采用膜生物反应器处理回用洗浴废水
周超，夏四清，高乃云，楚文海
(同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海，200092)
摘 要：
器对洗浴废水进行处理回用研究，确定该工艺最佳运行参数，并考察其用于洗浴废水回用的可行性。实验结果表明：膜生物反应器最佳运行条件为通量13~15 L/(m2·h)，曝气量450~550 L/(m2·h)，污泥质量浓度3.00~4.00 g/L；最佳条件下该工艺对洗浴废水的处理效能较高，化学需氧量、总氮、氨氮、总磷、阴离子表面活性剂、生物化学需氧量和浊度的去除率均高于90%，甚至达100%。
关键词：
中图分类号：TU991 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)05-1999-05
Recycling of bath wastewater treated by membrane bioreactor
ZHOU Chao, XIA Si-qing, GAO Nai-yun, CHU Wen-hai
(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: Membrane bioreactor (MBR) was adopted for recycling of bath wastewater. The optimal operation process parameters were determined, and the feasibility of bath wastewater reused by MBR was examined. The results show that such conditions are optimal control: flux of 13-15 L/(m2·h), oxygen of 450-550 L/(m2·h), and mass concentration of MLSS of 3.00-4.00 g/L, at which the performance of MBR is higher, removal rates of CODCr, TN, NH3-N, TP, LAS, BOD5 and turbidty are higher than 90%, even to 100%.
Key words: membrane bioreactor; bath wastewater; recycle
一般城市污水处理大多采用活性污泥处理系统，如常规活性污泥法、氧化沟(OD)等。而随淡水短缺和更严格环境法规的推动，膜生物反应器技术(Membrane bioreactor, MBR)已成为生活污水的主要治理方法之一[1]。膜生物反应器技术作为一种将传统活性污泥生物降解技术(CAS)和高效多孔膜分离技术相结合的一种新型废水处理技术[2-4]，兼顾污水处理和再生使用两方面功能，具有占地少、污泥排放量低、出水水质高等优点[5-6]，广泛应用于市政废水、工业废水和地表水治理[7-9]，特别是在中水回用方面的巨大潜力，使其受到国内外的普遍关注[10]。膜生物反应器在污水处理工艺的应用研究起源于20世纪60年代末的美国[11]，20世纪80年代后期，其作为一种很有前途的技术已成功应用到世界不同地区的城市污水处理 中[12]。我国对膜生物反应器污水处理工艺的研究起步相对较 晚[13]。同济大学三好坞水体属于典型的封闭式校园景观水体，长期处于严重的富营养状态。同济大学洗浴废水处理中水回用示范工程，以节水节能为目的，在学生浴室旁安装了一套生产规模装置，用以MBR工艺为主体，以气浮、曝气生物滤池为辅助的组合工艺将具有水量变化大、污染轻、水质稳定等特点的洗浴废水再生利用，出水回用于三好坞景观水体，实现对外零排放。本文作者采用上述膜生物反应器对洗浴废水进行处理回用研究，确定该工艺最佳运行参数，并考察其用于洗浴废水回用的可行性。
1 实验装置与方法
试验期间，洗浴废水水质变化情况如表1所示。
1.1 工艺流程
同济大学洗浴废水回用处理工艺流程如图1所示，其主要处理单元是容积140 L的曝气池。膜生物反应器内装有聚乙烯中空微滤膜块，其表面积为3 m2，孔径为0.4 μm，空气由抽气泵通过膜块下方的轴向多孔管进入，提供给微生物氧气。调节池洗浴废水通过抽水泵吸入生物反应池，水泵由水位指示器控制，保持试验期间曝气池内固定水位。膜滤出水通过连接膜块的抽水泵抽吸，出水流速和跨膜压差分别通过流量计和真空计监控。
1.2 测试方法
