混凝-膜生物反应器工艺处理印染废水
刘久清，刘婉蓉，蒋 彬
(中南大学 冶金科学与工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：采用膜生物反应器对印染废水进行好氧生物活性处理，并对处理水样的化学耗氧量、生物耗氧量、色度和浊度等各项水质指标进行连续测定、分析与处理。实验结果表明：膜生物反应器在混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度约5~8 g/L的条件下运行，当系统进水的化学耗氧量(CODCr)为750~900 mg/L，生物耗氧量(BOD)为130~250 mg/L，色度为100~200倍时，出水CODCr去除率可高达86.6%，BOD、色度、浊度以及悬浮固体(SS)质量浓度几乎为0，处理效果较好。采用混凝-膜生物反应器工艺处理印染废水技术可行。
关键词：印染废水；混凝；膜生物反应器；去除效果
中图分类号：TQ018 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2009)06-1488-06
Dyeing and printing wastewater treatment by combined coagulation-MBR technology
LIU Jiu-qing, LIU Wan-rong, JIANG Bin
(School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The dyeing and printing wastewater was treated through a combined coagulation-membrane bioreactor (MBR) processes. The index on wastewater’s chemical oxygen demand (CODCr), biological oxygen demand (BOD), color, turbidity and so on was measured and analyzed continuously. The results show that MBR runs under the condition of mixed liquor suspended solids (MLSS) concentration about 5-8 g/L. When the feed wastewater CODCr is 750-900 mg/L, BOD is 130-250 mg/L, color is about 100 to 200 times, the effluent CODCr removal can be as high as 86.6%. The results are satisfactory because the effluent’s BOD, color, turbidity and suspend solid (SS) concentration are almost zero. It’s shown that it’s feasible to use MBR to treat the dyeing and printing wastewater.
Key words: dyeing and printing wastewater; coagulation; membrane bioreactor (MBR); removal efficiency
我国是纺织印染大国，印染废水排放量为3×106~ 4×106 m3/d，印染厂每加工100 m织物就会产生3~5 t废水[1]。印染废水成分复杂、色度深、碱性强、水量大，并含有毒、有害物质而严重污染环境，因此，印染废水的综合治理已成为当前亟需解决的问题之一[2-3]。目前，处理印染废水的方法有物理法、化学法和生物 法[4-7]。随着膜科学技术的发展，膜生物反应器应运而生，它是集高效膜分离技术和生物反应器的生物降解作用于一体的生物化学反应系统，在废水处理这一领域显示出优越性[8]。杨彩凤等[9]研究了膜生物反应器在污水厂中水回用中的应用，得出膜生物反应器处理法与以前的中水回用工艺相比，具有出水水质好、运行稳定和操作维护简单等优点；李国一等[10]研究了用混凝沉淀+膜生物反应器组合工艺处理瓦楞纸板包装印刷废水，此方法能有效降低色度、悬浮固体(SS)质量浓度、化学耗氧量(CODCr)以及生物耗氧量(BOD5)，可使出水达到排放标准。
本文作者以华纶印染有限公司的印染废水为处理对象，采用混凝沉淀＋膜生物反应器(MBR)对华纶印染废水进行好氧活性污泥法连续进出水处理，定期对水样进行CODCr、BOD、浊度、色度和SS质量浓度等各项水质指标的测定，并重点考察混凝－膜生物反应器工艺对华纶印染废水的处理效果。
1 实 验
1.1 实验材料
水样：取自厦门华纶印染有限公司的印染综合 废水。
污泥：取自厦门翔鹭石化有限公司污水处理站。
膜材料：天津膜天膜工程有限公司制造的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维微孔过滤膜。
1.2 实验装置
实验装置示意图如图1所示。将培养一定浓度的活性污泥通过自吸清水泵使混凝后的印染废水流入反应器中，将组装好的膜组件放入反应器中，膜丝密度为0.004 m2/L的反应器；膜组件分别接有出水管和曝气管，曝气溶氧质量浓度为2 mg/L；进水管和曝气管分别接有1个转子流量计，出水管与恒流蠕动泵之间安装有膜盒压力表，通过恒流蠕动泵后再连接1个转子流量计；空气压缩机及恒流泵电源由自控装置控制。
图1 实验装置安装平面示意图
Fig.1 Installment sketch map of experimental devices
