一体式膜生物反应器处理制药废水的中试研究

张萍

（中联环股份有限公司，福建　厦门　361004）

一体式膜生物反应器处理制药废水的中试研究

张萍

（中联环股份有限公司，福建厦门361004）

采用一体式膜生物反应器（IMBR）改造工艺对制药废水进行中试研究，介绍工艺启动方法和工艺运行情况。试验结果表明，在系统污泥质量浓度为8 g/L，HRT为10 h，气水比为10：1的运行工况下，跨膜压差保持稳定，CODCr平均去除率约为89%，NH3-N平均去除率约为85%，此时出水CODCr的质量浓度超过100 mg/L，无法满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级排放标准的要求，进一步采取活性炭吸附深度处理后，出水CODCr浓度可达到GB 8978—1996一级排放标准的要求。采用IMBR-活性炭组合工艺处理制药废水，出水效果优于原二级好氧处理工艺，值得推广应用。

IMBR工艺；制药废水；跨膜压差；反清洗；活性炭吸附

膜生物反应器是生物处理与膜分离相结合的一种组合工艺，反应器内生物浓度高，增强了吸附和降解有机物的能力，水力停留时间与污泥停留时间的分离使得世代周期较长的硝化及亚硝化细菌也能很好的增长，从而提高硝化能力［1-3］。一体式膜生物反应器（IMBR）将膜组件置入反应器内，具有占地面积小，容积负荷高，泥量少，易于从传统工艺进行改造，出水水质好等优点［4］。生物制药废水具有有机物浓度高、水质成分复杂、含有对微生物产生抑制作用的污染物的特点，是一种难降解有机废水［5］。采用传统工艺处理制药废水，不仅运行成本高［6］，且出水难以保证长期、稳定地达标排放。

某制药企业建有1座规模500 m3/d的废水处理站，采用气浮-水解酸化-二级好氧工艺，出水达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中二级排放标准的要求。现由于扩建新厂，废水处理规模为2 000 m3/d，同时出水水质提升至一级排放标准，因此急需对原废水处理系统进行改造。本研究在原处理工艺的基础上，采用IMBR工艺处理水解酸化单元出水，考察了该工艺对CODCr、NH3-N的去除效果和膜污染情况，以期为原废水处理系统的升级改造提供参考。

1　材料与方法

1.1试验装置

试验装置为一体好氧浸没式IMBR，如图1所示。池体容积：2 m3；膜组件：外压式PVDF中空纤维微滤膜，面积为1.0 m2，膜孔径为0.2 μm，最大膜通量为250 L/（m2·h），平均膜通量为200 L/ （m2·h），操作压力为5～10 kPa，适用污泥质量浓度范围为5～12 g/L；其它组件有出水泵、流量计、微孔曝气头等。

图1IMBR试验装置与工艺流程Fig.1　IMBR test equipment and process f1ow

1.2试验废水

原制药废水ρ（CODCr）=2 200～2 600 mg/L，ρ（BOD5）=700～900 mg/L，ρ（NH3-N）=75～90 mg/L。废水在经过预处理及酸化水解后进入IMBR单元，进水IMBR的水质一般为ρ（CODCr）≤500 mg/L，ρ（BOD5）≤300 mg/L，ρ（NH3-N）≤50 mg/ L，ρ（SS）≤150 mg/L。

1.3试验方法

在不同的运行工况下，考察IMBR对CODCr和NH3-N的去除率；采用活性炭吸附柱深度处理IMBR出水，考察活性炭吸附柱对CODCr的去除率。通过分析污染物去除效果，评价IMBR工艺作为原工艺升级改造的可行性。主要试验步骤如下：

（1）进行工艺调试，投加污泥进行微生物驯化。

（2）设定2种工况考察IMBR运行处理效果。其中，工况1：设定HRT为10 h，污泥质量浓度为8 g/L，气水比为10：1；工况2：设定HRT为 10 h，污泥质量浓度为10 g/L，气水比为15：1。

（3）采用活性炭吸附法进一步处理IMBR出水，优化出水水质。

1.4分析方法

CODCr浓度采用重铬酸钾法测定，NH3-N浓度采用纳氏试剂分光光度法测定，SV30采用静置沉淀法测定。

2　结果与讨论

2.1微生物驯化阶段分析

由于装置进水浓度较高，启动阶段投加原工艺好氧池内活性污泥对微生物进行驯化，污泥量为装置池容的2%～5%。本阶段采用间歇性少量进水，进行闷曝，水力停留时间设计较长，同时监测进、出水CODCr浓度，具体数据如图2所示。

