膜分離技術在船用生活污水處理裝置上的應用
摘要: 分析現有污水處理裝置中存在的問題以及膜生物反應技術處理污水的工作原理、技術特點, 對污泥質量濃度、膜污染、膜通量及膜的清洗等關鍵技術進行探討。
關鍵詞: 船舶舾裝,全污水處理, MBR 技術,零排放
目前, 船舶80%以上的污水處理裝置采用生物化學法。有些裝置已裝船使用20 多年, 基本上還都正常在工作, 在實際使用中存在許多問題。例如, 液位電極容易引起假信號; 非銅質的粉碎泵容易銹蝕; 非銅質的球閥易堵塞或關不緊。這都是因為海水以及糞便污水腐蝕性很強; 鼓風機送氣設計過多, 透氣管直徑不夠大; 集氣室設計不佳引起甲板冒泡 ; 還有個別裝置焊接和內部涂層質量控制不嚴, 裝置出現滲漏。國際海事組織要求從2010 年1 月1 日起執行新的污水排放標準, 傳統的生化處理工藝已不能達到新標準的要求。
1 污水處理裝置的工作原理
為了適應新的排放標準并改進污水處理裝置中存在的的問題, 膜生物反應技術應運而生。膜生物反應器( membrance bio-reactor, MBR) 是20 世紀末發展起來的水處理高新技術, 將生物處理與膜分離有機地結合起來[ 1] 。早期由于制膜水平的限制, 造成了膜使用壽命較短, 很難進行大規模的應用。隨著材料科學的發展與制膜技術的提高, 推動了MBR 技術的發展, 超濾膜在污水處理中的應用也日趨成熟, 特別是日本、英國、美國等發達國家已非常廣泛地應用于污水處理廠, 且處理效果較好。
我國于1991 年開始研究和實驗將超濾膜應用到污水處理中, 取得了不錯的效果, 實驗表明, MBR 工藝出水懸浮物近似為零; 細菌總數指標優于飲用水標準, 一般細菌的大小在0. 6~ 1. 0 μm ( 超濾0. 002~ 0. 100 μm) ; COD 和氨氮的去除率都高于95% , 出水可直接回用。在膜生物反應器中安裝填料的目的有兩個: ! 提高處理系統的抗沖擊負荷, 保證系統的處理效果; 降低反應器中懸浮性活性污泥濃度, 減小膜污染的程度, 保證較高的膜通量。
污水處理裝置通常采用活性污泥、接觸氧化和膜分離的處理原理( MBR) 來消解污水中的有機污染物質。MBR 能達到高效、徹底和干凈地處理污水, 使排放水滿足IMO 新標準和其他區域更嚴酷的要求。
其處理流程見圖1。
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在一級曝氣柜內以好氧菌為主的活性污泥菌團形成像棉絮狀帶有粘性的絮體吸附有機物質, 在充氧的條件下消解有機物質變成無害的二氧化碳和水, 同時活性污泥得到繁殖, 在作為菌膠團營養的有機污染物質減少時細菌成饑餓狀態以致死亡, 死亡的細胞就成為附著在活性污泥中的原生物和后生動物的食物, 糞便污水中95% 以上是易消解的有機物質[ 2] , 可被氧化。
在二級接觸氧化柜內懸掛有軟性生物膜填料, 具有吸附消解有機物功能的生物膜在水中自由飄動, 大部分原生物寄居于纖維生物膜內, 同樣由于充氧的作用, 有機物質進一步與生物膜接觸氧化分解。如果停機一段時間再起動的話, 由于生物膜中尚有細菌的孢子存活, 因此比常規曝氣法起動時間要快得多。同時軟性填料像棉桃一樣, 營養過剩時會漲開, 吸附過剩的污泥; 營養差時會慢慢消化自己, 又稱內源呼吸 [ 3] ,棉桃萎縮, 等待食物。
污水隨后進入三級沉淀柜, 由于不曝氣, 污泥會很快沉淀, 在沉淀柜內累積的活性污泥沉淀物由裝置自動定期用氣提法再返送到一級曝氣柜內作為菌種繁殖。可根據裝置的運行狀態設置污泥的返送周期, 一般每30 min 提升一次污泥, 2 min后停止。