化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法测定；氨氮(NH3-N)采用纳氏试剂比色法测定；总氮(TN)质量浓度采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定；混合液悬浮固体(MLSS)、混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)和悬浮物(SS)质量浓度采用重量法测定；生物化学需氧量(BOD5)采用微生物传感器快速测定法测定；总磷(TP)质量浓度采用钼酸铵分光光度法测定；膜生物反应器临界通量通过通量步进方法确定[14]。
1.3 污泥驯化
接种污泥取自曲阳污水厂曝气池回流污泥(ρ(MLSS)为9.85 g/L), 污泥沉降比为72%)，污泥质量浓度为2.50 g/L，外观棕褐色，镜检生物相丰富。启动生物反应池内回流泵，使整个反应池的污泥处于不断循环的状态，系统暂不出水，同时投加一定量营养物质维持污泥营养，闷曝2 d。停止回流泵，采取连续流(水量7 L/(m2·h))进行驯化，控制废水COD5质量浓度，使驯化过程中进水阴离子表面活性剂(LAS)含量逐步升高，直至完全成为原废水，以求污泥逐渐适应废水水质，最终实现运行稳定，使处理水量(7 L/m2·h)逐步递增至次临界通量区(12~15 L/m2·h)。
表1 试验期间洗浴废水水质
Table 1 Quality of bath wastewater during test
图1 洗浴废水回用处理工艺流程图[6]
Fig.1 Flow diagram of treatment process[6]
2 实验结果与讨论
2.1 MBR运行参数优化
2.1.1 MBR临界通量
图2所示为临界通量测定图。由图2可见：每阶通量值递增2~3 L/(m2·h)，历时30 min；当通量达到17 L/(m2·h)，跨膜压差增加较为迅速，故临界通量在15~17 L/(m2·h)区域范围。MBR恒流操作分为3个区域：超临界区(17 L/(m2·h)以上)、临界区(15~17 L/(m2·h))和次临界区(15 L/(m2·h)以下)。MBR在超临界区运行时，跨膜压差上升很快，而在次临界区，跨膜压差变化缓慢。因此确定膜通量在次临界区运行。
图2 临界通量测定图[6]
Fig.2 Measurement of critical flux[6]
2.1.2 最佳曝气量
当曝气强度小于经济曝气强度时，悬浮固体向膜表面运动的速度大于悬浮固体脱离膜表面的速度，导致悬浮固体迅速在膜表面沉积，此时膜污染主要由悬浮固体在膜表面的沉积所控制，跨膜压差上升速率随曝气强度减小而增加；而当曝气强度大于经济强度时，膜污染主要由溶解性有机物在膜表面的沉积所控制，此时跨膜压差上升速率随曝气强度增大而增大。如图3所示，经分析确定曝气量为450~550 L/(m2·h)。
图3 跨膜压差与曝气强度关系[6]
Fig.3 Relationship of transmembrane pressure and aeration strength[6]
2.2 水质指标变化
水力停留时间t是膜生物反应器运行中的一个重要操作参数，降低停留时间会导致较高的有机负荷率，而提高停留时间会得到更好的去除效果[15]。本试验以水质指标去除率对t的变化情况进行工艺参数优化，同时对MBR活性污泥性能进行分析。
2.2.1 CODCr的去除
表2所示为水质指标去除率对水力停留时间的变化。由表2可知：试验初期，即污泥驯化期，膜池上清液以及出水都随进水水质而波动，处理效果不理想。随污泥逐步适应水质进入适应期，上清液和出水水质得到改善，出水完全达标，此时活性污泥十分活跃。在污泥成熟期，由于污泥渐渐老化，溶解性物质和胞外聚合物逐渐增多。但由于膜的截流作用，出水水质仍稳定。开始膜的截留作用不明显，因为膜只能截留较大分子污染物，而由于生物作用，较大分子污染物已被分解，且膜面的凝胶层尚未形成。随时间推移，膜面凝胶层的逐步形成，从而增大了膜的去除效果。
表2 水质指标去除率对水力停留时间t的变化
Table 2 Removal rate of water quality index on t %
2.2.2 总氮的去除
膜生物反应器出水TN质量浓度始终低于15 mg/L，达标准要求。驯化初期脱氮效果不太好且上清液和出水总氮变化随进水总氮而变化。适应阶段处理效果较好，说明膜生物反应器内污泥活性较好且已适应水质。尽管之后进水总氮有时较高，但去除效果均较理想，说明生物膜有一定的抗冲击负荷能力。上清液总氮和出水总氮差值不大，这是因为总氮是无机物，过膜水平高，所以，膜对其截流作用不强，只有膜面凝胶层对总氮有一定去除作用。
2.2.3 氨氮的去除
由于曝气以及膜的截流作用，截流了世代时间较长的亚硝化细菌和氨氧化细菌，MBR对氨氮的去除极好。初期就有较高的去除率，随时间推移去除率逐渐增加并趋于稳定，最后达到90%，出水氨氮含量接近于0。
2.2.4 总磷的去除
