影响MBR处理效果及膜通量的因素研究

郑 祥， 樊耀波
(中国科学院生态环境研究中心，北京100085)

　　 摘 要：采用处理规模为10m³/d的厌氧/好氧膜生物反应器(A/O MBR)处理毛纺印染废水，试验结果表明：当原水COD、BOD5、色度、浊度分别为256.5 mg/L、94.8 mg/L、64倍、45.65 NTU时，相应的出水指标分别为20.2 mg/L、1.6 mg/L、25倍、0.51 NTU，其水质达到《生活杂用水水质标准》(CJ25.1—89)；溶解氧是影响处理效果的一个关键因素；随着运行时间的延长、膜污染的增加，温度对膜通量的影响降低；膜面流速较高时，污泥浓度对膜通量没有显著影响。
　　关键词： MBR； 印染废水； 膜通量
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号： 1000-4602(2002)01-0019-04

Study on the Factors Influencing Treatment Effect and Membrane Flux of Anaerob ic/Oxic Membrane Reactor (A/O MBR)
ZHENG Xiang, FAN Yao-bo
(Research Center for Eco-Environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beij ing 100085,China)

　　 Abstract：A pilot study was conducted for the treatment of dyeing wastewater from woolen mill by using A/O MBR with capacity of 10 m³/d.The result showed that for the r aw wastewater with COD 256.5 mg/L,BOD5 94.8 mg/L,color 64 dilution tim es,and turbidity 45.65 NTU,the value of corresponding index in effluent is respe ctively 20.2 mg/L,1.6 mg/L,25 dilution times,and 0.51 NTU.Effluent quality comes up to the miscellaneous domestic water quality standard (CJ 25.1—89).Dissolved oxygen is the key factor influencing the treatment effect.With the extension of　operating time and increase of membrane fouling,temperature has lower effect on membrane flux.The sludge concentration has little impact on membrane flux at high crossflow velocity.
　　 Keywords:MBR; dyeing wastewater; membrane flux

　　膜生物反应器(MBR)由于使用了膜分离技术，可在HRT较短而SRT很长的工况下运行，延长了废水中难生物降解的大分子有机物在反应器中的停留时间，最终将其去除^{［1 、2］}。目前，国内对MBR处理生活污水的研究较多，而对处理难降解工业废水却少有报导 。毛纺印染废水由于含多种染料等难降解有机物，传统生物处理技术对毛纺印染废水的处理效果往往不理想，因此用MBR处理毛纺印染废水的研究具有重要的意义。试验就采用MBR处理 毛纺印染废水时，溶解氧、污泥浓度、污泥负荷、容积负荷和水力停留时间等因素对处理效果的影响以及温度和污泥浓度对膜通量的影响进行了探讨。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置与流程
　　试验在北京某毛纺厂污水站进行。废水经过0.5 mm筛板过滤后进入系统，其工艺流程见图1。其中厌氧池容积为4.5m³，主要作用是通过水解酸化破坏染料等有机物的分子结 构以利进一步降解；曝气池容积为3.0m³，曝气量控制在8～15m³/h。膜材料为聚丙烯氰(PAN)中空纤维超滤膜，截留相对分子质量为5×10⁴，膜总面积为12m²。

1.2 分析项目与方法
　　试验分析项目有pH值、温度、MLSS、DO、NH3-N、COD、色度、浊度等，测定方法均采用《水和废水监测分析方法》(第3版)的标准方法。
1.3 原水水质及运行参数
　　原水水质与运行参数如表1、2所示。 表1 原水水质 温度(℃) pH COD(mg/L) BOD₅(mg/L) NH₃-N(mg/L) 色度(倍) 浊度(NTU) 24～38 6.3～7.8 179～358 44.8～206 0.51～1.74 50～240 34 ～98

表2 曝气池运行参数 统计值 温度(℃) pH DO(mg/L) 容积负荷［g/(m ³·d^-1)］ 污泥负荷［g/(kg·d^-1)］ MLSS (g/L) HRT(h) Q(m³/d) 最大 35 8.2 10.4 2447 5850 2.82 9.4 13.4 最小 9 6.5 0.2 831 568 0.32 5.4 7.7 平均 24.9 7.4 2.8 1320 1478 1.55 7 10.3