沉淀柜內上清液流入膜柜, 為膜創造了良好的運行條件。膜柜內置有浸沒式膜組, 柜內同時也曝氣參與生化反應, 所以又稱膜生物反應器( MBR) 。膜為中空纖維超濾材料, 由真空泵抽吸滲過膜的清水, 再經過紫外線消毒殺菌, 就達到排放標準, 排放至舷外或船上清水艙或通岸接頭。
膜柜內的濃縮污水設計成自動停曝程序, 膜柜內沉淀污泥也自動定期用氣提法返回至曝氣柜。每當膜柜內水位被抽至低位時, 曝氣電磁閥關閉17 min, 使膜柜污泥沉淀, 提升電磁閥關閉 15 min 后開2 min, 將膜柜內污泥提升至第一級。當低水位時, 提升電磁閥關閉15 min 后開啟 2 min, 曝氣電磁閥關17 min 后一直開啟, 在上述17 min 內, 如果水位至高位時, 控制程序中斷, 見圖2。
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在氣泵停曝期內, 活性污泥處于缺氧狀態, 實現同步硝化和反硝化反應, 有利于脫氮除磷 降低排放水中的氨氮指標。對克服通常連續曝氣傳統活性污泥法的冒泡弊病也有裨益。真空泵的抽吸采用自動定期開9 min 停抽 1 min, 見圖3。而曝氣一直不停, 這就有利于膜絲的擦洗, 結成的垢因沒有吸力而自動掉下, 延長了膜的清洗周期。由于膜柜設計成單獨封閉結構, 清洗時也比較方便, 不需要取出膜組, 可以實現在線清洗, 向膜柜內加入清洗化學藥品進行浸泡, 同時曝氣, 猶如洗衣機, 可很快去除膜絲上的結垢。清洗后出水量恢復到原來的水平。如只浸泡不曝氣, 效果往往不佳。
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污泥排放周期視污水水質和負荷而定, 一般 6~ 9 個月左右排放一次多余污泥。
2 膜生物反應器的技術特點
1) 生活污水處理裝置采用曝氣、接觸氧化、沉淀、膜法處理、間隙曝氣、自動污泥返送等工藝, 是最有效的處理裝置。污水在曝氣柜和接觸氧化柜內充分供氧, 消解有機污染。
2) 用MBR 膜法處理工藝能使船舶污水處理后的排放水達到IMO MEPC. 159 ( 55) 的排放標準。采用超濾膜不僅可以濾去任何固體雜質, 甚至大腸菌群, 還參與生化反應, 降解有機污染, 提高處理效率。裝置內污泥不流失, 污泥濃度增加, 污泥負荷率高。
3) S 裝置采用間隙曝氣工藝, 比傳統連續曝氣活性污泥法有很大改進。微生物同時進行以下三種活動:
① 有氧呼吸。主要是好氧菌進行分解, 將有機物分解成: CO2、H2 O、NH3- 、S O2- 4 、PO3- 4 , 此過程對應上述的曝氣過程。
② 缺氧呼吸。主要是厭氧菌進行分解, 將 NO- 3 與H+ 生成N2 和H2O, 將H+ 與SO2- 4 生成 H2S 和H2 O, 發生硝化反硝化反應, 完成脫氮除磷 , 此過程對應上述的沉淀和停曝過程。
③ 內源呼吸。當污水中的有機物質消耗殆盡時, 微生物就會自我消耗, 內源呼吸, 維持少量菌種生命的延續, 此過程對應了上述的沉淀過程。在污水處理過程中, 曝氣和停曝是同樣必須的, 生物鏈中既有好氧菌又有厭氧菌, 如大量曝氣, 好氧菌就會大量繁殖, 特別是絲狀菌, 就會產生污泥膨脹現象, 停曝能克服污泥膨脹現象。
4) 裝置采用PLC 程序控制, 實現污泥自動返送系統, 克服了傳統的裝置需要人工操作, 符合 24 h 無人機艙的要求。
5) 裝置采用對膜的在線清洗, 不需要將膜取出清洗, 適應船上的特殊條件。膜法處理使用較大的氣流沖刷, 減少膜的污染。
6) 裝置結構可設計成臥式圓筒型, 結構新型, 強度高, 更耐壓, 更能適應船舶搖擺的條件和整體吊裝。
7) 紫外線消毒, 自動計時, 斷電報警, 可以清洗, 抗振耐用。
8) 設計公海排放程序, 降低裝置使用率, 延長使用壽命, 符合防污染公約要求。
