膜生物反应器处理腈纶污水的应用研究

蒋建军

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海200540)

膜生物反应器处理腈纶污水的应用研究

蒋建军

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海200540)

采用填料式厌氧-好氧膜生物反应器(MBR)处理腈纶废水，考察MBR的运行效果。实验结果表明：采用“厌氧-好氧”工艺可以有效去除污水中的化学耗氧量，去除率为73.4%，氨氮去除率为98%，总氮去除率可达80%。

膜生物反应器 腈纶污水 厌氧 好氧

腈纶污水中难降解有机污染物浓度较高，可生化性极差，难生物降解及较难生物降解有机污染物占总有机物量的40.63%，因此用传统的单一生化处理方法很难使腈纶污水达到排放标准，需辅以适当的预处理措施。与传统的生化处理工艺相比，膜生物反应器(MBR)具有工艺设备与设施较为集中，占地面积小，较高的容积负荷和较强的抗负荷冲击能力等优点，在处理腈纶污水的过程中，全程实现自动化控制，处理费用和工作量显著降低[1-4]。文章对MBR处理腈纶污水的过程进行了研究，探索不同工艺条件对腈纶污水处理效果的影响。

1 试验部分

1.1 试验装置

试验装置如图1所示。

图1 膜生物反应器实验装置

试验采用有机玻璃生物反应器，反应器设计有效容积为200 L，膜组件长度为0.5 m，膜孔径为0.2 μm，膜组件表面积为1 m2；选择帘式中空纤维膜作为膜组件，聚飒为膜材料；利用微孔曝气装置进行氧气传质，曝气量由空气流量计进行调节，流量控制为0.3～1.0 m3/h。通过处理过程中的氧消耗可以大大降解有机污染物，降低污水中的五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3—N)。由于在曝气过程中会产生微气泡，引起液体湍流，造成曝气器发生位移，因此将曝气器聚氯乙烯(PVC)管连接固定于反应器底部。

1.2 测试项目与方法

试验所采用的水质分析方法遵照国家环保局编写的《水和废水分析检测方法》，试验分析项目主要包括五BOD5、化学耗氧量(COD)、NH3—N以及pH等，如表1所示。

表1 分析项目与方法一览

1.3 活性污泥的培养

腈纶污水中含有大量有机难降解污染物，且毒性大，往往会抑制硝化菌等微生物的生长，如果直接采用腈纶污水培养驯化活性污泥，活性污泥由于受到毒害作用，很难培养驯化成功。所以实验首先采用生活污水，接种生活污水厂的污泥，逐步驯化培养硝化菌和反硝化菌，培养成功后，再选取部分腈纶污水站接触氧化池中的污泥，添加腈纶污水，使微生物逐步适应污水水质，渐渐培养驯化出可有效降解腈纶污水污染物的污泥。试验采用MBR，配制进水腈纶污水体积分数依次为5%，10%，20%，40%，60%，80%，100%，采取逐步递增的方式，使反应器内微生物有逐步适应的过程，直至MBR进水全为腈纶污水，并达到稳定的处理效果。

2 结果与讨论

2.1 COD去除效果与分析

2.1.1 运行时间对COD的影响

图2为反应器进水腈纶污水体积分数为20%时反应器好氧段及出水的COD随运行时间的变化情况。

图2 COD随运行时间变化情况

由图2可知：

(1)反应器进水腈纶污水体积分数为20%时，反应器各段及出水的COD随运行时间的增长均在逐步增高。这主要是由于随着进水腈纶污水体积分数的增加，进入MBR的难降解有机物也在增多，而一部分有机物被MBR的微滤膜截留在反应器内，导致反应器内部积累了大量的难降解有机物，引起各段出水COD逐步增高，好氧段COD从最初的110 mg/L上升到最高130 mg/L；出水COD从最初的70 mg/L上升到最高90 mg/L。

(2)运行至第3天后反应器各段的COD趋于稳定，并且从第6天开始反应器各段及出水的COD均出现下降的现象。这说明积累在反应器上的部分难降解有机物得到了生物分解，导致COD下降，但是下降幅度并不大，仅为10 mg/L左右。由此可知只是很少一部分难降解有机物得到降解，大部分难降解有机物在反应器积累后得不到降解。

