MBR工艺处理石榴浓缩汁生产废水的应用研究.pdf

0 引言国内许多果汁生产企业在果汁废水的治理工作上并不十分成功，大部分企业都未能做到长期稳定达标，而造成不能正常运行或不达标的主要原因是这类废水的处理工艺大多仿照其他高浓度有机废水的处理工艺设计，没有考虑到果汁废水的自身特点，以至于很多都在启动和运转过程中产生了一系列问题1。膜生物反应器（MBR）是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的废水处理新工艺，近年来已被逐步应用于城市污水和工业废水的处理2-3。它是用膜分离装置代替普通活性污泥法中的二沉池，不仅能高效地进行固液分离，而且膜的高效截留作用有利于在生物反应器内维持高浓度的微生物量；耐冲击负荷从而提高了处理装置的容积负荷，占地面积小，工艺设备集中；通过提高容积负荷、降低污泥负荷以及延长泥龄可以减少剩余污泥排放，甚至可以实现基本无剩余污泥排放；出水水质好，可以直接回用于非饮用水4-5，实现污水资源化。特别是1989年，人们将中空纤维膜与活性污泥法组合工艺处理污水，其运行成本降低到常规活性污泥法可比的水平6。反应器运行控制灵活稳定，整个系统由第一作者简介：周荣清，男，1978年出生，福建宁德人，硕士研究生，研究方向：水污染控制技术，通信地址：571737 海南省儋州市宝岛新村，海南大学环境与植物保护学院，Tel：[phone]，E-mail:。通讯作者：唐文浩，男，1956年出生，四川南充人，教授，水污染控制工程，Tel：[phone]，E-mail:T。收稿日期：2009-12-09，修回日期：2009-12-18。MBR工艺处理石榴浓缩汁生产废水的应用研究周荣清，季玉祥，唐文浩(海南大学环境与植物保护学院，海南儋州 571737)摘 要：采用规格为3 m3/d的一体式中空纤维膜生物反应器（MBR）对某果汁厂石榴浓缩汁生产废水进行了净化处理应用研究。实验结果表明：当进水CODCr为7561097 mg/L时，出水CODCr为3495 mg/L，CODCr去除率为89.5%97.0%。膜的截留作用占总去除率的10%20%。该装置连续运行了60天，出水均稳定达到排放标准。采用膜生物反应器工艺处理果汁废水技术可行、操作简单、易于管理，可节省50%左右的添加营养物质氮磷的成本，为工业规模应用提供了技术参考。关键词：膜生物反应器；果汁废水；应用研究中图分类号：S3文献标志码：A论文编号：2009-2596Applied Research on the Treatment of Wastewater from the ConcentratedPomegranate Juice Production by MBR ProcessZhou Rongqing,Ji Yuxiang,Tang Wenhao(College of Environment and Plant Protection,Hainan University,Danzhou Hainan 571737)Abstract:We used a submerged hollow fiber membrane bioreactor with specification of 3 m3/d for thetreatment of wastewater from the concentrated pomegranate juice production from a juice factory.The results ofthe experiment showed that when the inlet CODCrlevel was 756-1097 mg/L,in the effluent of the reactor itdropped down to 34-95 mg/L.Removal ratios of about 89.5%-97.0%had been obtained for CODCr.About10%-20%of CODCrwas caught by membrane.The MBR was continuously operated for 60 days to treat juicewastewater,which was in stable condition,and met the discharge standard.It proved that the process isfeasible,which is simple to operation,and easy to management.What is more,it could reduce about 50%of thecost of adding nutrients nitrogen and phosphorus,it could be reference for the juice of industrial scale MBRprocess for treatment of the juice wastewater.Key words:MBR;juice wastewater;applied research中国农学通报2010,26(10):328-332ChineseAgricultural Science Bulletin可编程控制（PLC）实现了全自动化控制，应用前景广阔。