3 膜生物反應器的技術分析
3. 1 污泥質量濃度
普遍的膜生物反應器MBR 的技術理論是: 膜不單起著滲透分離包括有機物在內的溶質和溶液的作用, 而且在膜表面形成生物膜參與了生化反應, 同時可將傳統的污泥質量濃度從 2 000 mg/ L提高到6 000 mg / L, 甚至更高。充分表明MBR 具有很高的處理效率, 沉淀柜體積的縮小使得裝置尺寸減小。根據膜的分離機理, 膜柜內污泥濃度也不能太高, 在污水處理裝置中可以將高濃度污泥前移, 因為有膜的最后把關, 不怕沉淀柜出水有帶泥問題。裝置可采用PLC 設計, 將沉淀柜和膜柜的剩余污泥和浮渣按控制程序返回到第一級, 強化了生化反應。
3. 2 膜污染
通過對污水處理裝置的長期試驗發現, 膜法工藝處理污水確有非常神奇的功效, 缺點是膜的污染問題。有研究表明, 胞外聚合物是導致膜污染的最重要的生物因素, 當污染發生非絲狀膨脹時, 胞外聚合物質量濃度急劇上升, 會嚴重影響膜組件的正常運行[ 4] 。陸用MBR 是將膜組件置于高污泥質量濃度的混水中, 膜在惡劣的污水環境中運行污染是必然的, 惟一的選擇是輪換對膜組件進行清洗。美國一家大型陸上MBR 污水處理廠內有約1/ 10 面積的膜組件清洗車間, 不斷輪換清洗。船上因空間的限制, 不可能經常把膜組件吊出清洗。為此, 在開發船用膜法污水處理裝置時不能刻意縮小裝置體積省去沉淀柜, 從而使膜的運行條件過于惡劣。
3. 3 膜分離的機理
沉淀柜的停留時間可以比傳統的縮短一些, 但不可全部省去。沉淀柜內的上清液進入膜柜改善了膜的運行條件, 使膜的污染減少, 所以又稱干凈的MBR , 也可以稱之為清水膜 , 傳統的 MBR 則稱之為渾水膜。在清水膜中的機理可以有這樣的解釋: 與其說是膜參與了生化反應, 還不如說膜的分離機理占了主要地位。
傳統的MBR 污泥中的顆粒固體極易損傷脆弱的膜絲, 干凈的MBR 較少出現這種情況。前者膜絲表面的生物膜是褐色的; 后者膜絲表面的生物膜在顯微鏡下才能看到是透明的粘膜。更深入的機理有待進一步研究。
3. 4 膜通量及膜的清洗
為了延長膜的清洗周期又要滿足處理水力負荷, 通常膜的污水設計通量只是清水通量的1/ 4, 即, 設計時膜組件量要放大4 倍。而在干凈的 MBR 設計中, 只要放大約3 倍, 同時通量衰減周期延長, 沉淀柜尺寸可以減少, 這對空間較小的船舶機艙是非常有意義的。由于前級生化效率提高和沉淀柜的縮小, 加上圓筒型的巧妙設計, 得以使整個裝置尺寸很緊湊。
4 結束語
由于國際船舶防污染公約的更新, 船舶防污染設備的升級刻不容緩。船用膜法生活污水處理裝置采用清水膜工藝技術很好地應對了日益嚴格的海洋環境保護要求。采用多級處理、好氧厭氧交替、生物膜、清水膜工藝、自動返送活性污泥、清洗周期長、耐壓殼體結構抗震抗沖擊等技術, 特別適用于船上的特定環境條件, 與陸用傳統工藝相比具有較大的突破。
參考文獻
[ 1] 金偉忠, 黃延年. MBR 膜生物反應器處理船舶污水應用試驗研究[ J] . 機械設計, 2004( 10) : 246-247.
[ 2] 劉 雨, 趙訂良, 鄭興燦. 生物膜污水處理技術[ M ] . 北京: 中國建筑工業出版社, 2003.
[ 3] 董良飛, 蔡慧萍, 王經宇, 等. 船舶生活污水處理技術研究[ J] . 建筑科學與工程學報, 2005( 2) : 90-94.
[ 4] 布 多, 張 穎, 顧 平. 氯化鐵絮凝法減輕膜污染 [ J] . 城市環境與城市生態, 2003, 12( 6) : 46-48.
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