2.1.2 进水腈纶污水体积分数对COD的影响

图3为COD随进水腈纶污水体积分数变化情况。

图3 COD随进水腈纶污水体积分数变化情况

由图3可知：

(1)腈纶污水COD的可生化性差。随着反应器进水中腈纶污水体积分数的递增，反应器厌氧、好氧装置及出水中的COD也均逐渐增大，当进水腈纶污水体积分数达到100%时，出水中的COD最高可以达到360 mg/L。由此可知，腈纶污水中确实含有大量难生物降解的有机物，尽管部分有机物因为微滤膜的截留作用在反应器内产生积累并得到了部分去除，但由于MBR仅为生物处理，即使在反应器得到较长时间的停留也不会被生物降解，这也再一次证实了仅仅采用生物处理的方式很难实现对腈纶污水难降解有机物的高效去除。所以要实现对腈纶污水中难降解有机物的高效去除，还需进一步探究物理化学技术对腈纶污水的处理效果，或深入探究MBR出水的深度处理工艺。

(2)出水COD的增量与腈纶污水增加量的相关性很差。例如当反应器进水腈纶污水的体积分数由40%增加到60%，进水COD的增加量为30 mg/L，好氧COD的增加量为50 mg/L，出水COD的增加量为30 mg/L；当进水腈纶污水的体积分数从60%增加到80%，进水COD的增加量同样为30 mg/L，好氧及出水COD的增加量则高达170 mg/L；当进水腈纶污水的体积分数从80%增加到100%，进水COD的增加量为290 mg/L，好氧COD的增加量为80 mg/L，出水COD的增加量为100 mg/L。

2.1.3 进水水质的变化对MBR出水COD的影响

MBR出水COD随进水水质的变化而产生相应的变化情况见表2。

表2 MBR在不同运行时间时各段的COD

由表2数据可知：MBR处理3个不同时间段取用的腈纶污水时，进水、厌氧段、好氧段、出水的COD均变化较大，其中出水COD最高时可以达到380 mg/L，而最低时仅为240 mg/L。这主要是由于腈纶污水水质波动较大，腈纶污水水质不同导致MBR对污水的处理效果存在较大差异。其中厌氧段的COD去除率最高，达到55%～66%；好氧段的COD去除率最低，仅为7%～8%；COD总去除率最高达到78.2%，最低则仅为70.0%。当进水中难降解有机物较多时，则MBR出水COD较高，去除率较低；当进水中难降解有机物较少时，则MBR出水COD较低，去除率较高，即MBR出水COD随进水水质的变化而产生相应的变化。

2.2 腈纶污水NH3—N去除效果与分析

动物学科英语隶属于科技英语，但它是更具专业性的科技英语，涉及的知识面更加狭窄，与动物学联系更加紧密。因此，在进行动物学科英语互译时，不但要注意科技英语的文体、修辞、语法等特点，还要紧密结合相关专业知识，力求做出符合原文语言特点、本族语言特点以及动物学相关知识的完美译文。此外，通过上述介绍可以得知，概念语法隐喻一般包括语义层次上的及物性隐喻和词汇语法层次上的名词化、形容词化等现象，下面将主要从以下两个方面来探讨动物学科英语的翻译。

由于腈纶污水中NH3—N质量浓度高，导致MBR进水NH3—N质量浓度高达160 mg/L(具体见图4)。

图4 NH3—N质量浓度变化情况

由图4可知：随着进水中腈纶污水体积分数的逐步增加，进水NH3—N的质量浓度从85 mg/L逐步上升到141 mg/L，但反应器仍然保持了较好的硝化效果，厌氧段的NH3—N质量浓度最低为10 mg/L，最高为20 mg/L。好氧段的NH3—N质量浓度有所升高，最高为10 mg/L，最低为3 mg/L，但反应器出水NH3—N质量浓度一直很低，最高为3 mg/L，最低仅为1 mg/L。即便最终全用腈纶污水时，出水NH3—N质量浓度也始终维持在5 mg/L以下，对进水NH3—N去除率平均在97%以上。因此，MBR对腈纶污水的硝化与反硝化效果很好。

2.3 水力停留时间对腈纶污水处理的影响

水力停留时间(HRT)是MBR一个重要的运行参数，HRT对反应器各段COD的影响如图5所示。由图5可以发现：将MBR的HRT由40 h降低为30 h，即增大处理水量后，反应器各段的COD基本没有产生变化，厌氧段的COD增加了10 mg/L，好氧段及出水COD没有变化。说明HRT对难降解有机物的去除效果并无明显影响，难降解有机物即使在反应器有较长的停留时间也不会得到生化去除。这同时也说明了MBR对进水水量变化有较强的耐冲击性能，这主要是因为MBR本身的污泥浓度高，耐冲击性能强，又在反应器内添加了极易生物挂膜的聚丙烯纤维填料，更增加了反应器的耐冲击性能。因此从经济性的角度而言，停留时间控制在30 h更为合适。

