VT-MBR 组合工艺处理焦化废水的研究 - 新闻资讯 - 破乳剂|COD去除剂|乳化液|含油|煤化工废水处理|济南乾来环保

摘要:

采用厌氧/好氧垂直折流膜生物反应器( VT-MBR) 对焦化废水进行处理，通过对运行参数进行优化，考察不同参数对反应器运行效果的影响，以及对不同曝气量下的膜污染特性进行了研究。结果表明: 进水 COD 浓度为 5000 ～5200 mg /L，NH3－N 浓度为 40. 00 mg /L，TN 浓度为 125. 99 mg /L，挥发酚浓度为 25. 29 mg /L，在曝气量为 30 L/h，总停留时间 HRT 为 60h，回流比为 3 ∶ 1 的条件下，该工艺对 COD、NH3 －N、TN、挥发酚的平均去除率分别为 95. 74%、56. 87%、69. 58%、98. 87%。此外，曝气量的增加，可有效地提高膜的操作周期，延长膜的持续运行时间，但不可逆污染阻力有所增加，不利于膜的长期污染控制。

关键词:

焦化废水; VT-MBR 工艺; 膜污染; 污水处理; 污染阻力

0 引言

焦化废水具有成分复杂，NH3 －N 含量高，有机污染物浓度高、毒性大以及可生化性差等特点，是一种典型的难以降解的工业废水。目前对焦化废水处理的主要工艺包含预处理、生物处理以及深度处理，其中 A/O、A2 /O 和 A/O2 等工艺是主要的焦化废水生物处理工艺。但仍然存在出水水质不稳定、污染物处理效果不理想等问题。

随着膜技术的不断发展，膜生物反应器( MBR)逐渐在工业废水处理中得到广泛应用，并取得了良好的处理效果。工业废水中复杂的污染物以及高污泥浓度导致严重的膜污染现象发生。膜污染问题是一直以来限制 MBR 技术发展的主要问题，影响膜污染的因素众多，主要包括膜材料、运行条件参数、污泥性质、污水性质以及膜组件的种类，并且各种因素相互影响。钱光磊等发现，在恒定通量运行的过程中，气液两相流可减缓膜污染，膜表面气体流速的增加可延长膜污染操作周期。陈聪聪等发现，错流速度的增加会提高膜的不可逆污染阻力。

VTBR 是采用垂直折流方式运行的固定膜生物反应器，具有气液传质效果好、生物膜量高以及不易堵塞等优点，已经应用于城市生活污水、石油化工废水以及制药废水的处理。本实验将 VTBR 与外置式超滤膜组件进行结合，形成 VT-MBR 耦合工艺。利用 VTBR 的尾气对超滤膜组件进行曝气，达到降低运行成本的目的。考察了不同曝气量以及回流比对焦化废水中 COD、NH3 －N、TN 以及挥发酚的去除效果，同时探究不同曝气量下的膜污染特性。

1 实验部分

1. 1 废水水质

实验用水取自某焦化厂调节池出水，该废水经过蒸汽脱氨、气浮隔油等工艺进行预处理，对原水进行测定，其中 COD 浓度为 5000 ～ 5200 mg /L，BOD5 浓度为 1690 mg /L，TN 浓度为 125. 99 mg /L，NH3 －N 浓度为 40. 00 mg /L，硝酸盐氮浓度为 4. 84 mg /L，亚硝酸盐氮浓度为 1. 97 mg /L，TP 浓度为 0. 38 mg /L，挥发酚浓度为 25. 29 mg /L，pH 为 9. 12。实验所用的污泥取自该焦化厂污水处理系统的好氧池，经过驯化后厌氧池污泥浓度为 13 g /L，好氧池污泥浓度为 8 g /L。

1. 2 工艺流程

如图 1 所示，垂直折流膜生物反应器( VT-MBR)由厌氧部分( A 池，36 L) 、好氧部分( O 池，24 L) 和膜生物反应器( MBR，0. 5 L) 组成。厌氧部分由 6 根反应柱组成，好氧部分由 4 根反应柱组成，所有反应柱均由规格相同的有机玻璃材料制。单个反应柱高1 m，外径为 0. 1 m，单个有效容积为 6 L。反应柱内装有弹性立体纤维填料，反应柱之间连接方式为串联，反应柱通过超级恒温水浴槽进行控温。曝气泵从首级好氧柱底部进行曝气，尾气从最后一级顶端排出，与经过污泥沉淀的污水通过混合阀混合，再次从膜组件底端进入，最后从膜组件浓缩端排出系统，曝气量通过气体流量计进行控制。

MBR 为外置式超滤膜组件，内置中空纤维膜，材料为 PVDF，膜孔径为 0. 22 μm，膜内径为 1 mm，膜外径为 1. 6 mm，膜面积为 0. 1 m2。MBR 采用蠕动泵进行抽吸出水，浓缩端的污水回流至进水槽内。膜组件的上下两端均安装有压力表 P1 和 P2，P1 和 P2 的平均值为膜组件的内部压力 P0，抽吸压力为 P3，跨膜压差 ΔP 为 P3 和 P0 的差值，跨膜压差指示膜组件内的膜污染情况。

