酸根离子浓度降低30%左右，pH约为6.0，含盐量超过2%。由于高浓度硫酸根对污水厌氧生物处理影响远大于污水好氧生物处理(好氧活性污泥法中，Na₂SO₄和MgSO₄的最高允许浓度分别为3000mg/L和10000mg/L)，故试验采用好氧活性污泥法。生物曝气池为1000mL或500mL的量筒，大孔曝气，膜分离设备受条件限制采用静态膜评价池，超滤膜经过筛选试验采用截留分子量为50000u的聚醚砜膜(PES500)，面积为46.5cm²。膜生物工艺和活性污泥法均间歇运行。膜生物工艺排水通过膜评价池超滤排掉，少量的浓缩液和超滤过程中形成的污泥均倒回到相应的生物反应器中。活性污泥法采用沉淀0.5h排去一定量上清液的方法。水质分析均在运行至少三倍泥龄时间后进行。

2 试验结果和分析

2.1 第一阶段对比试验
　　此阶段中，两种工艺的进水水质和水量完全相同，平均容积负荷为1.2kgCOD/(m³·d)， 操作周期为24h，污泥泥龄为10d。表1是该条件下两种工艺对比试验结果。由表1中可见，膜生物工艺中生物反应器滤纸过滤液的COD浓度比活性污泥法高5.0%，而超滤液COD浓度则比其低28.4%，同时，膜生物工艺的SV值比活性污泥法低20.2%，MLSS量少18.7%，但前者的MLVSS/MLSS值要高出后者13.3%。?
　　在膜生物工艺中，大分子有机物和胶体物质通过泥龄控制有少量的排放，如果这些物质的降 解速率低于进入生物反应器的速率，它们会在生物反应器内产生一定的积累，从而导致膜生物工艺的滤纸过滤液COD浓度高于活性污泥法，如表1所示。?
　　假设两种工艺的滤纸过滤液COD浓度的差值(此处为11mg/L)可以近似看作由超滤膜截留下来的物质引起，而这部分物质在活性污泥法中无法得到去除。由于在水质分析前，膜生物工艺的生物反应器已经运行30d以上，理论上约有330mg/L的这种物质会在生物反应器中累积，使得生物反应器滤纸过滤液COD浓度远高于活性污泥法，但事实上并没有出现该现象。这说明膜生物工艺可能对活性污泥法无法去除的一些大分子物质和胶体有较高的去除率。

表1 第一阶段对比试验结果 工艺 SV值
（mL/L) 过滤液COD
（mg/L) 超滤液COD
（mg/L) MLSS
(mg/L) MLVSS
(mg/L) MLVSS/MLSS 膜生物工艺 91 222 151 4438 1333 0.30 活性污泥法 114 211 　 5461 1433 0.26

　　图1是第一阶段PES500膜对活性污泥混合液超滤时水通量的变化。由图可见,在超滤开始的5min内，PES500膜的水通量急剧下降,随后,下降幅度明显变小。在实际动态运行中,由于膜面流速很高,超滤对象的污泥浓度和滤纸过滤液COD浓度基本不变，一定时间内的水通量持续下降现象可以得到有效控制。?

　　在本阶段中，平均容积负荷为2.4kgCOD/(m³·d)，活性污泥泥龄为10d，操作周期仍然为24h。表2是运行30 d后两种工艺的典型结果。由于本阶段容积负荷增加1倍，膜生物工艺生物反应器的滤纸过滤液COD浓度要明显大于常规生物工艺(约30%)，同时，超滤膜透过液的COD浓度要比活性污泥法滤纸过滤液COD浓度小得多。从表2还可以发现，膜生物工艺的MLSS浓度明显地小，这意味着它的产泥量和排泥量小于活性污泥法(与第一阶段相同) 。而膜生物工艺生物反应器中MLVSS／MLSS比值的增大可能与器内累积的有机物有关，使实际F/M值提高，污泥活性更大。表3是两种不同工艺生物反应器滤纸过滤液COD浓度和ΔCOD/MLVSS比值随曝气时间的变化情况。众所周知，MLVSS可以在一定程度上反映出活的微生物量，ΔCOD/MLVSS比值的大小间接反映出单位数量活性微生物去除的有机物量，由表3可知，膜生物工艺生物反应器的这一数值均高于活性污泥法，这同样说明前者中微生物的活性比后者中稍高。这一结果不同于Boran Zhang的研究结果。值得注意的是，在Boran Zhang的研究中，选用的污泥分别取自处理规模为400m³/d的膜生 物 工艺装置和规模为70×10⁴m³/d的传统活性污泥工艺。笔者以为，由于控制参数、进水水质的差别会严重影响污泥的活性，本文的同步对比试验结果可能更具有真实性。

表2 第二阶段对比试验结果 工艺 SV值
（mL/L) 过滤液COD
（mg/L) 超滤液COD
（mg/L) MLSS
(mg/L) MLVSS
(mg/L) MLVSS/MLSS 膜生物工艺 240 533 187 9794 4026 0.41 活性污泥法 315 372 　 13807 4325 0.31

表3 两种不同生物反应器滤纸过滤液COD浓度和△COD/MLVSS比值随曝气时间的变化 曝气时间（h） 膜生物工艺COD
（mg/L) 活性污泥法COD
（mg/L) 膜生物工艺
△COD/MLVSS 常规生物工艺
△COD/MLVSS 0 2545 2016 　 　 0.75 2116 1892 0.098 0.028 1.5 1828 1669 0.164 0.077 3.0 1339 1234 0.276 0.174 5.0 978 663 0.359 0.301

