平板膜生物反应器应用于化工园综合废水处理的可行性和经济性.pdf

1 3 02 化 工 进 展 C H E MI C A L I NDU S T R Y A ND E NG I NE E R I NG P RO G R E S S 2 0 0 8年第 2 7卷第 8期 平板膜生物反应器应用于化工园综合废水处理的 可行性和经济性 方焘育 ，梅凯 ， ( 南京 E 业大学环境学院 ，江苏 南京 2 1 0 0 0 9 ： 文 井 ，姚 昆 南京龙源环保有 限公司 ，江苏 南京 2 1 0 0 1 2 ) 摘要：通过平板膜生物反应器处理某化工园区的综合废水，取得了良好的效果：C OD去除率达到 9 5 以上， 氨氮去除率达到 9 9 以上，反应器内ML S S稳定在 8 2 0 0 mg L左右，出水 s s几乎为0 ，出水达到中水回用标准 ( GB T 1 8 9 2 0 -2 0 0 2 o试验结果表明，平板膜生物反应器具有3 - 艺简单、占地少、效率高、出水水质好等优点， 通过经济性分析，其单位处理成本仅略高于现有 C AS S工艺，且出水可以实现回用，是实现化工园区废水资源化 和节能减排的一个良好途径。 关键词 ：膜生物反应 器；平板膜：化工 园废 水 中图分类号：X 1 7 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 06 6 1 3( 2 0 0 8 )0 81 3 0 2 0 5 Re s e a r c h o n f e a s i bi l i t y a nd e c o no m i c s o f wa s t e wa t e r t r e a t m e nt by fla t M BR s y s t e m F ANG T a o y u ， M EI Kai ， WEN Ji n g ， Y AO Kun ( C o l l e g e o f E n v i r o n me n t ， N a n j i n gU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Na n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， J i a n g s u ， C h i n a ： Na n j i n g L o n g Y u a n E n v i r o n me n t P r o t e c t i o n C o mp a n y L t d 、 ，Na n j i n g 2 1 0 0 1 2 ，J i a n g s u ，C h i n a ) Abs t r a c t ： An e x pe rime n t o f t h e c h e mi c a l i nd us t ria l p a r k wa s t e wa t e r t r e a t me n t by fla t M BR s ys t e m g ot e xc e l l e n t t r e a t me n t e f f e c t The r e mov a l r a t e s o f COD a n d NH3 - N we r e o ve r 9 5 a nd 9 9 r e s pe c t i v e l y Th e M LS S i n t hi s M BR s ys t e m k e pt s t a b l e a t 8 2 0 0 m g L， t he SS o f t r e a t e d wa t e r wa s a l mos t 0， a l l t h e i n d e x e s r e a c h e d t h e C h i n e s e s t a n d ard o f r e c l a i me d w a t e r ( G B T 1 8 9 2 0 - - - 2 0 0 2 ) T h i s e x p e ri me n t r e s u l t s h owe d t ha t t h e fla t M BR s y s t e m ha d t h e a d v