膜生物反应器处理造纸废水研究

王 磊

(中国电力建设股份有限公司，北京 100048)

0 引言

近年来，造纸工业飞速发展，其排放的废水占全国排放的9.89%。造纸废水若处置不当，其排放对于全国废水总排放BOD的贡献值超过25%［1］。将生物反应器与膜分离相结合而形成的膜生物反应器被认为是废水处理与回用的新型技术，并得到广泛研究和应用。膜生物反应器技术有较强的悬浮物去除能力，可以提高污泥的浓度，达到强化处理的效果以及较为宽泛的处理浓度范围［2-6］。与传统污水处理厂相比，生物反应器在体积、处理效果、自动化方面均有优势，但是需要承担较高的处理费用、膜污染等问题［7-9］。

1 材料和方法

1.1 中试MBR系统

中试外置式MBR反应器示意图如图1所示。系统由生物反应池和外置膜池组成，有效容积为500 L。废水由集水池经进水泵提升至生物反应池，安装减压阀和气体流量计调节曝气量。生物反应池中设置两个水位传感器控制池内水位，在线探头分别检测水温、溶解氧浓度和pH。混合液由离心泵输送到膜池内进行泥水分离。膜池内装有三个压力传感器分别测定进口、出口和过滤压力。

膜组件技术参数表见表1。

1.2 试验材料

试验接种污泥为某污水处理厂剩余污泥。该污泥沉降性能良好，反应器初始接种MLSS=4 830 mg/L，SVI=89 mL/g。系统采取不排泥，通过进水对接种污泥进行驯化和培养，污泥浓度逐渐增长。污泥浓度达到10 000 mg/L开始对系统排泥，使污泥龄保持在30 d左右，稳定运行后污泥浓度在15 000 mg/L左右。生物池溶解氧浓度维持在2 mg/L～3 mg/L。运行压力介于0.5 bar～1.5 bar。反应器进水为实际造纸废水，混合造纸废水水样取自集水池出水，水质指标见表2。

COD，MLSS，色度等指标均采用标准方法测定。

图1 中试膜生物反应器装置

表1 膜组件技术参数

表2 进水水质特征

2 结果与讨论

2.1 COD生物降解效果

试验期间系统进水与出水COD浓度变化如图2所示。由于系统进水取自造纸厂废水集水池实际废水，进水COD在2 487 mg/L～5 905 mg/L内波动，变化较大。但系统仍表现出良好的COD去除能力。稳定运行阶段，进水COD浓度为3 900 mg/L左右，出水COD为250 mg/L左右，COD平均去除率为93.7%。系统对COD去除效果稳定，表现出较强抗冲击负荷能力。

Dufresn·R等发现:对于COD和悬浮固体的去除而言，MBR方法更占优势，去除率可以分别达到99%和90.0%［10］。韩怀芬等［11］发现要提高污泥浓度使得COD降低至100 mg/L以下，水利停留时间18 h比较合适。然而水利停留时间为40 h的活性污泥法，其COD仍然无法降至100 mg/L以下。

图2 膜生物反应器对COD的去除效果

2.2 色度去除效果

试验期间系统对色度的去除效果如图3所示。测定色度的波长设定为436 nm。试验期间进水色度变化较大，在10 m－1～80 m－1范围内波动。出水色度在试验初期波动较大，到试验后期，能稳定维持在10 m－1以下。色度平均去除率为79.2%。

研究表明单独MBR工艺对造纸废水色度去除效果有限。需要后续处理工艺或者组合工艺进一步降低出水的色度。Roozi等人采用纳滤技术能有效地将造纸废水色度降低到1 m－1以下［12］，而在一份与光催化相结合的膜生物反应器处理研究中，研究者发现该方法对于浊度、色度、COD均有较高的去除率［13］。

图3 膜生物反应器对色度的去除效果

2.3 污泥浓度变化

试验期间系统内污泥浓度变化如图4所示。启动运行初期，采用不排泥，通过进水对接种污泥进行驯化和培养，污泥浓度逐渐增长。经过100 d左右的运行，MLSS由接种时的4 850 mg/L逐步增加至10 000 mg/L左右。考虑到高污泥浓度和长污泥龄会加快膜污染速度，降低膜寿命，此后将系统SRT控制为30 d，远长于传统活性污泥工艺。由于采用膜组件进行混合液泥水分离，试验期间系统内污泥浓度呈缓慢增加的趋势。到达稳定阶段后，MLSS维持在15 000 mg/L左右。第75天和第200天，系统发生运行事故，造成系统内污泥浓度的降低。

图4 运行期间污泥浓度变化

2.4 膜通量和跨膜压差变化

进水水质、膜材料、膜组件形式和操作条件等因素都能影响膜组件渗透通量。对于特定的膜组件，膜通量的变化主要取决于进水组分在膜内部和膜表面积累造成的膜污染。试验期间膜通量和跨膜压差的变化如图5所示。接种污泥开始运行后到实验的第150天，膜组件跨膜压差增长缓慢，与此同时膜通量缓慢下降。150 d以后，跨膜压差迅速增加，膜通量急剧下降。

图5 运行期间膜通量与跨膜压差变化

随着膜生物反应器的运行，膜污染问题开始逐步显现出来。若不进行有效的清洗，将降低膜处理效率，增加电费成本。比较常见的处理方式除膜更换之外还有利用化学、物理方法等清洗［14，15］。本实验中，启动运行后到第150天，膜通量下降缓慢，此后跨膜压差有一个明显的上升，伴随膜通量的显著下降。继续运行到第240天，跨膜压差急剧升高，此时膜通量已降低到最低并趋于不变。表明此时膜污染已非常严重，需要进行清洗以恢复过滤能力。而从保持系统较高产水量的角度，在第150天左右就需对膜组件进行清洗，以避免膜通量的显著下降，同时减少膜污染对膜的使用寿命的影响。

3 结语

1)膜生物反应器能高效处理造纸废水，稳定运行阶段，进水COD浓度为3 900 mg/L左右，出水COD为250 mg/L左右，COD平均去除率为93.7%;出水色度在试验初期波动较大，到试验后期，能稳定维持在10 m－1以下，色度平均去除率为79.2%。

2)系统稳定后，MLSS维持在15 000 mg/L。较长的污泥停留时间和高污泥浓度使系统有机负荷低，污泥产量少。同时试验期间跨膜压差增长缓慢，综合考虑膜组件清洗周期为150 d。

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