　　对活性污泥法二沉池上清液(COD=3.09 mg/L)进行超滤后(不考虑浓缩液回流)，透过液的COD浓度约为152 mg/L，比膜生物工艺膜透过液COD浓度204mg/L左右低，有机物氧化较完全，滤纸过滤液COD浓度较低，水通量相应有明显提高，见表4。在实际应用中如果采用常规生物处理后超滤的工艺，势必要考虑超滤浓缩液回流问题，此时，同样存在高分子有机物和胶体的累积，造成膜透过 液水质下降，膜水通量减小。由表4还可以发现，在超滤后期，虽然超滤对象一个是上清液，一个是高浓度活性污泥混合液，其水通量逐渐趋近，这说明，二沉池对活性污泥的截留对膜水通量改善的效果极其有限。

表4 不同工艺下PES膜水通量的变化 时间T（min） 常规生工艺+超滤水通量[L/（m².h)] 常规生物工艺+越滤累积透水量力而为(mL) 膜生物工艺超滤水通量[L/（m².h）] 膜生物工艺超滤累积透水量（mL) 0 58.8 0 59.8 0 5 39.8 19.1 26.7 16.8 10 32.2 33.0 20.6 25.9 15 30.6 45.2 18.5 33.5 20 25.3 56.0 16.7 40.3 25 26.1 66.0 17.1 46.9 30 23.4 75.5 16.3 53.4 35 22.1 84.3 15.7 59.6 40 20.9 92.7 15.4 65.6 45 14.5 99.5 14.7 71.4

2.3 第三阶段对比试验
? 通过超滤膜的截留延长了大分子有机物和胶体在生物反应器中的实际停留时间，提高了它们的去除率，使得滤纸过滤液COD浓度能够维持在一定水平而不会持续提高。于上述试验基础上，在保持正常进水的同时不再排泥，以观察停止排泥(即大分子有机物和胶体除了生物降解无其他出路)对膜生物工艺的影响。?
　　停止排泥后，膜生物工艺生物反应器的污泥立即开始增多，活性污泥法的污泥也随之逐渐增多，但反应要慢2d左右。由表5可发现，不排泥运行时，两种工艺的污泥沉降比、MLSS和MLVSS浓度与定时排泥的两种工艺相比，均有显著提高。从滤纸过滤液COD浓度看，试验开始时两个反应器相差169 mg/L左右，运行10 d后，如果完全累积其差值将达1690mg/L，而实际仅为426mg/L，累积并不严重，这说明，膜生物工艺通过延长高分子有机物在生物装置中的停留时间，提高了这些物质的去除率，此时，COD浓度的上升应主要由不可生物降解的高分子有机物组成。从超滤液水质看，出水COD浓度略微上升，其原因可能与大量微生物的内源代谢产物有关。值得注意的是，活性污泥法在停止排泥后，由于生物量的提高，单位时间内被降解有机物的量增加，使得滤纸过滤液COD浓度出现一定的降低。

表5 第三阶段试验结果 工艺条件 SV值
（mL/L) 滤纸过滤液COD（mg/L) 超滤液COD
（mg/L) MLSS
(mg/L) MLVSS
(mg/L) MLVSS/MLSS 膜生物法 不排泥前不排泥10d后 250 530 195 10292 4518 0.44 860 755 207 23438 8456 0.36 活性污泥法 不排泥前不排泥10d后 300 361 　 14166 5587 0.39 605 329 　 38046 9360 0.25

　　超滤膜的水通量和透过液累积量在停止排泥后出现下降现象，如表6所示，出现该现象可能与反应器中污泥浓度、大分子有机物和胶体物质的浓度均比原先更高，更容易在膜表面形成凝胶层有关，这就增加了膜阻力，从而降低了膜的水通量。活性污泥法不存在水通量的问题，但由于停止排泥，SV值持续上升，在停止排泥10d后，上清液已经无法通过沉淀排出，对比试验只能终止。?
　　从膜生物工艺和活性污泥法的微生物镜检可以发现，膜生物工艺的菌胶团很小，与常规活性污泥的尺寸差别较大，且异常密实，使镜检很困难，游离菌极少看见，和活性污泥法相比，微生物的种类极其单一。此时，常规生物处理的活性污泥特性与传 统工艺没有差别，菌种的种类和数量均较多，絮体也大。

表6 停止排泥前后膜水通量的变化情况 时间T
（min） 正常排泥时水通量
[L/（m².h)] 正常排泥时滤液累积量
（mL) 停止排泥水通量
[L/（m².h)] 停止排泥时滤液累积量（mL) 0 51.2 0 38.4 0 5 28.7 15.5 23.2 11.9 10 23.2 25.6 19.6 20.2 15 21.5 34.2 18.5 27.6 20 19.9 42.2 17.3 34.5 25 19.0 49.8 16.9 41.2 30 18.3 57.0 16.0 47.5

3 小结

　　从上述分析可知，由于膜对微生物、大分子有机物和胶体的同时截留，随着运行时间的延长，溶解性有机物中大分子有机物和胶体所占的比例逐渐增长，并处于主导地位，水质的明显区别使膜生物工艺内微生物的生态环境与常规生物工艺完全不同。与常规生物工艺相比，膜生物工艺有以下优点：?
　　① 生物反应器的产泥量少；?
　　② 污泥活性好；?
　　③ 能有效提高高分子难降解有机物的去除率。

参考文献：
　　［1］ Kimura S.Japan’s aqua renaissance’90 project［J］.Wat Sci Tech,1 991,23:1573-1582.
　　［2］ Zhang Boran.Seasonal change of microbial population and activities in a building wastewater reuse system using a membrane separation activated slu dge process ［J］.Wat Sci Tech,1991,34(5～6)：295-302.
　　［3］ Angel Canales.Decreased sludge production strategy for dom estic wastewater treatment ［J］.Wat Sci Tech,1994,30(8):97-106.

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收稿日期： 1999-09-09