a n t a g e s o f s i mpl e p r o c e s s ， s ma l l l an d oc c u pa n c y， h i g h e f lf i c i e n c y， a nd g oo d tre a t me nt r e s u l t An e c on omi c a n a l y s i s s h owe d t h a t t h e u n i t tre a t me nt c os t o f fla t MB R wa s o n l y a l i t t l e h i g h e r t h a n C y c l i c A c t i v a t e d S l u d g e S y s t e m ( C AS S ) I t i s a g o o d w a y f o r t h e c h e mi c a l i n d u s t r i a l park t o t a k e wa s t e wa t e r i n t o r e c y c l e， s a v e r e s o u r c e an d r e du c e p ol l ut i on Ke y wor ds ： M BR： fla t me mb r an e； c h e mi c a l i n d us tri a l park wa s t e wa t e r 各地区的化工园集中了大量的化工企业 ，因而 集中产生了大量有毒高浓度 的化工废水，这些废水 排放量大，有毒有害污染物含量高，水质水量变化 很大。目前，最经济可行的办法是将 园区内各企业 产生的污水先 白行处理达到一个较低标准或者利于 后继处理的程度 ，然后集中到园区内综合污水处理 厂进行集中处理，达标后排放或者回用。膜生物反 应器 ( MB R)是将牛物处理工艺与膜分离技术相结 合 的 种 高效 污水 处理 工艺装 置 ，具有 工艺 简单 、 出水水质好、运行稳定、节省占地等优点儿 J 。而一 体式的平板膜生物反应器凭借其较大 的膜通量 、稳 定的物理化学性质和清洗简单方便的特性，在化工 废水的处理上 已显示出其独有的优势 。 本试验在江苏某化工园综合废水处理厂进行， 该厂 目前使用 C AS S处理工艺，处理效果 良好，但 一 方面化工园内企业增多以及生产规模扩大，废水 产生量 日益加大；另一方面同区内十地紧张 ，有限 的土地面积使得原有工艺难 以满足要求。针对 以上 情况，本文作者利用平板膜牛物反应器进行小试， 收稿 日期：2 0 0 80 2 2 2 ：修改稿 日期：2 0 0 8 0 31 8 。 第一作者 简 介：方 焘 育 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男，硕 士研究 生 。Ema i l f a n g t a o y u 1 6 3 c o m 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 堑! 育 等 ： 平 板 膜 生 物 反 应 器 应 用 于 化 工 园 综 合 废 水 处 理 的 可 行 性 和 经 济 性 为该厂寻找一个占地少且高效的处理方案。 I 试验用水、试验装置和试验方法 1 1 试验用水 试验用水取 自该化工园综合污水 处理厂均质 池 ，水源为园区内 2 0多家化工企业预处理后的出 水，经均质池调节后，水质如表 I 所示 。 表 1 某化工 园综合 污水处理厂均质池水质 项 目 数值 p H值 COD mgL NH3 - N mgL BODdmgL SS mg L一 7 58 5 9 0 0 1 2 0 0 7 0 1 0 0 3 8 0 5 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2试验 装置 试验所用的膜生物反应器为一体式 ，由曝气池 和膜组件两部分组成，曝气池 内投加活性污泥 ，平 板膜浸没在曝气池 内。试验装置流程如 图 1 所示 。 MB R 反应器有效容积为 5 O L，液位高度保证膜组 件 ( 包括支架 以及底部曝气管)完全浸没在水 中且 与水面保持 1 0 0 ra i n的距离。