平板陶瓷膜MBR技术处理工业园区综合废水的应用试验

黄付平 覃霞 黄智宁 秦玉兰 覃岳隆 代晋国

【关键词】平板陶瓷膜;MBR;工业园区;综合废水

【中图分类号】X703 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）05-0074-03

随着经济发展，一大批经济技术开发区、高新技术产业开发区等各种形式的工业园区在全国各地建成[1]。据调查，我国工业园区的污水排放量占全国污水排放量的45%左右[2]，工业园区内的污水来源包括园区内各类工业废水和生活污水，由于园区内企业众多，排放的废水水量、水质变化大，导致工业园区综合废水存在成分复杂、含难降解有机物种类多、生物毒性强、可生化性差、处理难度大等问题[3]。工业园区综合废水处理目前采用的工艺主要有A2O、氧化沟、膜生物反应器（MBR）等活性污泥法[4]，其中MBR是一种将生物处理技术和膜分离技术相结合的一项新技术，具有适用性强、选择性好、排泥量小、生化效率高、耐负荷冲击能力强和易实现自动化等优点，在污水处理领域中得到越来越广泛的应用[5]。MBR工艺的核心是膜组件，其中以有机膜应用最广泛[6]，本研究采用的是由Al2O3为主要原料制成的纳米平板陶瓷膜，相比于有机膜具有适用范围广、寿命较长、膜通量高、机械强度高、可以承受高温和强酸的处理条件等优点，将纳米平板陶瓷膜应用在MBR处理技术上代替传统的有机膜，为MBR中膜分离技术提供新技术[7]。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本研究采用单套浸没式MBR，内置陶瓷平板膜组件。实验装置如图1所示。

反应器的有效容积为100 L。原水经蠕动泵提升至反应器中，反应器的水位通过液位计和时控器保持恒定。由时控器控制出水流量和抽停时间。跨膜压差由真空表测出。陶瓷膜组件下方设有曝气条，通过气泵和曝气条对反应器内进行曝气，由流量计控制曝气量。

膜组件：采用的是纳米平板陶瓷膜（简称平板陶瓷膜），其板面密布微孔，以膜两侧的压力差为驱动力，膜为过滤介质，在一定压力下，实现大分子和小分子物质分流。膜组件由20块膜面积为0.01 m2的模块组成，膜组件总面积为0.2 m2。平板陶瓷膜与有机膜的性能对比见表1。MBR实验装置的基本参数见表2。

1.2 试验水质

实验用水取自某工业园区污水处理厂污水，该工业园区综合废水主要由食品加工废水、化工废水、纺织废水及园区职工生活污水等组成，原水主要水质指标见表3。

1.3 运行条件

接种污泥取自某污水处理厂，驯化培养至污泥浓度稳定，污泥浓度保持在6 000～15 000 mg/L，连续运行1个月，分别在运行5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d进行采样检测，实验的初始条件取膜通量为50 L/m2·h，曝气量为25 L/h，平板陶瓷膜的工作方式为抽吸9 min，停抽1 min，水力停留时间控制在5～6 h，间歇出水，整个反应器处于好氧状态，DO保持在2 mg/L左右。

1.4 膜组件清洗方法研究

平板陶瓷膜污染清洗剂的选择研究，分别采用NaOH、H2O2及NaClO进行清洗，清洗过程中采用清洗剂浸泡10 h，采用相同操作压力（10 kPa）测定其清水通量，并与新膜的膜通量对比，判断膜片通量恢复情况，从而确定最佳清洗剂。

1.5 分析项目及方法

试验分析项目主要有COD、NH3-N、浊度、操作压力和出水体积，分析方法COD采用重铬酸钾法，NH3-N采用钠氏比色法，浊度采用分光光度法，操作压力采用真空表测定，出水体积采用量筒测量。

膜通量J的计算公式：

J=V/（T×A）

上式中：J为膜通量（L/m2·h）;V为取样体积（L）;T为取样时间（h）;A为膜有效面积（m2）。

2 结果与讨论

2.1 污染物去除效果

2.1.1 COD去除情况

MBR反应器运行期间进水、上清液、出水COD的变化情况和COD去除率如图2所示。可知，MBR反应器对有机物的去除较稳定，COD平均去除率达到85%，MBR进水COD浓度波动不大，在250～300 mg/L，上清液随着进水COD波动，平均浓度为56.71 mg/L。MBR反应器好氧生物活性较好，在第5天时，COD就由253.67 mg/L降到95.33 mg/L，去除率达到60%;5～15 d，系统中的微生物逐步适应废水水质，COD的去除率逐渐升高，在第15 d时系统进入稳定期，对COD的去除率达到90%，出水COD都在30 mg/L以下，平均值为25.52 mg/L，能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）[8]中水污染物一级标准B标准排放限值（COD≤60 mg/L）。可见，平板陶瓷膜对有机物有明显的拦截作用，在MBR反应器中活性污泥的吸附、生物降解和膜本身的截留、吸附作用、反应器运行过程中膜丝表面形成的沉積层的筛滤的共同作用实现对有机物的去除。