目前国内对石榴榨汁废水处理技术研究几乎空白，石榴浓缩汁生产加工企业的生产废水未经处理就直接排放7，成为重要的环境污染源和限制企业进一步发展的瓶颈。此研究采用一体式中空纤维膜生物反应器与传统的活性污泥法相结合处理石榴浓缩汁生产废水，以期为果汁企业改造原有废水处理设施提供一条新的思路。1 材料与方法1.1 实验装置实验装置流程如图1所示。整个装置由生物反应池和膜组件组成。生物反应池为完成混合式好氧活性污泥曝气池，其长、宽、高分别为1.0、0.8、1.2 m，有效容器0.8 m3。生物反应池内置聚丙烯(PP/X50抗污型改性进口PP)浸入式中空纤维膜组件五块，其有效面积为58.39 m2，每根纤维的有效长度为750 mm，膜孔径为0.10.2 m，纤维内径为320350 m，壁厚为4050m。膜组件下方设穿孔管曝气，曝气量控制在4.27.5 m3/h。中空纤维膜间歇运行，抽吸频率为开8 min，停2 min。真空压力表用于监测在运行过程中膜过滤压力的变化，液位计用于控制活性污泥反应器的液面，流量计用于测定膜出水的流量。整个系统由PLC实现了全自动化控制。PLC自控系统进水筛网液位计膜组件曝气管流量计压力计出水出水泵鼓风机图1 实验装置工艺流程图1.2 试验用水试验用水取于某浓缩石榴汁厂废水处理站水解酸化池里的废水。试验用的果汁废水水质见表1。污泥浓度（MLSS）和以上项目的测试均采用国家标准方法进行监测8。1.3 工艺流程废水先经絮凝沉降去除大部分的固体悬浮物（SS），同时调整pH适应后续的生化处理，再流入水解酸化池把难生化处理的有机质水解酸化成易生化处理的物质，最后由泵提升经细筛网过滤后进入MBR。1.4 运行过程该研究MBR运行分为四个阶段。在第110天期间为污泥驯化期，未驯化的污泥取自该果汁废水处理站的水解酸化池中，污泥经过筛后，装入生物反应池，以间歇方式运行使得微生物得以富集，在MLSS达到3 g/L时认为系统启动期结束，进入稳定运行期。稳定运行期为60天。在第1130天期间（A阶段）不添加氮磷营养源；在第3150天期间（B阶段）添加氮磷营养源，氮磷添加量按照以弥补果汁废水中氮磷元素不足的量为准，按m(CODCr)m(N)m(P)=200519添CODCr/(mg/L)7001100NH3-N/(mg/L)3.505.00TP/(mg/L)0.501.00SS/(mg/L)100300pH6.08.0Chrominance150表1 果汁废水水质周荣清等：MBR工艺处理石榴浓缩汁生产废水的应用研究 329中国农学通报http:/加；在第5170天期（C阶段）间添加氮磷营养源，添加量按照正常添加量一半为准，按m(CODCr)m(N)m(P)=40051添加。在运行过程中，定期从MBR的进水、混合溶液及出水各取出1 L，分析其中的CODCr、MLSS、NH3-N及TP的浓度变化。在连续进水条件下，考察在不同的条件下，MBR对主要目标污染物的去除效果以及正常处理果汁废水所需添加缺乏营养源氮磷的量。2 结果与分析2.1 MBR中污泥浓度的变化图2给出MBR运行过程中反应器中MLSS随时间的变化。从图2可以看出，在未添加氮磷营养源的阶段，MBR中的MLSS始终在3 g/L上下波动，并有一定的下降趋势，这是由于废水中缺乏氮磷营养源抑制了活性污泥的增长；按照 B 阶段配比添加氮磷营养源，MBR 中的 MLSS 迅速提高到 8 g/L，然后在 810 g/L上下波动；再按照C阶段配比添加氮磷营养源，MBR中的 MLSS 还在 810 g/L 上下波动，但没有下降趋势。三个阶段对比可以看出：果汁废水虽然是高浓度的有机废水，但是营养源氮磷的缺乏，活性污泥生长会受到一定的限制；按照完全混合活性污泥法的微生物生长所需要的碳氮磷比例添加缺乏的氮磷，MBR中的MLSS就会迅速提高到工艺设计的理想水平；之后即使是按照完全混合活性污泥法的微生物生长所需要的氮磷正常量的一半添加，MBR中的MLSS也没有降低，即MBR中的微生物生长不会受到限制。这主要是由于膜对于废水水质的高活性微生物的截留和富集作用，以及MBR长时间不排污泥，使得MBR中的氮磷损失速度比常规活性污泥法慢的多。这就为处理果汁废水节省了50%添加所缺乏氮磷营养源的费用。