2 结果与讨论

2.1 处理效果
　　系统出水水质的平均值见表3。

表3 MBR出水水质与CJ 25.1—89的比较 项 目 COD(mg/L)
BOD₅(mg/L) 浊 度(NTU) NH₃-N(mg/L) 色度(倍) 进水 256.5 94.8 45.65 1.05 64 出水 20.2 1.6 0.51 0.56 25 去除率(%) 92.4 98.4 98.9 47 74 《生活杂用水水质标准》(CJ 25.1—89) a 50 10 10 20 30 b 50 10 5 10 30 注： a.城市园林绿化； b.洒水、扫除。

　　经MBR处理后水质良好，COD、BOD₅、浊度都很低，出水虽有一定色度，但已达到或优于建设部生活杂用水水质标准(CJ 25.1—89)，可直接作为城市园林绿化、洒水、扫除、消防等用水。
2.2 影响MBR处理效果的因素
2.2.1 溶解氧(DO)
　　DO对COD去除效果的影响见图2。

　　试验结果表明:当DO＞1 mg/L时对COD有良好的去除效果,其去除率可达90%以上,且DO再增加对COD的去除效果不再有明显影响。在短期缺氧条件下，即DO在0.5～1 mg/L时系统也能获得较好的去除效率。但是严重缺氧时间较长，如DO＜0.5 mg /L时膜出水会出现异味，其COD可达60 mg/L左右，COD的去除率降至80%～87%。由此可见，在MBR中一般应保持DO浓度＞1 mg/L。为了减少工艺的曝气能耗，DO宜控制 在1.5～2 mg/L。
2.2.2 污泥浓度(MLSS)
　　原水有机物浓度较低且含有难生物降解性物质，因此好氧生物单元污泥浓度在较低的范围内 (0.32～2.8 g/L)波动。运行初期，MLSS在0.32～1.3 g/L的范围内,COD的去除效果比较理想，17个出水COD数值中仅有4个偏高：如42.7 mg/L(MLS S为0.66 g/L)、36 mg/L(MLSS为1.28 g/L)、44.9 mg/L(MLSS为0.7 g/L)、36.5 mg/L(MLSS为0.8 g/L)，另外13个均低于25 mg/L。当MLSS＞1.3 g/L、系统进入运行稳定期后，只要没出现DO不足(DO＜0.5 mg/L)的特殊情况，MBR的出水COD值均较低且稳定(见图3)。
　　对好氧生物单元上清液COD的同步监测结果表明：MLSS与上清液COD存在明显的负相关关系。这说明系统中由于膜的截留作用弥补了MLSS变化造成的生物反应器处理性能的不稳定，在0.32～2.8 g/L的污泥浓度范围内MLSS变化对出水COD影响不明显。

2.2.3 COD污泥负荷和容积负荷
　　MBR的污泥负荷与容积负荷的变化见图4、5。

　　由于MBR出水水质稳定，所以其动力学参数COD污泥负荷和容积负荷随进、出水的COD 浓度变化而变化，MBR中COD容积负荷、COD污泥负荷的变化分别为0.83～2.45 kg/(m³·d)、0.568～5.85 kg/(kg·d)。在系统运行初期MLSS仅为0.32 g/L， 污泥负荷高达3.71 kg/(kg·d)，系统出水COD在15～45 mg/L之间，对COD的平均去 除率达90%左右。系统运行10 d后，MLSS升至0.9 g/L，COD污泥负荷降至1.40 kg /(kg·d)。系统进入稳定运行期，COD污泥负荷一般在0.60～1.80 kg/(kg·d) 之间，此时出水的COD值＜25 mg/L,对COD的平均去除率达92%。在系统的稳定运行 期，由于进水COD的波动而污泥负荷曾一度升至5.85 kg/(kg·d)，但出水水质和各项指标的去除率并无大的变化，表明MBR系统具有较强的抗冲击负荷的能力。从图4、5可看到出水水质随污泥负荷与容积负荷而变化的情况，即一般随污泥负荷与容积负荷增高，相应的出水COD略有增加。MBR的污泥负荷与容积负荷是普通活性污泥法的3～5倍，这表明处理同样的印染废水，MBR体积将比常规活性污泥法缩小3～5倍，可大大节约占地和投资。
2.2.4 水力停留时间(HRT)
　　水力停留时间对COD去除效果的影响见图6。

