膜法水处理方法在水环境治理中的应用.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-113-生 态 与 环 境 工 程目前，我国水资源匮乏，人均水资源占有量为 2200m，在全国约 600 座城市中，超过 400 座城市处于缺水状态。我国水污染问题也比较突出，废水的回收率较低，根据数据，在全国 700 多条河道中，只有 32.2%的断面满足饮用水水质，受污染影响不能饮用的断面比例达到67.8%。在水资源匮乏与水体污染共存的背景下，须引入膜法水处理方法，对水环境进行治理1。1 膜法水处理方法的特性分类膜法水处理是一项多学科交叉的新兴技术，无论是人工合成膜还是天然膜，均具有一定的选择通过性。其中，膜分离是利用电场作用，对两组或多组分溶剂进行富集、纯化、分级以及分离的一种新方法2。目前，广泛使用的膜组件包括圆管式、平板式、螺旋卷式、毛细管式以及中空纤维式3。2 水环境治理领域引入膜法水处理方法的技术原理2.1 曝气膜-生物反应器该技术是由 Cote.P 首次提出的一种新型的膜技术，是利用具有高透过性的致密膜和疏水膜，通过平板或空心纤维组合，在保证气相分压小于气泡点的条件下，达到无气泡充气的目的4。这种方法具有氧气传递效果好、接触时间长等优点，且不会受到常规曝气过程中停留时间、气泡尺寸等因素的影响5。2.2 萃取膜-生物反应器萃取膜-生物反应器（EMBR）是一种新型的高效分离技术，由于 pH 较高，或含有生物毒性物质，因此，不宜采用与微生物直接接触的方法来处理。在含有易挥发的危险材料的废水中，如果使用常规好氧生化工艺，那么污染物极易随着曝气气体的挥发而产生逸出现象，从而导致处理效果不稳定和空气污染问题6。3 水环境治理领域引入膜法水处理方法的试验设计3.1 主要装置本装置主要由预处理池、膜组件、MBR 反应器、水箱以及缺氧池组成。3.1.1 水箱初沉池出水，通过 0.6mm 的机械格栅，由潜水泵抽取后再送入水池。在所述储槽的底部设置一台潜泵，将原水从缺氧槽中抬起，潜泵按照缺氧槽内的水位自动打开，上部设有泄水孔，将过多的原水排放出去。水箱规格为1200mm1400mm1400mm。3.1.2 缺氧池在低氧条件下，反硝化细菌将硝态氮转变成 N2O 或 N2排放，具有一定的反硝化功能。部分有机质在酸性条件下会发生水解，利于好氧微生物降解。在缺氧罐上面安装一台电动搅拌器，保证充分混合，并与微生物、基质充分接触。缺氧池规格为 5000mm800mm1200mm，有效容积为 2.8m。3.1.3 预处理池在厌氧池的后面增加一个预处理池，并配有鼓风机，在MBR 中溶解氧含量较低的情况下，启动鼓风机，以达到预曝气的目的。混合液从低氧池自流至前处理池，通过阀调节开启程度。在膜生物反应器的底部设置一台循环泵，将混合液送入膜生物反应器内，每 10min 运行一次，每次运行 10min。预处理池规格为 5000mm800mm1200mm，有效容积 2.8m。3.1.4 MBR 反应器在 MBR 反应器底部设置一根内径 13mm 的穿孔板，其孔间距为 30mm，孔径为 5mm。MBR 反应器采用双层膜结构，上部设有溢流管，将部分混合液回流到低氧槽内进行脱氮处理。MBR反应器规格为 5000mm1200mm1200mm，有效容积为 5m。3.1.5 膜组件使用 H3-510 型膜片，单片面积 490mm1000mm。3.2 试验原水试验原水为某污水处理厂初沉池出水，以家庭废水为主要成分，并含有部分工厂废水、餐饮废水，是具有代表性的城市废水7。3.3 分析项目与方法COD 项目主要采用回流法，NH3-N 项目主要采用酚二磺酸分光光度法，总磷项目主要采用紫外分光光度法，总氮项目主要采用分光光度计等。3.4 试验主要内容考察膜法水处理方法对废水中总磷、COD、总氮、NH3-N以及浊度等指标的治理成效。对经膜法水处理方法后的出水进行检验，分析水质是否满足城市污水再生利用城市杂用水水质（GB/T 189202020）标准。膜法水处理方法在水环境治理中的应用陈冬梅（菏泽市生态环境局牡丹区分局环境监测监控中心站，山东 菏泽 274000）摘 要：由于污水治理难度增加，因此对水环境治理方法提出了更高的要求。