这里只是对COD的试验，没有对NH3—N试验，故停留时间是否合适需要作说明。

图5 HRT变化对反应器各段COD的影响

3 反应器膜污染状况及分析

MBR有其独特的优势，如出水水质良好、运行稳定、污染物去除率高、占用空间少、操作简单等。其中处理效率高或出水水质好在进水水质可生化性比较好的情况下才能实现，否则需要配有可靠的预处理装置才能保证污水的可生化性。MBR也有着不可忽视的缺点，那就是膜污染问题，膜污染导致的运行费用增加限制了它的大规模应用。

(1)膜污染的途径

在试验过程中，由于抽吸泵的抽吸作用，水透过膜，膜出水比较清澈，但在膜周围的污泥浓度越来越高，随着实验的进行，活性污泥或胶体物质附在膜表面，导致膜通量下降，形成了膜污染。如果及时采取预防措施，那么，这种由于膜污染受到的损失可以得到恢复。本次实验过程中，曝气采用联动控制，抽吸泵工作时，生化池内采用正常曝气，运行一段时间后，抽吸泵停止一段时间，此时曝气量加大，膜下方的曝气装置对膜进行冲刷，去除表面的污染物。此时的实验现象表现为：膜通量在运行过程中有下降趋势，但经过曝气冲刷以后，膜通量基本得到恢复。

膜通量每次通过冲刷后能基本恢复，但没有完全恢复，随着实验的开展，膜通量仍不断下降，这种污染主要是低聚物或生物代谢物在膜表面形成凝胶层或堵塞膜通道。此时的实验现象为膜表面有少量黏泥。这种污染造成的损失通过冲刷作用无法恢复，只能对膜进行清洗。

以上两种污染造成的损失通过冲刷或清洗基本能及时得到恢复，比较严重的是微生物污染，特别是对于一体化MBR。随着实验的推进，生化池中污泥浓度越来越高，膜表面开始出现一层活性污泥，冲刷不掉，越来越厚，此时的现象为：膜通量下降很快，膜表面的泥越来越厚。出现微生物污染时，简单的清洗很难恢复膜通量，必须经过反复的化学清洗，同时要进行杀菌处理。所以在应用过程中要尽量避免微生物污染。微生物污染不仅难恢复，而且对膜伤害比较严重，会降低膜使用寿命，影响出水水质。

(2)膜污染控制

从整体考虑，可以将膜污染控制分为膜材料的选择和安装、混合液特性的改善、操作条件的优化等。

在选择膜材料的时候，应该从强度、热稳定性、化学稳定性、耐污染性、产水性、使用寿命、造价等方面对其进行技术可行性分析和经济评价。在膜孔径选择方面，增大膜孔径有利于提高水通量，但会加速膜污染，使得水通量快速下降，一般膜的切割颗粒尺寸(截留相对分子质量)应该要比分离的污染物的尺寸小一个数量级。在膜表面改性方面，为防止溶解性有机物和微生物代谢产物造成严重的膜污染，应该考虑采用抗污染性强的亲水性膜，从而降低膜和原水间的界面能，此外，选择与溶质带电性相同的膜材料也能有效地减缓膜污染的产生。在膜组件的安装方面，应该合理确定膜组件和曝气池墙体、空气扩散管、反应器液面之间的距离，空气扩散器和曝气池底之间的距离，保证在一定曝气量下能够获得较高的液体上升速率，减少膜表面污泥累积，减缓膜污染速率。

在此次MBR实验过程中，主要从操作优化和混合液特性两方面控制膜的污染：一是利用间歇抽水，加大曝气冲刷，这种方法可以有效解决实验初期膜表面污染问题；二是调节混合液pH，由于在厌氧条件下产生酸性物质，膜表面很容易出现黏性物质，通过调节混合液pH可以避免吸附积累在膜表面，延缓了膜污染的周期。

(3)膜的清洗

根据污染程度或种类不同，采用的膜清洗方法也不同。在实验初期，膜污染主要是膜表面积累或沉积一些活性污泥或胶体物质，此时采用空气吹洗即能基本恢复膜通量。随着膜污染的加重，出现膜通道堵塞，此时需要对膜进行水冲洗或简单的酸碱洗，这样基本能恢复膜通量。在膜受到微生物污染时，以上两种方法已经无法达到清洗目的，需要采用适当的化学清洗剂清洗膜表面及通道中的有机物和微生物，才能彻底恢复膜通量。

本次试验先对膜进行了物理清洗，即加大曝气量，依靠增大膜面流速，加大膜丝的抖动促使泥饼的脱落。物理清洗结束后，部分附着在膜丝上的泥饼有所脱落，但是大部分泥饼还是附着在膜丝上，使得膜通量的恢复量不是很大，并且反应器正常运行后膜丝在几天内又会被堵塞，可见仅仅采用物理清洗方式很难实现膜通量的恢复。