024681 011 12 13 14 15 16 1T i m e/de ML S S)/e g/L)e ML S S)/e g/L)图2 MLSS随时间的变化2.2 MBR对CODCr的去除效果MBR进水CODCr、MBR出水CODCr随时间的变化曲线如图3示。由图3可以看出，稳定运行期，进水CODCr为7561097 mg/L 时，出 水 CODCr为 3495 mg/L，MBR 对CODCr平均去除率在89.5%以上，出水的CODCr都达到污水综合排放标准(GB8978-1996)中的一级标准。这种效果的可能原因：絮凝沉降与水解酸化起了预02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 011 12 13 14 15 1T i m e/de C O i)/e m g/L)8 0.08 5.09 0.09 5.01 0 0.0 i n l e t w a t e r o f MB Rp r o d u c w a t e r o f MB R C O i o f r e m o v a l r a t i o 图3 CODCr处理情况Removal efficacy of COD/%330处理的作用，絮凝沉降去除了大部分的SS，水解酸化提高了废水的可生化，为后续MBR创造了有利条件。MBR中的固液分离功能使反应器内可保持较高的活性污泥的浓度，从而提高了MBR的处理能力。膜组件表面所形成的凝胶层能够截留水中可溶性大分子有机物，使其在活性污泥系统中有足够的停留时间，利于提高难降解大分子有机物的处理效率和促使其彻底的分解。膜组件的高效截留作用避免了活性污泥的流失，富集了大量难降解有机物分解菌，使活性污泥和有机物的作用时间大于MBR水力停留时间，从而提高了有机质的去除率。从而MBR提高了对CODCr去除率。2.3 MBR添加氮磷的量及对NH3-N、TP的去除效果试验稳定运行期间MBR进水、上清液及出水的NH3-N、TP 的浓度变化如图 4、图 5 所示：进水的NH3-N、TP 分别为 3.0520.8、0.794.98 mg/L；在出水的NH3-N、TP分别为0.302.81、0.040.19 mg/L；并且都优于 污水综合排放标准(GB 8978-1996)一级标准；去除率分别为0.30%2.81%、88.8%98.3%。在未添加氮磷营养源：MBR上清液和MBR出水的氨氮浓度差不多，并且都在0.5 mg/L以下，MBR上清液与MBR出水TP的浓度几乎是零；即只能够维持MBR活性污泥减速增值期甚至内源呼吸期所需要的氮磷元素水平，这就是A段性MLSS始终没有提高反而有所下降的原因。按照B阶段添加氮磷营养源：MBR上清液的NH3-N值与MBR出水的NH3-N值比较接近，并且比进水NH3-N值小的多，即都在3 mg/L以下，这是说明氨氮的去除主要来自生化反应。由于 MBR 的MLSS很高及MBR可在HRT很短而SRT很长的工况下运行，由于系统的SRT长，对世代时间较长的硝化菌的生长繁殖有利，膜的截留使世代周期长的硝化菌得以富集，并且溶解氧充足，有利于硝化菌的生长，所以该系统有良好的硝化功能。由于氮素以氨氮的形式添加，极易被MBR的活性污泥吸收。同时又表明膜对NH3-N的去除基本没有影响，因NH3-N在水中是以水合氨离子形式存在，属无机小分子，可自由通过膜的微孔。MBR上清液与MBR出水TP的浓度很接近并且都在0.20 mg/L以下。添加的磷营养源只够活性污泥中的聚磷菌摄取废水中的磷元素合成ATP，再由于膜的高效截留作用，磷元素几乎都贮存在反应器的污泥中。按照C阶段添加氮磷营养源：与按照B阶段添加氮磷营养源的来处理果汁废水的效果基本一样，051 01 52 02 511 12 13 14 15 1T i m e/de N H3-N)/e m g/L)i n l e t w a t e r o f MB Rp r o d u c w a t e r o f MB R s u p e r n a t a n t l i q u o r o f MB R图4 NH3-N处理情况图5 TP处理情况012345611 12 13 14 15 1T i m e/de T P)/e m g/L)i n l e t w a t e r o f MB Rp r o d u c w a t e r o f MB R s u p e r n a t a n t l i q u o r o f MB R周荣清等：MBR工艺处理石榴浓缩汁生产废水的应用研究 331中国农学通报http:/MBR上清液及出水的NH3-N、TP的浓度比B阶段都小。这是由于膜组件的高效截留作用避免了微生物的流失，MBR里的活性污泥高效率地充分地利用所添加的氮磷营养源。