1. 3 反应条件

系统在经过启动运行后，考察曝气量和回流比对污染物去除效果的影响。在探究曝气量对污染物去除效果影响时，曝气量分为 3 个阶段，分别为 20，30，40L /h，回流比为 3 ∶ 1，总 HRT 为 60 h。在探究回流比对污染物去除效果影响时，回流比分为 3 个阶段，分别为 1 ∶ 1、2 ∶ 1 和 3 ∶ 1，此时曝气量为 30 L /h，总HRT 为 60 h。运行过程中控制好氧区温度为 25 ℃，厌氧区温度为 32 ℃。当膜组件的跨膜压差超过 20kPa 时进行膜的离线清洗，先用清水冲洗 30 min，在用 2% 的柠檬酸和 0. 1% 的次氯酸钠分别循环 60min，再用清水冲洗 30 min，并以此作为一个周期。

2 结果与讨论

2. 1 系统的启动运行
VT-MBR 系统分两步进行启动，首先启动 VTBR，采用间歇进水、闷曝的条件下进行厌氧污泥的驯化。

驯化期间污染物去除效果如图 2 所示。在间歇进水期间，保持较低的进水 COD 浓度，完成活性污泥由好氧向厌氧的转化。驯化初期，由于微生物的群落更替，出水 COD、NH3 －N 浓度均高于进水。从第 25 天开始持续进水，保持总 HRT 为 120 h，曝气量为 30 L/h，回流比为 3 ∶ 1，进水 COD、NH3－N 浓度分别为 4948，39. 19 mg /L，出水 COD、NH3 －N 浓度分别为 359，18. 16 mg /L，去除率分别为 92. 75%、53. 66%，说明厌氧条件下的污泥已开始对有机物持续降解，好氧污泥已完成向厌氧污泥的转化，该系统的启动驯化过程基本完成。

2. 2 运行参数的优化

通过研究 COD、NH3－N、TN 和挥发酚的去除率，综合评价曝气量及回流比对系统运行效果的影响。

2. 2. 1 曝气量

通过控制水力停留时间为 2. 5 d，回流比为 3 ∶ 1，好氧区曝气量为 20，30，40 L /h，考察曝气量对系统各级污染物的去除效果以及污泥浓度和溶解氧随曝气量的变化，如图 3 和图 4 所示。

由图 3 可知: 曝气量对 COD 的去除率有明显的影响，曝气量从 20 L /h 升高至 30 L /h 时，出水 COD浓度明显下降，从 262 mg /L 下降至 214 mg /L，进一步提高曝气量至 40 L /h，出水 COD 浓度上升至 235mg /L 左右，去除率从 95. 73% 下降至 95. 30% 。

NH3－N及 TN 的去除效果同样在曝气量为 30 L /h 时最佳，出水平均 NH3 －N 和 TN 浓度为 17. 41，35. 20mg /L，且水质较为稳定，随着曝气量提升至 40 L /h，NH3－N 及 TN 出水浓度均有所上升。系统对挥发酚有较好的去除效果，出水挥发酚浓度为 0. 29 mg /L，去除率为 98. 87%。

由图 4 可知: 随着曝气量从 30 L/h 增加至 40 L/h，好氧区污泥浓度有所下降，污泥浓度从 5. 96 mg /L 下降至 4. 31 mg /L，厌氧区污泥浓度从 12. 80 mg /L 上升至 14. 02 mg /L。随着曝气量从 30 L /h 提高至 40L /h，厌氧区溶解氧浓度从 0. 15 mg /L 上升至 0. 38mg /L，对厌氧区的厌氧环境产生了明显影响。

曝气量是影响污水处理系统处理效果的重要运行参数，在曝气量从 30 L /h 提高至 40 L /h 时，出水COD 浓度提高是由于厌氧段反硝化效率降低，所需的碳源减少。在系统运行初期，NH3 －N 的去除效果不佳，主要因为污泥中的硝化细菌数量不多，硝化细菌生长缓慢，还未成为优势菌种。随着系统的运行，膜的截流作用使硝化细菌快速富集成为优势菌种。在曝气量提升至 30 L /h 时，硝化效果一直较为稳定。

曝气量提高至 40 L /h 时，厌氧区 DO 浓度迅速上升，这是因为好氧区的高 DO 浓度回流至厌氧区，对厌氧区的厌氧环境造成破坏，从而导致反硝化效率的下降。总体而言，想要获得最佳的处理效果及运行成本，需要适当提高曝气量，使得系统对 COD、NH3－N 及 TN 的去除效果最佳。因此，确定系统最佳曝气量为 30 L/h。