污泥生长需要一定的磷且进水含磷量较少，所以MBR对其去除较高，甚至达100%。只有个别情况，由于进水总磷含量太低去除率不是很高，后期去除没有预想中稳定，有可能是系统未排泥。
2.2.5 LAS的去除
驯化初期系统对LAS[16]去除不高，出水LAS含量未达标。随时间推移，LAS去除率逐渐增加直到驯化结束时已接近80%。从膜池生物去除率来看，好氧生物的作用较大，随时间去除率进一步提高，高达90%且相对稳定，说明活性污泥对LAS已经适应。污泥能在短时间内适应水质是因为接种污泥取自生活污水处理厂，而生活污水处理厂水中也含有一定的LAS，因此，接种污泥中有些污泥已有去除LAS的能力。
2.2.6 BOD5的去除
驯化初期，上清液和出水水质随进水而波动，BOD5含量已较低，生物去除吸收较快。适应期膜生物反应器出水十分稳定，最低去除率为95%，最高为100%，说明活性污泥对BOD5的去除相当有效。
2.2.7 浊度的去除
表3所示为浊度和悬浮物去除率对水力停留时间的变化。从表3可看出：MBR具有较强的去除能力 (去除率为99%)；浊度反映水中SS对光线透过的阻碍程度，测定结果表明MBR能优质出水。经过38 d的测定，发现SS和浊度去除率较稳定，不需再继续 检测。
2.2.8 污泥特性
用生活污水厂的污泥作为接种污泥，可较快适应污水水质，易于接种驯化。图4所示为驯化期污泥MLSS变化曲线。由图4可知：驯化期污泥质量浓度一直呈增长趋势，初期增长较快，之后增长较为稳定，保持在2.20~2.50 g/L之间。
图4 驯化期污泥MLSS变化曲线
Fig.4 MLSS curve of sludge in domesticated period
图5所示为运行期污泥MLVSS与MLSS质量浓度变化曲线。由图5看出：污泥总体呈增长趋势，且在2.50~4.00 g/L之间。活性污泥特征参数f (f为MLVSS与MLSS浓度比)变化不大，可看出污泥的活性一直很强，从氮的去除也可说明这一点。
表3 浊度和悬浮物去除率对水力停留时间t的变化
Table 3 Removal rate of turbidity and SS on t %
图5 运行期污泥MLVSS与MLSS质量浓度变化曲线
Fig.5 Mass concentration of MLVSS and MLSS of sludge in operating period
3 结论
(1) MBR运行的最佳工艺参数如下：通量值为13~15 L/(m2·h)；抽停出水时间为12 min，停止3 min；曝气量为450~550 L/(m2·h)；缺氧池水力停留时间为1.3~1.5 h；好氧池水力停留时间为3~4 h；污泥停留时间为60~80 d；污泥浓度为3.00~4.00 g/L。
(2) 该条件下工艺对洗浴废水的处理效能较高，化学需氧量、总氮、氨氮、总磷、阴离子表面活性剂、生物化学需氧量、浊度的去除率均高于90%，甚至达100%，有很好的脱氮除磷效果，也有一定的抗冲击负荷能力，可保证COD5去除率较高，同时保证膜通量，出水水质能够达到标准。
(3) 膜生物反应器工艺用于净化补偿河道水取得了较好效果。采用MBR结合BAF、气浮等工艺处理洗浴废水。试验证明，膜生物反应器用于洗浴废水回用是可行的。
参考文献：
[1] YANG Wen-bo, Cicek N, Ilg J. State-of-the-art of membrane bioreactors: Worldwide research and commercial applications in North America[J]. J Membr Sci, 2006, 270: 201-211.
[2] Fallah N, Bonakdarpour B, Nasernejad B, et al. Long-term operation of submerged membrane bioreactor (MBR) for the treatment of synthetic wastewater containing styrene as volatile organic compound (VOC): Effect of hydraulic retention time (HRT)[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 178: 718-724.
[3] Pierre L C. Membrane bioreactors and their uses in wastewater treatments[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2010, 88: 1253-1260.
[4] 王伟国, 李日强, 王爱英. 序批式膜生物反应器处理生活污水污染物去除特性研究[J]. 水处理技术, 2010, 36(11): 96-99.