调节进水蠕动泵进水 量h 3 L h ，水力停留时间 ( H R T)为 1 6 h( 与厂又 = C AS S 工艺水力停 留时间相 同) 。试验期间每天从 MB R反应器中抽取约 1 L活性污泥混合液 ， 方面 进行上清液各项指标的检测，另一方面可作为系统 剩余污泥排放 ，固体停 留时间 ( S R T )为 5 0天 。 温度控制器时问控制器 图 1 试验装 置流程 图 膜组件为南京工业大学环境学院研发的 P V DF “ 7 c ”平板式膜组件，膜孔径为 0 1 m，通量为 2 4 0 L ( m2 d ) ，根据试验处理水量，选用 1 0 0 0 m mX 4 0 0 mi n的平板膜，有效面积 0 3 2 m 。 试验过程中， MB R膜置入浸没在MB R反应器 中的膜组件中，膜组件的出水管与水泵进 口相连 ， 通过泵抽吸形成负压，在膜 的两侧形成压差 ，使反 应器混合液 中的处理后的水通过 MB R 膜汇集到出 水管中被抽 出。 1 3试验 方法 利用温度控制器 ( 采用温度探头和加热棒 ) 来保 证反应器内的温度保持在( 2 0 1 )以内。进水采用 连续的方式。为减轻膜污染，膜出水泵采用间歇工作 方式L 2 ：通过 时间继电器控制水泵 的工作 ，每工作 1 2 n J n停止 3 m m，p H值在 7 5 O 5 。曝气的气源来 自空气泵 ， 通过固定在池底的微孔曝气条形成细小的 气泡进入污泥混合液中， 维持反应器内的溶解氧浓度 在 2 0 3 0 m g L ， 在为微生物供氧气的同时对混合液 进行混合搅拌，防止污泥的沉淀，同时在平板膜表面 形成紊流，冲刷膜的表面，减缓膜的污染物 3 。 反应器接种 的污泥取 自该污水处理厂 C AS S反 应 池 内的活性污泥 。当膜 内外 的工作压力差达 到 4 0 k P a时，系统停止运行，对膜进行清洗。 系统运行 6 3天，每天对进水、反应器混合液及 上清夜、膜 出水进行 CO D、氨氮、ML S S等项 目检 测 。试验分析方法采用 水和废水检测分析方法 第 3版标准 。 2 结果与讨论 2 1 MLS S与 ML V S S增长情况 在 6 3天的试验过程中， 系统运行稳定， 各项指 标也较稳 定 。污泥增长情况 见图 2 。反应器 内的 ML S S在 3 5天左右的时间内从 6 0 0 0 mg L左右增长 到 8 4 0 0mg L左右，此后基本保持稳定。 但 ML VS S 并没有与 ML S S保持同步的增长速度，仅保持小幅 度增长， ML VS S ML S S的比值在整个试验期间呈降 低趋势，说明该废水中的无机污染质、难于微生物 降解和不能降解的有机污染质 由于膜的截留，在反 应器 内产生积累作用所致 ，但此现象对系统运行和 出水效果并没有明显影响。 鑫 时间 天 图 2 反应器 内污泥浓度变化 。 料 1 蝴 麝 一 同T， 】l矬 lll 一 一 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 0 4 化 工 进 展 2 0 0 8年第 2 7卷 2 2 C OD 的去除 进水 C O D的波动较大 ， 最大到达到 1 2 2 2 mg L， 最低 7 6 9 mg L，平均值在 9 0 0 mg L，但 出水 C OD 稳定在 3 5 5 0 mg L，去除率超过 9 5 。C OD浓 度在运行过程中的变化见 图 3 ，各部分去除效率见 图 4 。从 图 3和图 4中可 以看 出，C O D 的降解主 要还是依靠反应器 内的活性污泥 的生化反应作用， 去除率保持在 9 0 左右I 4 J 。 平板膜 的作用主要是截 留了活性污泥 中的微生物絮体和大分子有机物 。 首 先 ，使得反应器 内污泥浓度 在短时问 内有较大提 高，使 单位体积内的微生物的量增加 ：其次，难降 解 的大分子有机物有 了足够的停留反应 时问而得 以降解，从而使得处理效果有稳步提高； 再就是平 板膜 的拦截、超滤作用 ，使出水 的 C OD得到进一 步的降低， 达到 了普通活性污泥中微生物降解较难 达到的处理程度p J 。 3比较了活性污泥和平板膜对 C OD的去除效 果的情况。图 4反映了活性污泥和平板膜对 C O D的 去除率的情况。