　　当HRT在5.5～8 h时，HRT对COD的去除效果无明显的影响；当HRT＞8 h时, 出水COD浓度随HRT的延长略有降低。在实际工程设计中，用膜生物反应器处理毛纺废水或类似废水，HRT可控制在6～9 h。
2.3 影响膜通量的因素
2.3.1 温度
　　水温对膜通量的影响见表4。

表4 水温对膜通量的影响 试验日期 水温(℃) 温差(℃) 膜通量［L/(m²·h)］ 膜通量增值 率(%) 备注 1999年11月1日 17 11 55.11 -0.76 运行53 d
未化学清洗 1999年11月2日 28 54.69 1999年11月8日 18 5 50.00 0 运行60 d
未化学清洗 1999年11月9日 23 50.00 1999年12月5日 14 8 44.44 0 运行87 d
未化学清洗 1999年12月6日 22 44.44 1999年12月13日 12 9 41.94 -5 运行95 d
未化学清洗 1999年12月14日 21 39.78 2000年1月3日 7 17 37.36 21.7 化学清洗后9 d 2000年1月4日 24 45.50 2001年1月11日 17 30.35 41.2 化学清洗后1 d 2001年1月12日 8 8 42.85

　　水温直接影响有机膜的孔径、膜的阻力和污水的粘度，从而影响膜通量。一些MBR小试研究表明：在一定的温度范围与压力条件下，温度每升高1 ℃，膜通量增加1%～2%［3］。本研究却发现，随着运行时间的延长、膜污染的增加、污泥在膜面的沉积以及凝胶层的增厚，水温升高后并没有发现膜通量有相应明显增加的现象；但对膜组件进行化学清洗后，发现水温的升高会引起膜通量明显增加。分析这一现象可能的原因是：污泥在膜表 面的沉积以及凝胶层的增厚导致膜过滤阻力的增加，降低了温度对膜通量的影响。
2.3.2 污泥浓度(MLSS)
　　污泥浓度的增加往往伴随着混合液粘滞度、溶解性有机物及惰性物质等的变化，它们同样会对膜通量产生影响。在一定条件下污泥浓度越高膜通量愈低，但也有研究表明，在较高的膜面流速下MLSS为2 g/L与6 g/L时的膜通量几乎无差别，本试验在120 d以上的运行中也得出了类似的结果。图7表示在膜面流速为(2.95±0.3)m/s、膜面操作压力为(62± 10)kPa的条件下MLSS对膜通量的影响。

　　从图7可以看出，当污泥浓度＜3.0 g/L并且膜面流速较高时，污泥浓度对膜通量没有显著影响。

3 结论

　　① 采用MBR工艺处理毛纺印染废水能得到优质而稳定的出水：COD为20.2 mg/L 、BOD5为1.6 mg/L、浊度为0.51 NTU、色度为25 倍，完全符合建设部颁布的《生活杂用水水质标准》(CJ 25.1—89)。
　　② 溶解氧是影响处理效果的一个关键因素，污泥浓度、污泥负荷、容积负荷和水力停留时间等因素对处理效果的影响不明显。
　　③ 随着运行时间的延长、膜污染的增加，温度对膜通量的影响降低。
　　④ 当污泥浓度较低且膜面流速较高时，污泥浓度对膜通量没有显著影响。

参考文献：

　　［1］ 樊耀波.水与废水处理中的膜生物反应器技术［J］.环境科学，1995，16(5) ：79-81.
　　［2］郑祥.膜生物反应器在水处理中的研究及应用［J］.环境污染治理技术与设备,2000,1(5):12-19.
　　［3］Magara Y.The effect of operational factors on solid/liquid separation by ultra-m embrane filtration in a biological denitrification systems for collected human e xcreta treatment plant［J］.Wat Sci Tech,1991,23(12):1583-1590.

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　　作者简介：郑祥(1978- ), 男，福建福州人，中国科学院博士研究生，主要从事膜技术方面的研究。
　　电　　话：(010)62849108
　　E-mail:zhengxiang7825@hotmail.com
　　收稿日期：2001-06-20