1.3 实验方法
1.3.1 混凝预处理
待处理印染废水由于悬浮固体颗粒物SS质量浓度较高，很容易造成膜孔被堵塞，产生膜污染。因此，在帘式MBR系统进水前必须对待测水样进行混凝预处理[11-13]，混凝剂选为硫酸亚铁。预处理方法为：将印染废水分装在250 L广口大塑料罐中，将硫酸亚铁按照一定质量比投放，然后，对印染废水水样进行搅拌，使其与硫酸亚铁充分接触反应。表1所示为混凝实验混凝剂加入量对水样混凝效果的影响。由表1可知，混凝剂加入量为0.3%时，废水色度去除率在90%以上，且浊度、CODCr和SS去除率较高，所以，本试验选取0.3%的硫酸亚铁作为预处理混凝剂的加入量。
表1 混凝实验混凝剂加入量对水样混凝效果的影响
Table 1 Effects of coagulant content on wastewater during coagulation experiment
1.3.2 污泥驯化
在印染废水处理前先对污泥进行驯化，将取回的活性污泥放在反应器中培养一定时间，前期以营养物质(葡萄糖、蛋白胨和淀粉)培养，经过一段时间后，每日加入少量印染废水，并逐渐增加，同时，减少营养物质的量，以使污泥逐渐适应印染废水。
1.3.3 MBR 2次进出水实验
实验过程中进行了2次较完整的MBR连续进出水实验，经过混凝预处理后的印染废水作为系统进水，再经过膜生物反应器系统处理，收集膜出水作为系统出水。
第1次连续进出水的条件是：污泥中混合液MLSS质量浓度在15~25 g/L之间，pH控制在8.36~8.68，水力停留时间为20 h，MBR中的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维微孔过滤膜膜孔径为0.7 mm；第2次连续进出水的MLSS质量浓度在5~8 g/L之间，pH值控制在8.06~8.36，水力停留时间为15 h，MBR中的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维微孔过滤膜膜孔径为0.5 mm。
然后，分别对进出水样进行分析检测，包括BOD、CODCr、色度、浊度和SS质量浓度等的检测。
2 结果与讨论
2.1 CODCr的去除效果
CODCr反映了水中受还原性物质污染的程度。化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。CODCr随运行时间的变化曲线如图2和图3所示。
1—进水；2—出水；3—CODCr去除率
图2 第1次连续进、出水运行时间对CODCr及
CODCr去除率的影响
Fig.2 Effects of running time on continuous in-out wastewater’s CODCr and its removal efficiency in the first time
1—进水；2—出水；3—CODCr去除率
图3 第2次连续进、出水运行时间对CODCr及CODCr去除率的影响
Fig.3 Effects of running time on continuous in-out wastewater’s CODCr and its removal efficiency in the second time
图2所示为第1次连续进出水运行时间对CODCr及去除率的影响。可见：进水CODCr在550~880 mg/L
之间变化，出水CODCr在150~350 mg/L之间变化；第2次出水的CODCr与第1次出水时的相比明显较低(见图3)，大部分出水CODCr都小于200 mg/L。同时，整个系统对CODCr的去除率也得到明显提高，去除率在70%~87%之间，最高达86.6%，基本上接近于预期的处理效果。第2次连续进出水效果更为明显，这与污泥适应性和MLSS有关。在第1次连续进出水中，MLSS质量浓度高达15~25 g/L，第2次在5~8 g/L之间，水力停留时间在15 h左右，过长的水力停留时间和MLSS质量浓度过高，污泥中的微生物群体处于自身的贮存营养的降解中，导致大量非完全代谢产物产生。同时，由于待处理印染废水水样基本上没得到酸化降解，可生化性差，大部分难降解有机污染物得不到有效降解，只是吸附在污泥上。被污泥吸附在菌胶团表面的污染物在膜表面又随出水从膜孔中排出，这导致出水CODCr偏高。综上所述，本实验采用污泥质量浓度为5~8 g/L。
2.2 BOD的去除效果
图4和图5所示分别给出了试验系统第1次和第2次连续进出水运行时间对BOD和去除率的影响。由图4可见，在整个第1次的进水过程中，系统进水的BOD变化范围较大，最大值为257 mg/L，最小值为121 mg/L，平均值为168.7 mg/L。由图5可见，第2次进水的BOD最大值为251 mg/L，最小值为132 mg/L，平均值为191.1 mg/L。这说明膜生物反应器(MBR)能够很好地去除印染废水中的BOD。在2次出水的初始阶段，BOD的去除率都出现了一定的波动，这可能是因为：一方面，刚开始进行实验时，反应器内的活性污泥还没有完全适应待处理印染废水的水质，从而使污泥处理能力下降；另一方面，由于实验前的污泥培养过程中，加入的营养物质过多，因而，反应器内含有较高的BOD，导致一开始时出水BOD偏高。
1—进水；2—出水；3—CODCr去除率
图4 第1次连续进、出水运行时间对BOD和
CODCr去除率的影响
Fig.4 Effects of running time on continuous in-out wastewater’s BOD and its removal efficiency in
the first time
1—进水；2—出水；3—CODCr去除率
图5 第2次连续进、出水运行时间对BOD和CODCr去除率的影响