由图 3和 图 4可 以看出，反应器 内 活性污泥抗有机物的冲击负荷能力较强，在进水 吕 蠖 0 0 U 褂 0 0 U if, J 问 天 3 C OD浓度变化 时 间 天 图 4 C O D去除率变化 ( “ 活性污泥去除率”为反应器上消液 C OD与进水 C O D的比值； “ 膜去 除率”为膜 水 C O D 与反应器上清液 C O D的比值；“ 总去除率”为膜 水 C OD 与进水 C OD的比值) C O D 波动较大的情况下反应器 内活性污泥对 C O D 的去除率基本保持稳定。在开始的 1 8天，由于污泥 处于快速成长期 ，所以C OD的去除率有明显提高； 1 8天以后保持稳定。膜的去除率则不是非常规则， 前 1 8天稳步提高是由于使用的新膜表面逐渐形成凝 胶层的动态膜 ，对菌胶团和大分子有机物有很好的 截留作用 J ，所以 C O D的去除率稳步提高。由于膜 表面泥层不断聚积加厚，在气泡和水流的冲击下泥 层会脱落，引起膜的截留效果变化 J ，所以 1 8天后 膜对 C O D去除率一直呈小幅度波动状态。 试验结果表明，平板膜生物反应器对化工综合 废水 C OD 不仅有很好的去除率，而且有很强的耐 有机负荷冲击特性 。由图 5可以看出，同时期该厂 C AS S工艺 处理 后 的出水 C O D 在 9 0 1 0 0 mg L ， 平板膜生物反应器与之相比，在去除 C O D 的效果 和效率方面优势 明显。 吕 蠖 0 0 U 时 间 天 图 5 MB R与 C A S S处理效果对 比 2 3 氨氮 的去除 进水氨氮比较稳定，基本保持住 8 0 mg L左右。 同时期该厂 C AS S工艺处理后出水氨氮浓度在 1 0 1 5 mg L， MBR平板膜生物反应器出水氨氮较稳定， 有较 好的处理效果，基本保持在 1 0 mg L以下。进出水的 氨氮值如图 6所示。从图 6中可以看出，MB R平板膜 9 0 O O 8 0 O O 7 O O O 6 0 O O 亩5 0 0 0 4 o 0 0 晦 3 O O O 2 0 0 0 1 0 O O O O O 1 1 O 2 O 3 O 4 0 5 O 6 O 时间 灭 图 6 进 出水氨氮浓度变化 o o 1 o o 三 量 蜒 O O 稚 o o 酶 O O O 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 8期 方焘育等：平板膜生物反应器应用于化工园综合废水处理的可行性和经济性 生物反应器对于氨氮浓度 8 0 mg L左右的废水具有 很好的降解作用l 8 。 运行期 问反应器 内没有出现亚硝 酸盐大量累积的现象，说明反应器在短时问内启动， 获得了很高的硝化活性 ，取得 了很好的硝化效果。 由于氨氮的降低主要靠好氧 的硝化和厌氧的反硝化 作用l 9 ， 而反应器完全是好氧环境，如果能充分发挥 反硝化作用 ，对于氨氮的降解能力还有很大 的提升 空间。 2 4 膜污染情况 MB R膜 的孔径在 0 1 g m左右，对废水 中的 S S 具有很好的拦截 、过滤效果l 1 刚 ，出水 中几乎检测不 到 S S ， 但 同时也带来 了膜 的污染和清洗问题。在系 统 运 行过 程 中平 板膜 清 洗 过 两 次 ：第 一 次 在 第 3 1 天，使用水力清洗；第二次在第 5 8天，使用化学清 洗 。过膜 阻力以及清洗效果如图 7所示。从图 7中 可 以看出， MB R平板膜针对该废水 的清洗周期约为 3 0天，化学清洗 的效果要好于水力清洗的效果。由 于平板膜的结构简单 ，体积小，安装拆卸方便 ，清 洗也很方便 ，适合工业上大量集 中清洗。 室 时间， 天 图 7 过膜 阻力 变化 3 经济性分析 以该化工园综合污水处理厂改造后 的 2 0 0 0 0 的MB R系统为例( 原 C AS S系统处理能力 1 00 0 0 t d ) ，对工程总投资和运行成本进行计算，并与原 有工艺进行对 比。其中： 工程总投资= 设备投资费用+ 土地使用费用 运行成本=日常运转费用+ 设备折旧费用 3 1 工程总投资 3 1 1 设备投资 膜 组 件 为 南 京 工 业 大 学 环 境 学 院研 发 的 P VDF“ 兀 ”平板式膜组件，价格为 4 5 0元 m ( 含 支架 费用 ) ， 通量 2 4 0 L ( m d ) ， 根据扩建后 2 0 0 0 0 d的处理量 ， 需 8 4 1 0 m 的膜， 投资 3 8 0万元。 