中空纤维膜生物反应器应用于城市住宅小区生活污水资源化处理的研究

2011-04-23刘建艳

绿色科技 2011年6期

刘建艳

(天津市津南区环保监测站,天津300350)

1 水资源危机与污水回用的必要性

我国是一个水资源贫乏的国家,人均水资源仅为世界平均水平的1/4。同时水资源在时间和地区分布上很不平衡,南方多北方少,北方大部分地区人均水资源更低。在北方干旱半干旱地区全年的降水量主要集中在7～9月3个月,这使可利用的水尤其显得不足;随着经济发展和城市比进程的加快,城市缺水问题变得尤为突出。当前相当部分城市水资源短缺,城市缺水范围不断扩大,缺水程度日趋严重。据统计,全国669个城市中,400个城市常年供水不足,其中有110个城市严重缺水,日缺水量达1600万m3,年缺水量60亿m3,由于缺水每年影响工业产值2000多亿元。天津、长春、大连、青岛、唐山和烟台等大中城市已受到水资源短缺的严重威胁。

天津市的引滦人津工程曾为天津的生存和发展发挥了巨大作用,但由于连年干旱,滦河潘家口水库和于桥水库库存急剧减少。为了缓解天津市水危机,从2000年开始,已经3次从黄河紧急调水给天津,沿途省市为此付出了很大代价。虽然引黄济津暂时解决了水危机,但黄河水也十分紧缺,保证率不高,不是长远之计。因此,对于天津这样的资源性缺水性城市,不但要找水,更重要的是大力发展回用水技术,节水技术,使每一滴水更大限度的发挥作用。

水是自然界中唯一不可替代,也是唯一可再生的资源。在城市生活、生产用水中,约40%的水是与人们生活紧密接触的,而多达60%的水使用在工业用水,农业灌溉,环卫用水和小区居民杂用水等方面。如将这部分用中水替代,在水质标准上是完全允许的。同时节约了大量的新鲜水源。将中水引入小区,实现双路供水是建设节水型城市的重要体现。小区中自引中厕用水、绿化用水、洗车等方面都可以用中水代替、目前天津市的很多新建生态小区项目都有中水回用设施。将中水管线直接进入用户的马桶内用于冲厕。既避免了居民误饮误用,又使得管理收费方便易行。

2 居民住宅小区小水回用现状及主要处理技术

一般住宅小区的污水主要为居民生活用水。包括居民的洗浴废水、厨房废水、洗衣废水以及冲厕用水等。随着生活水平的提高,洗浴用水量庄住增长较快。使得杂排水水质有逐渐变好的趋势,水质可生比性比较强,但水量变化较大。因此用简单的处理方法很难达到回用水标准。根据小区污水回用系统的自身特点和规律,工程设计应该注意：小区污水处理设施的建设应遵循城镇排水总体规划和专项规划;处理设施的占地和污泥产量应尽量少。选择性能稳定的设备,管理维护应简便易行;处理系统应有较强的抗水量、水质波动的能力。以适应小区水质、水量波动较大的特性。一般均需设置调节池;处理系统应达到国家有关恶臭、噪声等标准,不能影响小区居民的正常生活。结合目前国内外小区中水回用的实际情况。目前采用的生化工艺主要有生物接触氧化法,SBR和膜生物反应器工艺等。

2.1 生物接触氧化法

接触氧化法是小区污水处理中较常用的处理技术。该工艺具有操作简便、不需回流污泥、抗冲击负荷等优点。通过合理设计可以达到脱磷除氮的处理效果。整个处理装置可以埋地设置。上部仍可覆土、绿化,装置的开停可以由调节池水位自动控制。但其污泥量相对较大,污泥稳定性较差。使后续污泥处理设备较复杂。生物接触氧化法工艺流程如图1。

