膜分离技术在船用生活污水处理装置上的应用
摘要: 分析现有污水处理装置中存在的问题以及膜生物反应技术处理污水的工作原理、技术特点, 对污泥质量浓度、膜污染、膜通量及膜的清洗等关键技术进行探讨。
关键词: 船舶舾装,全污水处理, MBR 技术,零排放
目前, 船舶80%以上的污水处理装置采用生物化学法。有些装置已装船使用20 多年, 基本上还都正常在工作, 在实际使用中存在许多问题。例如, 液位电极容易引起假信号; 非铜质的粉碎泵容易锈蚀; 非铜质的球阀易堵塞或关不紧。这都是因为海水以及粪便污水腐蚀性很强; 鼓风机送气设计过多, 透气管直径不够大; 集气室设计不佳引起甲板冒泡 ; 还有个别装置焊接和内部涂层质量控制不严, 装置出现渗漏。国际海事组织要求从2010 年1 月1 日起执行新的污水排放标准, 传统的生化处理工艺已不能达到新标准的要求。
1 污水处理装置的工作原理
为了适应新的排放标准并改进污水处理装置中存在的的问题, 膜生物反应技术应运而生。膜生物反应器( membrance bio-reactor, MBR) 是20 世纪末发展起来的水处理高新技术, 将生物处理与膜分离有机地结合起来[ 1] 。早期由于制膜水平的限制, 造成了膜使用寿命较短, 很难进行大规模的应用。随着材料科学的发展与制膜技术的提高, 推动了MBR 技术的发展, 超滤膜在污水处理中的应用也日趋成熟, 特别是日本、英国、美国等发达国家已非常广泛地应用于污水处理厂, 且处理效果较好。
我国于1991 年开始研究和实验将超滤膜应用到污水处理中, 取得了不错的效果, 实验表明, MBR 工艺出水悬浮物近似为零; 细菌总数指标优于饮用水标准, 一般细菌的大小在0. 6~ 1. 0 μm ( 超滤0. 002~ 0. 100 μm) ; COD 和氨氮的去除率都高于95% , 出水可直接回用。在膜生物反应器中安装填料的目的有两个: ! 提高处理系统的抗冲击负荷, 保证系统的处理效果; 降低反应器中悬浮性活性污泥浓度, 减小膜污染的程度, 保证较高的膜通量。
污水处理装置通常采用活性污泥、接触氧化和膜分离的处理原理( MBR) 来消解污水中的有机污染物质。MBR 能达到高效、彻底和干净地处理污水, 使排放水满足IMO 新标准和其他区域更严酷的要求。
其处理流程见图1。
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在一级曝气柜内以好氧菌为主的活性污泥菌团形成像棉絮状带有粘性的絮体吸附有机物质, 在充氧的条件下消解有机物质变成无害的二氧化碳和水, 同时活性污泥得到繁殖, 在作为菌胶团营养的有机污染物质减少时细菌成饥饿状态以致死亡, 死亡的细胞就成为附着在活性污泥中的原生物和后生动物的食物, 粪便污水中95% 以上是易消解的有机物质[ 2] , 可被氧化。
在二级接触氧化柜内悬挂有软性生物膜填料, 具有吸附消解有机物功能的生物膜在水中自由飘动, 大部分原生物寄居于纤维生物膜内, 同样由于充氧的作用, 有机物质进一步与生物膜接触氧化分解。如果停机一段时间再起动的话, 由于生物膜中尚有细菌的孢子存活, 因此比常规曝气法起动时间要快得多。同时软性填料像棉桃一样, 营养过剩时会涨开, 吸附过剩的污泥; 营养差时会慢慢消化自己, 又称内源呼吸 [ 3] ,棉桃萎缩, 等待食物。
污水随后进入三级沉淀柜, 由于不曝气, 污泥会很快沉淀, 在沉淀柜内累积的活性污泥沉淀物由装置自动定期用气提法再返送到一级曝气柜内作为菌种繁殖。可根据装置的运行状态设置污泥的返送周期, 一般每30 min 提升一次污泥, 2 min后停止。