设备 费用包括运输 、安装 、调试、配套设施等，经 计算需 2 8 0万元 ，改造工程设备总投资 4 5 0万元 。 如采用原来的 C AS S工艺 ，改造 工程设备总投资 9 0 0万 元 。 3 1 2 土地费用 由于采用一体式 MB R工艺，处理效率几乎为 原有 C AS S工艺的 2倍 ，只需将原有水池进行简单 改造 ，无需再增加土地面积 。如采用原有 C AS S工 艺，需增加约 同等面积约 2 6 0 0 m ，按该化工园区 目前的土地使用费 1 5 0 0元 m ，土地 费用约为 3 9 0 万元 。 3 2 运行费用 MB R系统的总运行成本包括 电费、 人工费、 维 护费和膜 以及其它设备的折 旧费，各项费用如表 2 所示。 表 2 MB R 的 日常运 行费用 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 3 0 6 化 工 进 展 2 0 0 8年第 2 7卷 由表 2可知，该系统改造后的单位运行成本约 为 0 7 3 3元 m ，而 目前该污水处理厂 ( 1 0 0 0 0 t d ) 的单位处理成本为 0 5 6 2元 m 。由于 MB R系统 出 水水质达到中水回用标准 ( GB T 1 8 9 2 0 -2 0 0 2 ) ， 故可以为园区内相当一部分企业提供廉价的中水 。 目前园 企业实际中水需求量约为 8 0 0 0 t d ，水价 按 1 8 0 元 吨计算， 每天可以为污水处理厂盈利 8 5 2 8 元，为企业节省水费 8 0 0 0元 天 ( 自来水价按 2 8 0 元 吨计) ，经济效益显著。 此外 ，该系统 的改造成功 ，每年将 比改造前 减少 C OD排放 4 0 ，氨氮约 3 8 。同时中水 的 用也节省 了大量宝贵的水 资源 ，社会效益也十分 显著 。 4 结 论 MB R平板膜生物反应器对于去除 C OD、氨氮 以及 S S等具有 良好的效果，相对 ：J ： 该综合污水处 理厂现在所采用的 C AS S工艺，平板膜乍物反应器 在出水水质 、处理效率、抗冲击负荷、占地面积等 方面 具有很 大优 势 ，同时平 板膜 自身 的简 单结构 和 安装拆卸方便的特性，使得其清洗较方便，适合 _丁 、 L 大规模的应用。但由于 目前平板膜制造技术的 限制，其成本较高，建造 座较大规模的平板膜处 理系统投资很大，运行成本较 C AS S等传统工艺也 高 ， 目前 仅适 合对 出水 水质 、 占地 面积 等方面 要求 严格的中小规模废水处理厂使用。相信随着膜技术 的不断发展，成本不断降低，膜生物反应器在化工 园综合废水处理方面将成为主流工艺 。 参考文献 1 Kn o b l o c kM D，S u t t o nPM ，Mi s h r aPN，e t a 1 Me mb r a n e b i o l o g i c a l r e a t o r s y s t e m f o r t r e a t me n t o f o i l y wa s t e wa t e r J 1 W a t En v Re s ， 1 9 9 4 ，6 6 ( 2 ) ： 1 3 3 1 3 9 2 We n X H， Di n g H J ， Hu a n g X， e t a 1 T r e a t me n t o f h o s p i t a l wa s t e wa t e r u s i n g a s u b me r g e d me mb r a n e b i o r e a c t o r J P r o Bi o ，2 0 0 4 ( 3 9 ) ： 1 4 2 7 1 4 3 1 3 Be h ma n n H，Hu s a i n H，Bu i s s o n H，e t a 1 Su b me r g e d me mb r ane b i o r e a c t o r ：W O，0 0 3 7 3 6 9 P 2 0 0 0 4 李红岩，高孟春，杨敏，等组合式膜生物反应器处理高浓度氨 氮废水 J 1 