图1 生物接触氧化法工艺流程图

2.2 序批式活性污泥法

序批式活性污泥法(SequencingBatchReactor)简称SBR,是近年来国内外污水处理领域研究日趋增多并引起广泛重视的处理技术。该工艺的基本特点是运行时按照进水、反应、沉淀、排水、排泥5个工序,依次在一个池子中周期进行。因此可以省去二沉池甚至初沉池,而且不需回流污泥,很适合小区污水处理与其它工艺相比SBR工艺提供了时间程序上的污水处理,而不是连续流提供的空间程序上的污水处理。即在时间上污染物基质具有浓度梯度——与推流式相同。在空间上基质浓度完全相同——具有完全混合式的特点,也就是说该工艺集中了两种地型的优点同时避免了其固有的缺陷。但是我国目前相关配套设备较少,主要依靠进口,使得工艺投资较高。序批式活性污泥法工艺流程如图2。

图2 序批式活性污泥法工艺流程图

2.3 膜生物反应器

近年来,随着膜生产技术的提高和生产成本的降低,膜技术在污水处理领域中的应用,特别是与生物反应器相组合的膜生物反应器(MembraneBioreactor)已经成为目前公认的水处理高新技术,MBR综合了膜处理技术和生物处理技术的优点,在紧凑的空间内同时实现微生物对污染物质的降解和超滤膜对污染物质的分离,而降解与分离之间又存在着协同作用,是一种高效、实用的污水处理技术,已经广泛应用于中水回用、污水处理、以及各种工业废水的处理中。目前全球已有8000多套MBR装置在正常运行,处理规模在6～13000m3/h。美国2000年用在MBR装置上的膜组件销售额达67.5亿美元,年增长速度约为13%,说明这一技术具有强大的生命力。随着科技的进步,我国对MBR的研究和应用正在处于高速发展时期,随着膜制造技术革新的技术进步,膜使用寿命的提高和膜成本的降低,MBR技术在污水处理与回用事业中所起的作用越来越大。膜生物反应器工艺流程如图3。

图3 膜生物反应器工艺流程图

膜生物反应器(MBR)是将膜分离技术和生物处理技术有机结合的一种优化的污水处理技术,其主要特点是用膜分离取代二沉池的沉淀分离,由于膜分离可将全部微生物截留在反应器。如曝气池内,不受二沉池重力分离效果的影响,因此反应器内活性污泥浓度高,泥龄长且根据需要可人为凋节,膜分离截留了微生物也截留了难降解的物质。由于泥龄长微生物可将这些易降解和难降解的物质彻底降解,从而使膜几乎只过滤洁净的水和截留微生物及生物不可降解等膜能截留的物质。这样不但使出水水质优良,而且可大大减轻膜过滤时的膜堵塞和污染问题,从而延长了膜的使用寿命,使MBR成为一种真正有效的实用技术。此外,由于本方案采用的膜的孔径只有0.2μm,其在进行泥水分离的同时,可以截流部分致病病毒及绝大部分的致病微生物。经综合比较.膜生物反应器具备有以下一些特点。

(1)反应器中生物污泥浓度可高出常规活性污泥的5～10倍,即可达10～30g/L。甚至可以做到40g/L以上。使污水中可降解的污染物完全氧化,硝化也可进行完全,因此出水水质非常好,最大限度地减少了污水对环境的污染。

(2)膜的截留作用可使出水几乎无悬浮物和大肠杆菌等病源微生物及部分病毒。高污泥浓度和长的泥龄,使降解速度慢的难降解物也可得到彻底降解。

(3)由于泥龄可以很长,所以剩余污泥量极少,因此使一般污水生物处理常常需要花费大量费用用于处理污泥的难题得以较好解决。出水水质很好,高于三级处理或国家杂用水的标准。因为没有二沉池的沉淀分离问题。因此不用担心污泥膨胀、上浮等麻烦。