图2　微生物驯化阶段进出水CODCr浓度Fig.2　Inf1uent and eff1uent water qua1ity of microbia1 acc1imation stage

经过1周左右的调试，微生物已逐渐适应进水水质，取IMBR池中混合液测定SV30为25%左右，通过显微镜观察到钟虫、累枝虫等原生动物，表明驯化阶段已完成。

2.2IMBR在工况1下的运行效果

微生物驯化阶段结束后，调整IMBR在工况1条件下运行，稳定运行结果如图3所示。

工况1的运行结果表明，IMBR对CODCr的平均去除率约为89%，IMBR出水CODCr的质量浓度为200～280 mg/L，无法满足GB 8978—1996一级排放标准（ρ（CODCr）≤100 mg/L）；IMBR对NH3-N的平均去除率约为85%左右，出水NH3-N的质量浓度不超过15 mg/L，达到GB 8978—1996一级排放标准的要求。为了考察本系统对废水的生化处理效果，采取停止进水，连续3 d监测出水CODCr浓度，结果表明出水CODCr浓度仍无明显下降趋势，说明水解酸化单元出水中含有极难生化降解或不可生物降解的污染物。

图3　IMBR运行阶段污染物去除率（工况1）Fig.3　Remova1 rates of po11utants in IMBR operation phase （conditionⅠ）

2.3IMBR在工况2下的运行效果

反应器内维持较高的生物浓度是IMBR工艺的一大特点。为了考察污泥浓度对工艺运行效果的影响，将反应器污泥浓度上升至10 g/L，气比水增至15：1。工况2运行条件下，MBR对CODCr和NH3-N的去除效果如图4所示。运行结果表明，出水CODCr的质量浓度为200～280 mg/L，平均去除率约为88%，无法达到GB 8978—1996一级排放标准的要求，提高污泥浓度和增大气比水对CODCr去除率没有明显增加；出水NH3-N的质量浓度为15～20 mg/L，去除率为78%左右，略微下降，此时出水NH3-N浓度也无法达到GB 8978—1996一级排放标准的要求。

图4　IMBR运行阶段污染物去除率（工况2）Fig.4　Remova1 rates of po11utants in IMBR operation phase （conditionⅡ）

工况2气水比升高，增加了反应器内溶解氧浓度，导致污泥细胞内部氧浓度上升，不利于反硝化的进行［7］，从而使得NH3-N的去除率稍有下降。污泥浓度上升，反应器中微生物代谢旺盛，内源呼吸加剧，排出的代谢产物也增多，包括胞外溶解性物质，其中分子直径较小的会透过膜而进入出水中影响系统的有机物去除率［8］。因此，2种条件下CODCr去除率相差不大。但污泥浓度增加，将加剧膜污染，缩短了膜的使用寿命，而且直接导致泵的抽吸水头和曝气量增加，从而增加系统运行费用［9］。

2.4IMBR运行期间跨膜压差的变化

在工况1和工况2条件下，IMBR运行期间跨膜压差的变化情况如图5所示。

图5IMBR运行阶段跨膜压差变化Fig.5　Variation of TMP during IMBR operation

在膜通量保持相对稳定的情况下，膜污染程度的变化主要以跨膜压差的变化为表征［10］。在工况1运行条件下，跨膜压差基本维持在5～10 kPa范围，增加较缓慢，而进入工况2条件（4月19日～25日）运行后，跨膜压差急剧增加，容易加剧膜污染。根据该膜的产品运行要求，跨膜压差在5～10 kPa范围内为正常运行值，超过15 kPa则需对膜组件进行反清洗，可采用次氯酸钠或柠檬酸进行在线化学清洗，如跨膜压差不能恢复至5～10 kPa，则需要进行系统外浸渍清洗。在了解膜污染机理的基础上，选用适当的膜组件和运行工况可以有效地控制膜污染，提高整个系统地使用性能和寿命［11］。