膜法水因运行管理简单、占地面积小以及出水质量高等特点，逐渐成为解决水环境问题的主要方式。本文对污水处理厂初沉池出水，家庭废水进行试验，对膜法水的处理效果进行试验，结果表明，膜法水处理方法对总磷、COD、总氮、NH3-N 等指标具有明显的改善效果，值得推广应用。关键词：水环境治理；膜法水处理；废水试验中图分类号：X52 文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（上）-114-生 态 与 环 境 工 程4 水环境治理领域引入膜法水处理方法的污染物去除效果4.1 COD对进水、出水及反应器上层清液进行定期检测，以 4000r/min的速度离心 15min，采用定性滤纸过滤。这种工艺中的入水、出水及反应器上层的 COD 值随时间的变化情况如图 1 所示。从图 1 得出以下结论。1）启动速度快。该技术从入泥至完成只有 9d。2）COD 去除率高。MLSS（5g/L13g/L）较高，能有效地脱除入水中的有机物，确保 COD 去除效率维持在较高水平。3）当每次启动设备时，微生物未完全发育，MLSS 低于 6g/L，因此，该过程对 COD 的脱除效率低于 90%，在此期间，由于微生物有增殖与驯化作用，因此 COD 的去除效果逐渐提高，在稳定状态下均在 90%以上。4）COD 变化值为 7mg/L39mg/L，平均值为 20mg/L，若不考虑启动阶段的因素，则运行期间 COD 去除率约为 95%。膜法水处理方法去除有机污染物，主要由膜截留、活性污泥两部分作用组成8。其中，活性污泥是 COD 的主要降解途径，其处理效果可达 60%，其主要原因是微生物停留时间长、浓度高。同时，利用膜对溶解性微生物代谢物（SMP）等有机物的高效滞留作用，可有效解决生化过程中的不稳定问题，保证出水质量。4.2 NH3-N图 2 为 NH3-N 的去除效果。由于亚硝化菌和硝化菌的传代周期比较长，因此初期对氨氮的去除效果并不理想。但在本次试验中，该过程始终保持良好的处理效果，这可能与初始投料污泥中的硝化菌数量大以及监测时已驯化 7d 有关。氨氮平均去除率平均达到98%。出水氨态氮为 0mg/L1.3mg/L，平均值0.5mg/L。4.3 总氮图 3 为 TN 的去除效果。污泥中的污泥浓度偏低，不利于厌氧的形成，污泥的厌氧微生物数量会降低，因此在初始阶段，总氮的去除率约为 40%80%。120d 后，由于污水中的悬浮物含量从 4000mg/L 增至 6000mg/L10000mg/L，由于厌氧反应器内微生物数量持续增加，因此使厌氧条件逐渐变好，同时反应器内污泥龄较长，总氮的去除率逐渐稳定，去除率也有了很大提高（平均为 74%），而出水中总氮逐渐降至 20mg/L 以下。运行 195d 后，设备失灵，活性污泥大量排出，导致 MLSS 重新降至 6000mg/L 以下，该过程全氮的去除率呈下降趋势。出水总氮在 237d 后再次趋于平稳。4.4 总磷图 4 为 TP 的去除效果。在初始阶段，总磷去除率因过程的不稳定而出现明显起伏。TP 的脱除率为 30%80%，在稳定运行条件下，该工艺的 TP 去除率基本稳定。生物除磷是指聚磷菌从外界大量吸收磷，并以聚合状态贮存于体内，形成高图 1 COD 的去除效果图 2 NH3-N 的去除效果图 3 TN 的去除效果7006005004003002001000100806040200806040200100806040200100806040200120100806040200COD浓度（mg/L）去除率/%去除率/%去除率/%运行时间（d）运行天数（d）进水进水进水1110109292113113124124162162 180201216 23125127611399117127166180201216231251276175195209230243254出水出水出水MBR上清液MBR上清液系统去除率系统去除率去除率生物去除率氨氮（mg/L）总氮（mg/L）运行时间（d）中国新技术新产品2024 NO.4（上）-115-生 态 与 环 境 工 程磷污泥，高效去除磷。因此，采用低泥龄工艺，能有效去除大量的残余污泥，从而达到良好的除磷效果。