沉淀柜内上清液流入膜柜, 为膜创造了良好的运行条件。膜柜内置有浸没式膜组, 柜内同时也曝气参与生化反应, 所以又称膜生物反应器( MBR) 。膜为中空纤维超滤材料, 由真空泵抽吸渗过膜的清水, 再经过紫外线消毒杀菌, 就达到排放标准, 排放至舷外或船上清水舱或通岸接头。
膜柜内的浓缩污水设计成自动停曝程序, 膜柜内沉淀污泥也自动定期用气提法返回至曝气柜。每当膜柜内水位被抽至低位时, 曝气电磁阀关闭17 min, 使膜柜污泥沉淀, 提升电磁阀关闭 15 min 后开2 min, 将膜柜内污泥提升至第一级。当低水位时, 提升电磁阀关闭15 min 后开启 2 min, 曝气电磁阀关17 min 后一直开启, 在上述17 min 内, 如果水位至高位时, 控制程序中断, 见图2。
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在气泵停曝期内, 活性污泥处于缺氧状态, 实现同步硝化和反硝化反应, 有利于脱氮除磷 降低排放水中的氨氮指标。对克服通常连续曝气传统活性污泥法的冒泡弊病也有裨益。真空泵的抽吸采用自动定期开9 min 停抽 1 min, 见图3。而曝气一直不停, 这就有利于膜丝的擦洗, 结成的垢因没有吸力而自动掉下, 延长了膜的清洗周期。由于膜柜设计成单独封闭结构, 清洗时也比较方便, 不需要取出膜组, 可以实现在线清洗, 向膜柜内加入清洗化学药品进行浸泡, 同时曝气, 犹如洗衣机, 可很快去除膜丝上的结垢。清洗后出水量恢复到原来的水平。如只浸泡不曝气, 效果往往不佳。
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污泥排放周期视污水水质和负荷而定, 一般 6~ 9 个月左右排放一次多余污泥。
2 膜生物反应器的技术特点
1) 生活污水处理装置采用曝气、接触氧化、沉淀、膜法处理、间隙曝气、自动污泥返送等工艺, 是最有效的处理装置。污水在曝气柜和接触氧化柜内充分供氧, 消解有机污染。
2) 用MBR 膜法处理工艺能使船舶污水处理后的排放水达到IMO MEPC. 159 ( 55) 的排放标准。采用超滤膜不仅可以滤去任何固体杂质, 甚至大肠菌群, 还参与生化反应, 降解有机污染, 提高处理效率。装置内污泥不流失, 污泥浓度增加, 污泥负荷率高。
3) S 装置采用间隙曝气工艺, 比传统连续曝气活性污泥法有很大改进。微生物同时进行以下三种活动:
① 有氧呼吸。主要是好氧菌进行分解, 将有机物分解成: CO2、H2 O、NH3- 、S O2- 4 、PO3- 4 , 此过程对应上述的曝气过程。
② 缺氧呼吸。主要是厌氧菌进行分解, 将 NO- 3 与H+ 生成N2 和H2O, 将H+ 与SO2- 4 生成 H2S 和H2 O, 发生硝化反硝化反应, 完成脱氮除磷 , 此过程对应上述的沉淀和停曝过程。
③ 内源呼吸。当污水中的有机物质消耗殆尽时, 微生物就会自我消耗, 内源呼吸, 维持少量菌种生命的延续, 此过程对应了上述的沉淀过程。在污水处理过程中, 曝气和停曝是同样必须的, 生物链中既有好氧菌又有厌氧菌, 如大量曝气, 好氧菌就会大量繁殖, 特别是丝状菌, 就会产生污泥膨胀现象, 停曝能克服污泥膨胀现象。
4) 装置采用PLC 程序控制, 实现污泥自动返送系统, 克服了传统的装置需要人工操作, 符合 24 h 无人机舱的要求。
5) 装置采用对膜的在线清洗, 不需要将膜取出清洗, 适应船上的特殊条件。膜法处理使用较大的气流冲刷, 减少膜的污染。
6) 装置结构可设计成卧式圆筒型, 结构新型, 强度高, 更耐压, 更能适应船舶摇摆的条件和整体吊装。
7) 紫外线消毒, 自动计时, 断电报警, 可以清洗, 抗振耐用。
8) 设计公海排放程序, 降低装置使用率, 延长使用寿命, 符合防污染公约要求。