表明MBR能利用自身的截留和富集作用，于是MBR的可以保持高污泥浓度，延长污泥龄，使得系统可以在低有机负荷率下运行，低负荷还减少了污泥产量，通常只有传统方法的一半左右，在极限情况下甚至达到零排放，此时所有的进水营养都被用来维持细胞生命而不是增殖10，在不排泥的情况下，使得失去活性污泥又成为MBR中的活性污泥的营养源。失去活性污泥中氮磷营养源可以反复的被活性污泥应用；同时，MBR工艺运行情况下反应器里面比较难形成厌氧区，所以MBR工艺反硝化作用比较弱；可以弥补了果汁废水中缺乏营养元素氮磷的不足。从而节省50%左右的添加营养物质氮磷的成本。2.4 MBR对浊度与悬浮固体(SS)的去除效果由于膜的高效截留作用，出水清澈无色无味，感官形状良好，几乎监测不出SS。由于膜的分离作用主要源于膜截留了大量的大分子颗粒及胶状物质，而混合液中水或低分子物质能够顺利地通过微孔，达到物质分离、浓缩、净化的目的。良好的浊度去除效果表明膜分离在此工艺中发挥着重要作用，同时也说明实验所用膜的截留率比较高、性能优良。2.5 MBR工艺处理石榴果汁废水的效果3 结论(1)运用MBR处理石榴浓缩汁生产废水，水力停留时间在6 h时CODCr去除率基本可以稳定在89.5%以上。在较高容积负荷下，出水品质仍能达到一级排放标准。(2)由于膜的截留和富集作用，只要添加普通活性污泥处理果汁废水所需缺乏的营养元素氮磷一半就能使MBR正常运行，从而节省50%左右的添加营养物质氮磷的成本。(3)膜的高效截留作用，出水无色无味，感官形状良好，比较清澈，几乎监测不出SS。(4)MBR出水水质稳定，膜的截留作用对稳定水质起到了关键作用。综上所述，一体式中空纤维膜生物反应器运用于处理果汁废水在技术上是可行的。在运行过程中，充分体现了MBR处理效率高、出水水质好、设备紧凑、占地面积小、易实现自动控制、运行管理简单，克服了传统活性污泥法容积负荷低、剩余污泥多等缺点。参考文献1王立军,于德利,庞维珍,等.浓缩苹果汁高浓度有机废水处理工程的改造J.中国给水排水,2006,22(24):35-37.2Brindle K,Stephenson T.Application of Membrane BiologicalReactors for the Treatment of WastewatersJ.Biotech Bioeng,1996,49:601-610.3Kimura S.Japans Aqua Renaissance 90 ProjectJ.Wat Sci Tech,1991,23(7-9):1 573-1582.4ChiemchaisriC,YamamotoK,VigneswaranS.HouseholdMembrane Bioreactor in Domestic Wastewater TreatmentJ.WatSci Tech,1993,27(1):171-178.5VanDijkL,RonckenGCG.MembraneBioreactorsforWastewater Treatment:The State of the Art and New DevelopmentsJ.Wat Sci Tech,1997,35(10):35-41.6Yamamoto K.,Hiasa H.,Talat M.,et al.Direct Solid-liquidSeparation Using Hollow Fiber Membranes in an Activated SludgeAeration TankJ.Water Science and Technology,1989,21(4-5):43-54.7李继武,唐文浩.化学法对石榴浓缩汁生产废水预处理研究J.安徽农业科学,2009,37(12):5647-5648,5717.8国家环保局水和废水监测分析方法委员会.水和废水监测分析方法M.4版.北京:中国环境科学出版社,2002:90,105,179,211,243.9潘安济.苹果汁加工高浓度有机废水的处理J.工业用水与废水,2004,35(2):48-50.10Mulle.E.B.,Stoutharmber.A.H.,Eikebloom.D.H.Aeorbic domesticwastewater treatment in a pilot plant with complete sludge retentionby crossflow filtrallonJ.Water Reseacrh,1995,29:1179-1189.表2 MBR工艺处理石榴果汁废水结果分析项目进水/(mg/L)出水/(mg/L)去除率/(%)国家标准/(mg/L)CODCr7561097309589.597.060SS100300299.020NH3-N3.0520.80.302.8174.298.415TP0.794.980.040.1988.898.30.5 332