2.5深度处理

采用活性炭吸附法对IMBR出水进行深度处理，考察深度处理出水水质能否达到GB 8978—1996一级排放标准（ρ（CODCr）≤100 mg/L），活性炭吸附柱尺寸为Ф 500 mm×2 000 mm，填充高度为1 600 mm，活性炭颗粒粒径为0.5～2.0 mm，接触时间为30 min。活性炭深度处理出水CODCr浓度如图6所示。结果表明，出水CODCr的质量浓度一直稳定在80 mg/L，可达到GB 8978—1996一级排放标准的要求。

图6　IMBR深度处理阶段出水监测结果Fig.6　Eff1uent water qua1ity in IMBR advanced treatment stage

3　结论

（1）IMBR工艺的污泥浓度、气水比的变化对CODCr的去除效果影响不大，但可导致NH3-N的去除率下降。污泥浓度过高，跨膜压差急剧增加，容易加剧膜污染。

（2）在HRT为10 h，污泥质量浓度为8 g/L，气水比为10：1的运行工况下，CODCr平均去除率约为89%，NH3-N平均去除率约为85%，此时出水CODCr的质量浓度超过100 mg/L，出水NH3-N的质量浓度小于15 mg/L，CODCr无法满足GB 8978—1996一级排放标准的要求，说明废水中含有极难生化或不可生化的污染物。经活性炭吸附进一步深度处理后，出水CODCr浓度可达到GB 8978—1996一级排放标准的要求。

［1］冯斐，周文斌，汤贵兰.MBR工艺处理维生素C制药废水的中试实验［J］.环境工程，2006，24（6）：16-18.

［2］李世峰.膜生物反应器处理生活污水的试验研究-强化脱氮除磷及膜污染控制［D］.青岛：中国海洋大学，2008.7-10.

［3］樊耀波.水与废水处理中的膜生物反应器技术［J］.环境科学，1995，16（5）：79-81.

［4］孙雷.MBR法处理制药废水的工程应用［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.2-6.

［5］廖志民.MBR工艺处理发酵类制药废水中试研究［J］.中国给水排水，2010，26（9）：131-133.

［6］刘振东，郑桂梅.制药废水处理工艺案例分析［J］.水处理技术，2008，34（11）：79-83.

［7］邹联沛，张立秋，王宝贞，等.MBR中DO对同步硝化反硝化的影响［J］.中国给水排水，2001，17（2）：6-8.

［8］曹斌，袁宏林，王晓昌，等.膜生物反应器设计工艺参数的探讨［J］.环境工程，2004，10（5）：24-26.

［9］刘研萍，王琳.膜生物反应器的污染及防治［J］.工业水处理，2004，24（6）：5-9.

［10］高健磊，施龙，周子鹏.MBR处理制药废水膜污染试验研究［J］.工业用水与废水，2013，44（5）：24-26.

［11］杨红群，周艳玲.MBR膜污染机理及其控制［J］.江西化工，2005，（1）：5-12.

A pilot scale test on pharmaceutical wastewater treatment by IMBR process

ZHANG Ping
（China Union Engineering Co.，Ltd.，Xiamen 361004，China）

A pi1ot sca1e test on pharmaceutica1 wastewater treatment using integrated membrane bioreactor （IMBR）process was carried out，the starting method and operation condition of the said process were introduced. The resu1ts of the test showed that，under the condition that the mass concentration of s1udge was 8 g/L，the HRT was 10 h，the gas-water ratio was 10：1，the transmembrane pressure was stab1e，the average remova1 rates of CODCrand ammonia nitrogen were about 89%and 85%respective1y，the mass concentration of CODCrin the eff1uent water was above 100 mg/L，which cou1d not meet the specification for grade 1 in GB 8978—1996 Integrated Wastewater Discharge Standard.Taking advanced activated carbon adsorption as the further treatment process，the eff1uent water qua1ity reached the above standard.It cou1d draw a conc1usion that，using IMBR-activated carbon combined process to treat pharmaceutica1 wastewater，the eff1uent water qua1ity was superior to that treated by two-stage aerobic process，therefore，it was a process worth popu1arizing.

IMBR process；pharmaceutica1 wastewater；transmembrane pressure；backwashing；activated carbon adsorption

X787.031

A

1009-2455（2016）02-0031-04

张萍（1985-），女，福建福鼎人，工程师，注册环保工程师，环境工程硕士，主要从事市政污水及工业废水处理工程技术设计及施工图绘制工作，（电子信箱）1563366855@qq.com。

2016-03-03（修回稿）