2.1.2 氨氮去除情况

MBR进水、上清液、出水氨氮的变化情况和氨氮去除率如图3所示，实验运行阶段（5～15 d），由于硝化菌生长较慢，出水中的大部分氮以氨氮的形式存在，随着硝化菌的生长和纳米平板陶瓷膜对硝化菌的拦截作用，硝化菌在反应器内逐步积累，硝化效果逐步明显。进入第15 d稳定期后，MBR对工业废水中的氨氮去除效果良好，去除率达到92.3%，平均值为0.57 mg/L，且均在5 mg/L以下，低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中水污染物一级标准B标准排放限值（氨氮≤8 mg/L）。氨氮是溶解性小分子物质，膜对氨氮的截留作用有限，但由于膜片对微生物的截留作用，使硝化菌在反应器内富集，有效保证了氨氮的去处效果。

2.1.3 浊度去除情况

MBR进水、上清液、出水浊度的情况和浊度去除率如图4所示，在运行期间，进水浊度较高，在48～90 NTU，出水浊度在1.1 NTU以下，平均值为0.75 NTU，浊度去除率在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质;后期，膜表面形成多糖和蛋白组成的凝胶层，更有效拦截了大分子物质。从出水浊度情况看，平板陶瓷膜具有高效的截留作用。

2.2 膜清洗试验效果

MBR在运行过程中，平板陶瓷膜表面会形成凝胶层，且随着时间的延长凝胶层逐渐变厚，会吸附水中的微生物及其产物，形成污染层，导致膜通量变小，跨膜压差需要增大来确保出水，为恢复膜通量，需要定期清洗膜片。新膜在操作压力为10 KPa时，其清水膜通量为617 L/m2·h，采用不同浓度的NaOH、H2O2及NaClO作为膜清洗剂对污染的膜进行清洗，膜在这几类不同浓度的清洗剂浸泡10 h后，其膜通量恢复情况如图5、图6所示。膜通量恢复率随着NaOH的浓度增加而降低后上升，在0.02 mol/L时膜通量恢复率最高为87.40%，膜通量恢复率随着H2O2、NaClO的浓度增加呈现先上升后下降的趋势，在采用0.3% H2O2和0.2%NaClO时清洗效果最好，膜通量恢复率分别达到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，能够氧化分解膜表面的滤饼层中大分子物质之间的结合，使膜面滤层脱落。强氧化性对生活污水中的油脂、蛋白、藻类等生物物质的去除有很好的效果，是处理由生物污水引起膜污染比较理想的清洗剂。而NaOH则主要去除有机酸物质。

3 结论

该反应器运行1个月内，运行稳定，出水水质良好，部分指标满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中水污染物一级标准B标准排放限值。

（1）在抽停比为9∶1，曝气量为25 L/h，水力停留时间控制在5～6 h，启动时间为15 d，工业园区综合废水经平板陶瓷膜MBR技术处理后出水COD可稳定在30 mg/L以下，氨氮稳定在1.1 mg/L以下，浊度小于1.1 NTU。

（2）膜清洗试验表明，不同浓度的NaOH、H2O2及NaClO对膜均有清洗效果，其中0.3% H2O2和0.2% NaClO的膜清洗效果最好，膜通量恢复率分别达到94.80%和92.20%。

（3）以Al2O3为基材的平板陶瓷膜应用于工业园区综合废水处理平均调试时间仅为15 d，出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中一级B标要求，对应用MBR工艺处理工业园区综合废水具有实际意义。

参 考 文 献

[1]马超一.产业集聚区社会风险表征与控制[J].现代企业，2015（2）：26-27.

[2]黄付平，莫雅圆，秦玉兰，等.采用纳米陶瓷膜技术提标改造工业园区废水工程实例[J].水处理技术，2017，

43（11）：136-139.

[3]王林，李咏梅，杨殿海，等.工业园区废水处理技术研究与应用进展[J].四川环境，2016，35（2）：142-148.

[4]江城.工业园区污水处理厂工艺优选研究[J].化工管理，2017（24）：86.

[5]张伟.膜生物反应器（MBR）技术研究及其在国內应用现状[J].环境与发展，2011（11）：192-194.

[6]代晋国，秦玉兰，高明河，等.平板陶瓷膜在污水处理中的应用[J].中国环保产业，2018（3）：54-57.

[7]曲艳波.金属膜生物反应器处理废水的实验研究[D].大连：大连理工大学，2005.

[8]GB 18918—2002，城镇污水处理厂污染物排放标准[S].

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