3 膜生物反应器的技术分析
3. 1 污泥质量浓度
普遍的膜生物反应器MBR 的技术理论是: 膜不单起着渗透分离包括有机物在内的溶质和溶液的作用, 而且在膜表面形成生物膜参与了生化反应, 同时可将传统的污泥质量浓度从 2 000 mg/ L提高到6 000 mg / L, 甚至更高。充分表明MBR 具有很高的处理效率, 沉淀柜体积的缩小使得装置尺寸减小。根据膜的分离机理, 膜柜内污泥浓度也不能太高, 在污水处理装置中可以将高浓度污泥前移, 因为有膜的最后把关, 不怕沉淀柜出水有带泥问题。装置可采用PLC 设计, 将沉淀柜和膜柜的剩余污泥和浮渣按控制程序返回到第一级, 强化了生化反应。
3. 2 膜污染
通过对污水处理装置的长期试验发现, 膜法工艺处理污水确有非常神奇的功效, 缺点是膜的污染问题。有研究表明, 胞外聚合物是导致膜污染的最重要的生物因素, 当污染发生非丝状膨胀时, 胞外聚合物质量浓度急剧上升, 会严重影响膜组件的正常运行[ 4] 。陆用MBR 是将膜组件置于高污泥质量浓度的混水中, 膜在恶劣的污水环境中运行污染是必然的, 惟一的选择是轮换对膜组件进行清洗。美国一家大型陆上MBR 污水处理厂内有约1/ 10 面积的膜组件清洗车间, 不断轮换清洗。船上因空间的限制, 不可能经常把膜组件吊出清洗。为此, 在开发船用膜法污水处理装置时不能刻意缩小装置体积省去沉淀柜, 从而使膜的运行条件过于恶劣。
3. 3 膜分离的机理
沉淀柜的停留时间可以比传统的缩短一些, 但不可全部省去。沉淀柜内的上清液进入膜柜改善了膜的运行条件, 使膜的污染减少, 所以又称干净的MBR , 也可以称之为清水膜 , 传统的 MBR 则称之为浑水膜。在清水膜中的机理可以有这样的解释: 与其说是膜参与了生化反应, 还不如说膜的分离机理占了主要地位。
传统的MBR 污泥中的颗粒固体极易损伤脆弱的膜丝, 干净的MBR 较少出现这种情况。前者膜丝表面的生物膜是褐色的; 后者膜丝表面的生物膜在显微镜下才能看到是透明的粘膜。更深入的机理有待进一步研究。
3. 4 膜通量及膜的清洗
为了延长膜的清洗周期又要满足处理水力负荷, 通常膜的污水设计通量只是清水通量的1/ 4, 即, 设计时膜组件量要放大4 倍。而在干净的 MBR 设计中, 只要放大约3 倍, 同时通量衰减周期延长, 沉淀柜尺寸可以减少, 这对空间较小的船舶机舱是非常有意义的。由于前级生化效率提高和沉淀柜的缩小, 加上圆筒型的巧妙设计, 得以使整个装置尺寸很紧凑。
4 结束语
由于国际船舶防污染公约的更新, 船舶防污染设备的升级刻不容缓。船用膜法生活污水处理装置采用清水膜工艺技术很好地应对了日益严格的海洋环境保护要求。采用多级处理、好氧厌氧交替、生物膜、清水膜工艺、自动返送活性污泥、清洗周期长、耐压壳体结构抗震抗冲击等技术, 特别适用于船上的特定环境条件, 与陆用传统工艺相比具有较大的突破。
参考文献
[ 1] 金伟忠, 黄延年. MBR 膜生物反应器处理船舶污水应用试验研究[ J] . 机械设计, 2004( 10) : 246-247.
[ 2] 刘 雨, 赵订良, 郑兴灿. 生物膜污水处理技术[ M ] . 北京: 中国建筑工业出版社, 2003.
[ 3] 董良飞, 蔡慧萍, 王经宇, 等. 船舶生活污水处理技术研究[ J] . 建筑科学与工程学报, 2005( 2) : 90-94.
[ 4] 布 多, 张 颖, 顾 平. 氯化铁絮凝法减轻膜污染 [ J] . 城市环境与城市生态, 2003, 12( 6) : 46-48.
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