然而，在 MBR 中，污泥泥龄大，对生物除磷不利，但采用缺氧-好氧模式的 MBR系统除磷效率很高，体现了 MBR 中聚磷菌对磷的作用。4.5 工艺出水与回用标准比较工艺出水基本与城市污水再生利用城市杂用水水质（GB/T 189202020）标准相符，见表 1。4.6 试验小结膜法水处理方法效果良好，出水质量稳定，出水 COD，NH3-N，SS，细菌等各项指标均达到城市污水再生利用城市杂用水水质（GB/T 189202020）标准，实现了预定的目标。由于污泥龄较长，有利于难降解的有机降解细菌繁殖与富集，该试验不仅能有效地处理一般污染物，还能有效去除难降解的挥发性酚类、LAS、石油以及氰化物和重金属等。在不同条件下，厌氧-好氧两种模式可起到一定的除磷效果。4.7 建议建议系统性分析膜法水处理方法中发生的同步硝化-反硝化，并对 F/M、C/N 以及 DO 等对同步硝化-反硝化性能的影响进行总结，便于提高脱氮效果，进一步降低运行成本。建议在膜池内投加混凝剂，以此强化除磷效果，并通过观察分析，判断对微生物的影响，并对下一步的试验进行改进。建议进一步研究减缓膜污染方法，避免因膜污染导致水处理效果降低的问题，方法包括研制新型膜材料；对膜结构与组成进行优化（开发膜-生物反应器联用技术等）；调控水动力条件（亚临界流量调控、气-水两相流以及非稳定流操作技术等）；采用超声法、臭氧氧化法以及反冲洗法等，对膜污染进行强行去除；可在膜法水处理前增设过滤、沉淀的环节，并定期对膜进行维护、清洗。建议降低能耗，较高的膜法水处理技术能耗不符合“双碳”要求，其主要原因在于水处理过程需要提高压力，通过高渗透压差实现膜法水处理，因此，可以在这方面减低能耗，例如选择低压膜、高通量膜以及节能膜等技术。5 结论膜法水处理方法作为一种低成本、对环境友好、高效便捷的水处理新方法，在水环境治理领域的应用越来越广泛，并将在今后的发展中逐渐完善，为保护生态、改善生活环境做出贡献。参考文献1 郑超，朱军，张宁，等.水处理膜技术发展现状及趋势分析J.中国设备工程，2022（14）：109-110.2 曹焕义.全膜法水处理中各系统主要的 PLC 控制解析 J.中国新技术新产品，2017（19）：8-11.3 周超，吴东海，陆光华，等.膜法水处理中膜污染的化学控制研究进展 J.工业水处理，2019，39（2）：6-10.4 庞流.膜法在电镀工业废水处理中的应用 J.中国新技术新产品，2012（21）：223-223.5 朱峰，李彦华.反渗透膜法在核电站水处理中的应用 J.中国新技术新产品，2010（24）：1.6 马昕，安东子，寇彦德，等.焦化废水膜法组合深度处理工艺设计与应用 J.工业水处理，2017，37（4）：102-105.7 孙秋里，王国英，张小平，等.双膜法勾兑深处理焦化废水工艺设计 J.水处理技术，2012，38（9）：120-122.8 李瑞峰，于守政，李治刚.双膜法在污水再生处理中的应用及运行维护 J.工业用水与废水，2020，51（5）：65-68.表 1 工艺出水水质比较项目达标率工艺出水景观环境用水标准城市杂用水标准湖泊水景河道类车辆冲洗城市绿化基本要求100%无不快感无不快感 无不快感无不快感 无不快感pH100%6.27.46.09.0 6.09.0 6.09.0 6.09.0色度（倍）50%10030303030浊度（NTU）100%0.80510BOD5（mg/L）95%6.446101020SS（mg/L）100%01020TDS（mg/L）100%561.5510001000溶解氧（mg/L）100%5.01.51.51.01.0氨氮（mg/L）100%0.54551010总氮（mg/L）20%25.061515总磷（mg/L）20%5.900.51.0LAS（mg/L）100%0.350.50.50.51.0铁（mg/L）50%0.750.3锰（mg/L）100%0.030.1石油类（mg/L）50%0.61.01.0总大肠菌群（个/L）100%033粪大肠菌群（个/L）100%020002000图 4 TP 的去除效果1412108642010080604020011399117127166180201216231251276运行天数（d）进水出水去除率去除率（%）总磷（mg/L）