WANG Wei-guo, LI Ri-qiang, WANG Ai-ying. Study on removal of pollutants from domestic wastewater by sequencing batch membrane bioreactor[J]. Technology of Water Treatment, 2010, 36(11): 96-99.
[5] 谢元华, 朱彤, 徐成海, 等. 膜生物反应器中膜污染影响因素的研究进展[J]. 化学工程, 2010, 38(10): 26-32.
XIE Yuan-hua, ZHU Tong, XU Cheng-hai, et al. Research progress in influence factors on membrane fouling in membrane bioreactor[J]. Chemical Engineering (China), 2010, 38(10): 26-32.
[6] GUO Ji-feng, XIA Si-qing, WANG Rong-chang, et al. Study on membrane fouling of submerged membrane bioreactor in treating bathing wastewater[J]. Journal of Environmental Sciences, 2008, 20: 1158-1167.
[7] Melin T, Jefferson B, Bixio D, et al. Membrane bioreactor technology for wastewater treatment and reuse[J]. Desalination, 2006, 187(1/2/3): 271-282.
[8] YANG Wen-bo, Cicek N. State of the art of membrane bioreactors: worldwide research and commercial applications in North America[J]. J Membr Sci, 2006, 270(1/2): 201-211.
[9] McAdam E J, Judd S J. A review of membrane bioreactor potential for nitrate removal from drinking water[J]. Desalination, 2006, 196(1/2/3): 135-148.
[10] Jefferson B, Laine A L, Judd S J, et al. Membrane bioreactor and their role in wastewater reuse[J]. Water Science and Technology, 2000, 41(1): 197-204.
[11] 胡建东, 完颜华. 污水处理中膜生物反应器工艺的探讨[J]. 炼油技术与工程, 2004, 34(4): 59-62.
HU Jian-dong, WAN Yan-hua. Exploration on MBR process for waste water treatment[J]. Petroleum Refinery Engineering, 2004, 34(4): 59-62.
[12] Visvanathan C, Ben Aim R, Parameshwaran K. Membrane separation bioreactors for wastewater treatment[J]. Crit Rev Environ Sci Technol, 2000, 30(1): 1-48.
[13] 李国会, 王玉玲, 王丽芸. MBR处理工艺的发展与应用[J]. 中国环境管理干部学院学报, 2009, 19(2): 43-46.
LI Guo-hui, WANG Yu-ling, WANG Li-yun. Development and application of MBR treatment process[J]. Journal of EMCC, 2009, 19(2): 43-46.
[14] Tewari P K, Singh R K, Batra V S, et al. Membrane bioreactor (MBR) for wastewater treatment: Filtration performance evaluation of low cost polymeric and ceramic membranes[J]. Separation and Purification Technology, 2010, 71: 200-204.
[15] MENG Fan-gang, SHI Bao-qiang, YANG Feng-lin, et al. Effect of hydraulic retention time on membrane fouling and biomass characteristics in submerged membrane bioreactors[J]. Bioprocess Biosyst Eng, 2007, 30: 359-367.
[16] XIA Si-qing, GUO Ji-feng, WANG Rong-chang. Performance of a pilot-scale submerged membrane bioreactor (MBR) in treating bathing wastewater[J]. Bioresource Technology, 2008, 99: 6834-6843.
(编辑 杨幼平)
收稿日期：2011-05-25；修回日期：2011-07-04
基金项目：国家科技重大专项资助(2008ZX07421-002，2008ZX07421-004，2009ZX07317-008-5)；国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2008AA06A412)；住房和城乡建设部研究开发项目(2009-K7-4)
通信作者：夏四清(1965-)，男，河南汝南人，教授，博士生导师，从事污水处理与资源化研究；电话：021-65980440；E-mail: siqingxia@gmail.com
摘要：采用膜生物反应器对洗浴废水进行处理回用研究，确定该工艺最佳运行参数，并考察其用于洗浴废水回用的可行性。实验结果表明：膜生物反应器最佳运行条件为通量13~15 L/(m2·h)，曝气量450~550 L/(m2·h)，污泥质量浓度3.00~4.00 g/L；最佳条件下该工艺对洗浴废水的处理效能较高，化学需氧量、总氮、氨氮、总磷、阴离子表面活性剂、生物化学需氧量和浊度的去除率均高于90%，甚至达100%。