Fig.5 Effects of running time on continuous in-out wastewater’s BOD and its removal efficiency inthe second time
2.3 色度的去除效果
图6和图7所示为系统第1次和第2次连续进出水运行时间对色度和去除率的影响。印染废水的色度由于在预处理混凝部分，通过胶体的混凝大部分被去除，所以，进入生物反应器的待处理印染废水的色度只在80~200之间。2次出水的色度都在2~32倍之间变化，大部分时间出水的色度都不是很高，去除率达到90%以上。但是，随着染料分子在MBR中的不断积累，试验后期系统出水的色度有所提高，造成最低色度去除率就只有68%，去除效果不理想。
1—进水；2—出水；3—CODCr去除率
图6 第1次连续进、出水运行时间对色度和
CODCr去除率的影响
Fig.6 Effects of running time on continuous in-out wastewater’s color and its removal efficiency in the first time
1—进水；2—出水；3—CODCr去除率
图7 第2次连续进、出水运行时间对色度和CODCr去除率的影响
Fig.7 Effects of running time on continuous in-out wastewater’s color and its removal efficiency inthe second time
2.4 系统对浊度和SS的去除效果
系统对第1次和第2次连续进出水浊度的去除及SS的变化情况进行分析，得到进水浊度的最大值为24.1 mg/L，最小值为7.3 mg/L；SS的质量浓度最大值为721 mg/L，最小值为161 mg/L，见图8~11。
1—进水；2—出水；3—CODCr去除率
图8 第1次连续进、出水运行时间对浊度和CODCr去除率的影响
Fig.8 Effects of running time on continuous in-out water turbidity and its removal efficiency in the first time
1—进水；2—出水；3—CODCr去除率
图9 第2次连续进、出水运行时间对浊度和CODCr去除率的影响
Fig.9 Effects of running time on continuous in-out wastewater turbidity and its removal efficiency in the second time
图10 第1次试验时进水运行时间对SS质量浓度的影响
Fig.10 Effects of running time on in-out wastewater’s SS concentration in the first test
图11 第2次试验时进水运行时间对SS质量浓度的影响
Fig.11 Effects of running time on in-out wastewater’s SS concentration in the second test
进水浊度和SS质量浓度出现波动主要因为试验对印染废水的预处理是以FeSO4作为混凝剂进行混凝，而混凝效果受pH的影响较大，在不同的pH值下，混凝后废水的浊度和SS质量浓度都会有较大的差 别[14]。经检测发现，在大多数情况下，系统出水SS质量浓度和浊度接近于0，可见，传统帘式MBR对浊度和SS质量浓度去除效果都很好。这表明膜具有高效的截留作用的优点，可以完全截留胶体和大分子有机物。
2.5 系统膜负压
膜污染的一个重要指标就是膜负压升高。当膜的负压升高到一定程度时，需要考虑进行膜的清洗，以去除纤维膜面的物质，使膜生物反应器能更好地运行。
图12所示为2次进出水负压的变化。可以看出，2次进出水负压上升都很快，这主要由于膜生物反应器中的膜组件为帘式膜。帘式膜在运行过程中由于是静止的，虽然曝气可以吹去表面的污染物质，但在中间的膜丝的污染物不容易除去，膜的负压增大得很快，膜污染也会越来越严重，最后出水通量变得很小。由图还可见，尽管2次进出水负压都较高，但第2次进出水负压一直小于第1次进出水负压，其原因在于初始条件不同，第2次进出水的污泥浓度较第1次的小。可见，膜污染程度与初始的污泥浓度有关。
1—第1次进出水负压；2—第2次进出水负压
图12 2次进出水负压的变化
Fig.12 Effects of running time on in-out wastewater’s transpressure in the first and second test
3 结 论
a. 在试验过程中，对印染废水色度的去除主要集中在混凝阶段，去除率在90%以上。在膜生物反应器处理阶段，系统进水的色度为100~200倍，出水的色度多低于32倍。
b. 膜生物反应器较佳的运行条件是MLSS质量浓度在5~8 g/L之间，对CODCr去除率最高可达86.6%，BOD去除率接近100%，系统出水浊度和SS质量浓度接近于0，达到预期的处理效果。
c. 膜生物反应器具有高效截留作用，完全可以截留胶体和大分子有机物。
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收稿日期：2008-09-02；修回日期：2008-12-29
基金项目：国家自然科学基金资助项目(20806094)；长沙市科技计划项目(K0901082-11)；湖南省科技厅节能减排重大专项项目(2008SK1001)；长沙市科技局项目(K0902123-11)
通信作者：刘久清(1974-)，男，江西广丰人，博士，副教授，从事膜分离技术研究；电话：0731-88836633；E-mail: jiuqing_liu@163.com
