两种膜生物反应器处理印染废水的比较
膜生物反应器由膜分离系统和生物反应器两部分组成，其中膜分离系统主要起截留作用，而生物反应器对水中有机污染物的去除起着决定性的作用，因而研究与膜系统匹配的生物反应器的类型、运行条件对提高膜生物反应器的处理效果和扩大其适用范围具有十分重要的意义。
作者着重研究了采用分离式膜生物反应器处理印染废水时生物反应器的类型选择及其对处理效果的影响，其中生物反应器采用两种不同流态的好氧生物接触氧化形式：一种是上流式接触氧化柱，内装自制的凹凸棒填料；另一种为接触氧化槽，内装弹性立体填料。
1 试验方法
在北京金羊毛纺厂废水处理车间进行试验，原水取自调节池，试验菌种取自气浮池。
采用的膜生物反应器系统如图1所示。
膜单元采用的中空纤维膜组件由中科膜技术中心提供。接触氧化槽体积为
生物处理单元的运行条件见表1。
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表1 生物单元运行条件 |
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项目 |
接触氧化槽 |
上流式接触氧化柱(不曝气) |
上流式接触氧化柱(曝气) |
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HRT(h) |
4.96～13.05 |
1.0～3.7 |
1.6～2.8 |
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水温(℃) |
20～30 |
18～27 |
12～26 |
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DO(mg/L) |
4～6 |
2.3～7.3 |
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对COD、色度、浊度、SS采用标准方法进行测定，生物膜样品经戊二醛—锇酸固定、乙醇脱水，在临界点干燥、喷金后用扫描电镜观察。
膜单元的运行条件：产水量为8～10L/h，反冲洗压力为0.1MPa，运行压力为0.15MPa，反冲洗周期为30min，反冲洗时间为10～15s。
2 结果与讨论
① 表2、3是两类生物反应器与膜系统匹配对印染废水COD、色度平均处理结果的比较。
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表2 对印染废水COD的处理结果比较 |
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类别 |
接触氧化槽 |
上流式接触氧化柱 |
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COD(mg/L) |
去除率(%) |
COD(mg/L) |
去除率(%) |
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最大值 |
最小值 |
平均值 |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
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原水 |
326.2 |
187.5 |
242.6 |
|
|
|
435.5 |
93.6 |
256.7 |
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生物反应器出水 |
231.0 |
55.4 |
133.1 |
78.4 |
-3.51 |
43.5 |
392.1 |
35.1 |
165.1 |
73.7 |
-27.0 |
35.9 |
|
|
膜出水 |
107.0 |
7.9 |
43.5 |
96.8 |
49.1 |
81.7 |
207.4 |
7.9 |
96.8 |
93.8 |
22.5 |
64.3 |
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表3 对印染废水色度的处理结果比较 |
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类别 |
接触氧化槽 |
上流式接触氧化柱 |
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色度(倍) |
去除率(%) |
色度(倍) |
去除率(%) |
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最大值 |
最小值 |
平均值 |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
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原水 |
160 |
80 |
123 |
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250 |
80 |
146.4 |
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生物反应器出水 |
400 |
80 |
229 |
0.2 |
-2.75 |
0.88 |
250 |
40 |
113.6 |
84 |
-66.7 |
20.4 |
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膜出水 |
130 |
40 |
74 |
60.0 |
19 |
41 |
80 |
30 |
54 |
84 |
37.5 |
59.7 |
② 从两种膜生物反应器对COD、色度、SS以及浊度的去除情况来看，生物单元出水随进水水质变化产生波动，而膜单元出水水质均较稳定。
③ 从SS去除情况可以看出，每隔264h左右接触氧化槽的处理效率会出现一个由最低到最高再回到最低的变化过程，同时由生物单元对COD的去除率变化也可看出这一趋势。生物单元出水COD升高主要是由出水SS升高引起的，在COD去除率处于低值时出水SS达到最高值。由于膜单元的截留作用使膜生物反应器对COD的总去除率基本稳定在80%以上。COD去除率的周期变化与固定生物膜的生长周期密切相关，当COD处理效率处于上升阶段时填料丝上生物膜的氧及营养物的传质情况良好，此时生物膜生长速度超过了脱落速度，生物膜处于高活性状态，因而对废水中的污染物有较高的去除率，表现出COD去除率上升。随着细菌大量生长、膜厚增加，此时内层膜处于内源呼吸阶段，经过一定时间后内层的营养物耗尽，生物膜的完整性遭到破坏，同时产生的厌氧气体在内层把膜顶起，使生物膜发生大块脱落并露出新鲜的填料表面，完成了一个生物膜生长周期。脱落的生物膜随水流从生物反应器排出，又被机械膜截留返回生物池。
接触氧化槽运行696h的填料丝电镜分析结果分别见图2、3。
图2所示为填料丝上的生物膜发生脱落的情形，此时填料丝上挂有两层膜，外层膜不均匀且松散，而内层膜紧密，其厚度为60～80μm。由图2可知，在试验条件下当内膜厚度超过60～80μm时生物活性发生变化，生物膜脱落，此时生物反应器的处理效率最低。由图3可见，在生物膜脱落后露出的填料丝表面上有少量新生细菌生长。从试验结果来看，将超滤膜技术与固定生物膜法相结合的膜生物反应器系统达到了比较稳定的处理效果，而且整体处理效果不受生物单元周期变化的影响。当生物膜处于脱落期时由于机械膜的截留作用使得脱落的菌胶团返回生物单元，这部分菌胶团吸附的COD、有色化合物等也被截留返回接触氧化槽，从而延长了这些污染物在反应器的实际停留时间，使出水水质保持稳定，但会出现接触氧化槽内色度累积升高的现象。
④ 在不曝气的情况下上流式接触氧化柱相当于只依靠吸附作用去除污染物。上流式接触氧化柱在运行216h以后达到色度吸附饱和(可视为填料柱的吸附去除值)，而曝气后柱中生物量迅速增长。采用有吸附作用的凹凸棒填料使被吸附有色化合物的停留时间延长，从而提高了色度的去除率，但这类反应器易出现堵塞现象，运行936h的数据显示由于发生堵塞后气水混合冲洗造成出水COD、SS升高。图4为运行500h填料表面的电镜照片，可以看出反应器内的生物相丰富且有原生动物生长。
3 结论
①接触氧化槽出水水质波动较大，但由于机械膜的截留作用使得脱落的菌胶团又返回生物单元，这部分菌胶团所吸附的COD、有色化合物等也被截留返回接触氧化槽，从而延长了这些污染物在反应器的实际停留时间，最终使出水水质保持稳定。
②上流式接触氧化柱在运行一定时间后易出现堵塞，但对印染废水可以达到较高的色度去除率。
③采用两种类型的接触氧化生物反应器与膜系统相连组成膜生物反应器用于处理实际印染废水，膜单元出水水质稳定，因而进行参数优化后可将膜生物反应器系统用于印染废水处理。