(4)水力停留时间(HRT)和污泥泥龄(SRT)可以完全分开MBR的水力停留时间理论上可以很短。各种生物反应器处理污水时,其活性微生物总量是关键,即V◦X是关键(V,反应器容积,X,生物浓度),如果VX=C不变,当X增加5倍时,则V就减少5倍。因此MBR生物反应器容积可比常规生物法小的多,再加上其出水相当或优于三级处理的出水,所以MBR一个反应器又可取代三级处理的若干处理单元,所以在占地和运行以及造价上都更加优越。工艺简单,单一的反应器取代众多处理设施,因此也很便于自动化PLC控制。

3 小区生活污水和处理资源化中试研究

为了深刻了解小区污水的特性,确定最优化的工艺流程,探讨膜生物反应器最优运行工况,对其进行了中试规模的研究。这对该技术推向实际应用有着重要意义。在总结膜生物反应器处理生活污水多项研究成果的基础上,进行了处理水量在 3.36～4.32m3/d的位差式中空纤维膜生物反应器处理人工配水的中试试验研究。试验结果表明：该技术具有较强的技术可靠性,完全可以应用于实际生活污水回用工程。

3.1 试验主要设备

(1)膜生物反应器。反应器为聚氯乙烯塑料制造,矩形截面柱体;截面积为0.3m2。有效水深H=3.6～3.9m;有效容积V=1.08～1.17m3,高低水位差为0.3m。

(2)膜组件。反应器内置6只中空纤维膜膜组件。每个蟆组件的面积是20m2。

(3)控制柜。采用PLC(可编程序控制器)控制系统的运行。

(4)浮球阀液位控制器。控制器控制反应器内的液位,进水至最高水位时停进水泵,液位降至最低水位时,启动进水泵。

3.2 运行状况分析

中空纤维膜膜生物反应器处理污水实验进行了约4个月,设计出水流量200L/h采用间歇运行方式,运行期间无反洗,无人工及化学清洗,实验期间无排泥。实验装置运行其他条件,运行出水期间曝气气水比25∶1;出水流量采用阀门、流量汁控制恒定,人为降低出水压头。间歇运行,8min出水,2min停止空曝气。

3.3 实验结果及讨论：

3.3.1 COD的去除

整个实验运行期间进水COD的平均值为366.4mg/L。最大值为 780.9mg/L、最小值为228.0mg/L;出水COD的平均值为13.1mg/L,最大值为25.2mg/L。最小值为4.4mg/L：COD的平均去除率为96.0%冲击负荷对出水COD去除率没有影响。这说明系统的稳定性和可靠性。

在实际污水处理工程中。冲击负荷是难以避免的,这部分研究是考察COD冲击负荷对膜通量的影响。在正常运转的情况下,采用出水控制阀控制出水流量衡定。在研究COD冲击负荷时,短时间全开阀门,以观察最大流量的变化,从而了解摸阻力的变化。

3.3.2 运行方法

将原水引人调节池中。完成膜生物反应器内的污泥培养与驯化,并向每个膜生物反应器内投加15kg粉末活性炭。打开控制系统电源,预热10～15min。检查并调整各仪表、阀门状态,使整个系统水气管路正常、通畅。在触摸屏上,先进人设置菜单,进行各项目选择。轻触“自动”,此时整个系统按照PLC设定的程序开始运行。运行过程中,要注意观察在线流量计、电流表的数值变化。如发现异常,要及时停车检查。

3.3.3 日常保养和维护

(1)排泥、加炭。膜生物反应器定期每周排泥一次,每个反应器的排泥量约为3m3左右(注：排泥的同时必须曝气),排泥的液位差为310mm。排泥后,向每个反应器投加粉末活性炭6kg左右。

(2)空曝气。为了减少膜的污染,保持膜通量,每隔一定周期(一般为一个月),需停止反应器出水,至手动,启动鼓风机对膜组件进行曝气冲刷6h后,即正常运转。(要选择在排水低峰时进行)每天定时巡视,发现异常情况应关闭反应器,进行检查修理。二氧化氯发生器保持全天性连续工作。检查二氧化氯发生器的工作情况,及时补充所需的原料。