环境科学，2 0 0 2 ，2 3 ( 5 ) ：6 2 6 6 5 Ro n a l d V an t Oe v e r MB R F o c u s ：I s s u b me r g e d b e s t ? J F LS e p ， 2 0 0 5，4 2 (5 ) ：2 4 2 7 6 陈英文，范俊，夏明艿，等一体式膜一 活 污泥工艺处理高浓度 农药废水【 J 1 南京工业大学学报，2 0 0 3 ，2 5 ( 2 ) ：2 3 2 6 7 张颖，任南琪 ，吴忆宁，等 一 体式 MB R膜 自身对有机污染物去 除的强化作用 J 1 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 4 ，3 6 ( 2 ) ：1 4 7 1 5 0 8 刘亚为 浸没式膜生物反应器处理高浓度氨氮废水的试验研3 Z D 长沙 ：湖 南大 学 ，2 0 0 5 I 9 】 J e f f e r s o n B，La i n e AT，J u d d S J ，e t a 1 Me mb r a n e b i o r e a c t o r s and t h e i r r o l ei nwa s t e wa t e r r e u s e J Wa r S c i 幽 ， 2 0 0 0 ， 41 f 1 ) ： 1 9 7 2 0 4 1 0 张颖，任 南珙 ，吴忆 ，等一体式膜生物反应器膜污染现象及 清洗实验研究l J 】化学工程，2 0 0 4 ，3 2 ( 2 ) ：5 7 6 0 盘； 、 ， 、 彩 、 、 、 、 、 、 彩 、 、 ， 、 ， 、 芗、 、 、 ( 上接第 1 2 9 2页 ) 以 “ 环节”模 为研究思路 ，提出了一 系列能量 系统改进措施 。通过热力学分析，本研究提出改进 措施预计可使该企业的净能耗减少 1 8 5 9 ， 热量回 收率提高了 2 0 3 4 ，炯 回收率提高 了 1 0 3 7 。能 量系统改造投 资 2 3 4 8万元，年效益 1 1 8 7 9万元 ， 简单投资回收期仅为 2年。因此 ，本研究提 出的能 量改进方案是可行的。通过研究证明， “ 三环节”分 析 仅可 以应用到石油等荸工业 中，而且还可 以用 于味精厂中，对其进行节能优化 ，为以后的高速发 展提供了广阔的发展前景，并且这可 以延续到食品 行业中的耗能企业中得以推广 。 由于所研究的味精企业有些工段 的设备、仪表 老化以及原料 的不稳定 ( 包括煤品的质量、味精原 料的波动等) ， 使得各环节，尤其是转换环节的能鼍 转换效率仍然偏低 。因此，为了全面提高该企业的 用能效率 ，需要进一步采集现场数据，并在条件允 许的情7 兄下，有计划、分步骤地更换仍在使用的超 过设计寿命的老设备、仪表 ( 如 目前使用的旧锅炉 和发电机组) ， 研究采用先进的节能型T艺流程， 如 可对制糖系统的通汽方式和精制十燥部的结构进行 改造等措施，以提高整个环节的_E j 能效率，从而提 高企业 的经济效益 4 - 6 1 。 参考文献 1 解新安，林静仪，刘华敏等 过程能量综合技术存味精生产爪、 能 量优化中的应用( I ) 味精企业 “ j环 ”能量结构模型的建立 与用能分析评价 J l l 化工进展，2 0 0 8 ，2 7( 7 ) ：1 1 1 9 1 1 2 4 【 2 】 王宏龄 ，富春江 国内外主要发酵类氨基酸产品发展现状【 J 1 精细 与专 用 化学 品 ，2 0 0 7( 1 2 )： 1 - 5 3 】 王宏龄，富春江 中国氨基酸工业现状及发展趋势川饲料广角， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 1 2 1 5 4 徐昌洪味精闭环生产新工艺 J 1 _精细 与专用化学品，2 0 0 7( 1 0 )： 1 3 3 1 5 张恒忠 ， 蔡云苓， 杨秀霞， 等 发酵车间 能降耗的几点做法 J 1 发 酵科技通讯，2 0 0 7( 6 )：2 1 6 汪浪浪节能降耗三点设想 J 1 _发酵科技通讯，2 0 0 2( 7 )：1 5 1 6 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m