(4)膜清洗效果分析

由于膜的物理清洗效果并不理想，本次试验还对膜的化学清洗效果进行了研究探讨，并与物理清洗效果进行了对比(见表3)。

表3 各种清洗方式对膜通量的效果

由表3可知：化学清洗的效果要明显好于物理清洗效果。本次试验先后采用乙酸、次氯酸钠对膜进行了化学清洗。其中乙酸的质量分数为1%，次氯酸钠的质量分数为0.5%。先用化学药液浸泡，然后再进行曝气，此时会发现从膜丝上脱落下大量的泥饼，并且露出了膜丝本身的乳白色，而物理清洗时膜丝依然保持灰棕色。由此说明经过化学清洗后，不但泥饼从膜丝上脱落，附着在膜丝上的生物黏膜及有机物也从膜丝上脱落下来。相比之下，次氯酸钠的清洗效果更好。此外本次试验还对微滤膜的反清洗效果进行了试验，膜的反冲洗方式是先对膜组件进行浸泡，浸泡时间为60 min，再用次氯酸钠液进行反向冲洗30 min，化学清洗采用外浸清洗方式，不会对生物池的反硝化产生影响。经过试验对比发现，反向冲洗后的微滤膜的膜通量恢复要更好一些，由此可见反向冲洗对膜通量的恢复有很好的促进作用。本次试验虽然对几种膜的清洗方法以及化学清洗的药剂的配方进行了简单的探索，但并没有对膜污染的根本原因，具体是腈纶污水中的什么物质造成了膜的污染以及采取何种措施防止膜污染进行深入的研究探讨。所以要使MBR真正应用于工程实践，还必须解决膜污染的预防与治理的问题。

4 结论

(1)采用MBR处理只经厌氧预处理的腈纶污水，可对约70%的腈纶污水COD进行去除，但是由于MBR进水中难降解有机物仍很多，故导致出水COD也很高，维持在30～400 mg/L。因此要减小MBR出水COD，还必须加强物理、化学及生物预处理措施，增加腈纶污水的可生化性，减少腈纶污水中难降解物的含量，或者对MBR出水进行深度处理，进一步去除腈纶污水中的污染物。

(2)“厌氧-好氧”工艺可实现对NH3—N的高效去除，但是由于腈纶污水中的难降解含氮有机物较多，有机氮无法向NH3—N转化，限制了对总氮的去除效果，所以要进一步提高对总氮的去除率，还必须加强预处理，提高有机氮向无机氮的转化率。

(3)该MBR污泥浓度高，且好氧段装有极易生物挂膜的聚丙烯填料，微生物种类丰富，HRT的变化对反应器的处理效果影响不大，即MBR对进水水量的变化都有一定的耐冲击性能。

(4)实验表明，MBR在不同阶段存在不同的污染形式。初期为活性污泥或胶体在膜表面沉积，形成膜表面污染；随着实验的开展，低聚物或生物代谢物堵塞膜通道，膜通量逐步下降，形成膜内部污染；随着实验的深入，膜上出现微生物繁殖生长，膜通量快速下降，形成了微生物污染。不同的污染形式对应的膜污染控制和膜清洗方法也不同。

[1] S.Adham，P.Gagliardo，L.Boulos，et al.Feasibility of the membrane bioreactor process for water reclamation[J].Water Science and Technology，2001，43(10)：203-209.

[2] 孟凡刚.膜生物反应器膜污染行为的识别和表征[D].大连：大连理工大学，2006.

[3] J.A.Scott，D.J.Neilson，W.Liu，et al.A dual funetion membrane bioreactor system for enhanced aerobic remediation of high-strength industrial waste[J].Water Science and Technology，1998，38(4～5)：413-420.

[4] 魏源送，樊耀波.废水处理中污泥减量技术的研究及应用[J].中国给水排水，2000，17(7)：23-26.

Study on the Application of Membrane Bioreactor in Treatment of Acrylic Fiber Wastewater

Jiang Jianjun

(SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The operating effect of membrane bioreactor (MBR) was investigated by using an anaerobic-aerobic MBR to treat simulated acrylic fiber sewage.The results showed that the removal rate of chemical oxygen consumption was 73.4%,the removal rate of ammonia and nitrogen was 98%,and the removal rate of total nitrogen was up to 80% by using “anaerobic-aerobic” process.

membrane bioreactor,acrylic fiber sewage,anaerobic,aerobic

2017-03-09。

蒋建军，男，1984年出生，2002年毕业于上海师范大学环境工程系，工程师，目前从事清洁生产、危险废物管理、环保三同时等工作。

1674-1099 (2017)02-0053-06

X783.4

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