2. 2. 2 回流比

本实验采用了好氧厌氧污水回流的运行方式，硝化液回流从而提高脱氮效果。实验过程中，总 HRT为 60 h，曝气量为 30 L /h，调节回流比分别为 1 ∶ 1、2 ∶ 1和 3 ∶ 1，回流比的变化对系统去除效果的影响如图 5 所示。NH3 －N、TN 浓度分别为 277，20. 43，37. 70 mg /L，去除率为 94. 38%、48. 85%、66. 81%，这是由于回流量较小，NH3 －N 和硝酸盐氮在系统内的水力停留时间较短，系统的去除能力不够。在回流比提高至 2 ∶ 1时，出水 COD、NH3 －N、TN 浓度为 270，18. 64，36. 25mg /L。当回流比为 3 ∶ 1 时，出水 COD、NH3－N 和 TN浓度为 225，17. 30，34. 85 mg /L，去除率为 95. 43%、56. 69%、69. 33%，系统对污染物的去除效果明显增加。

良好的硝化反硝化是实现高效生物脱氮的必要条件，随着回流比的增加，NH3 －N 及 TN 的出水浓度均有所降低。值得注意的是，随着混合液回流比的提高，一方面更多的氧转移至厌氧区，破坏了厌氧区的反硝化环境，从而导致出水硝酸盐氮浓度升高; 另一方面也会增加系统的运行费用。曹雪梅在研究中发现，当回流比提高至 4 ∶ 1 后，由于好氧区携带的溶解氧对厌氧区的厌氧环境造成破坏，TN 的去除率不仅没有上升，反而有所下降。

2. 3 膜污染

2. 3. 1 跨膜压

差如图 6 所示，操作过程中 MBR 保持恒定通量的运行，膜通量为 0. 1 L /( m2·h) ，2 次进行膜清洗过程作为 1 个操作周期，在曝气量为 20，30，40 L /h 时的操作周期分别为 3、2 和 2，膜污染周期分别为 17，19，22 d。不通气时膜污染周期为 8 d。结果表明，向MBR 内曝气，可有效提高膜组件的持续运行时间，提高曝气量可有效减少膜操作周期，提高操作周期的长度。

研究表明，造成膜污染的主要因素包括微生物的代谢产物，膜表面污泥颗粒的沉积以及 MBR 的运行方式。曝气量的增加能有效提高膜表面的错流速度，较高的错流速度抑制了活性污泥和代谢产物在膜表面的沉积，使膜表面难以形成稳定的污泥滤层，减小了膜过滤滤饼阻力，但同时反应器内也会产生更多的小颗粒污泥以及大分子有机物，增加膜的不可逆污染阻力。Qian 等研究气液两相流对膜污染影响时发现，随着曝气量的增加，气液两相流的剪切力增加，有利于膜表面动态附着层的去除，但不能去除由空隙堵塞以及不可逆附着的大型微生物絮体导致的不可逆污染。

2. 3. 2 EPS 中的蛋白质和多糖

为了进一步探究微生物代谢产物对膜污染的影响，对 EPS 中多糖与蛋白质的含量进行分析。

如图 7所示，通过对膜表面污泥 EPS 进行提取，发现随着曝气量的增加，EPSp /EPSc 的比值有所下降，从 2. 91 下降至 1. 67。多糖和蛋白质容易在膜表面沉积形成凝胶层，导致滤饼层致密化，对膜污染产生重要影响。Meng 等研究发现，多糖的生物降解率要比蛋白质低，并且多糖具有高分子量的性质，这导致多糖在 MBR 中积累的潜质更大。Rosenberger 等研究发现，EPS 中的多糖浓度对膜污染有重要影响，膜通量及膜过滤性能随着多糖浓度的升高而下降。

2. 3. 3 膜污染阻力

为进一步探究曝气量对膜污染过程产生的影响，对不同曝气量下膜污染的阻力构成进行分析。膜污染时的阻力主要由 3 部分构成，分别为膜自身过滤阻力 Rm、滤饼阻力 Rc 和不可逆污染阻力 Rp，不同曝气量下膜表面的错流速度与水力剪切作用均不相同，膜污染的形成过程与机理也不相同，如图 8 所示。

由图 8 可知: 膜自身过滤阻力占总阻力 Rt 的8. 68% ～8. 76%。随着曝气量的增加，不可逆污染阻力逐渐升高，滤饼阻力逐渐下降。在曝气量为 20 L/h时，滤饼阻力占总阻力的 72. 44%，随着曝气量增加至40 L /h，滤饼阻力占总阻力的比例下降至 55. 19%，主要是较高的曝气量提升膜表面的湍流程度和传质作用，膜表面难以成型稳定的滤饼层。不可逆污染阻力则随着曝气量的提升，从占总阻力的 18. 82%提升至36. 05%。主要由于污泥粒径随着膜表面紊流程度的增加而降低，细颗粒污泥对膜孔产生堵塞，造成不可逆污染。曝气量的提升，有效延长膜的操作周期，但 EPS 中多糖的比例也会随之提高，导致不可逆污染阻力的上升，这也不利于膜的长周期污染控制。

3 结论

1) 提高曝气量与回流比，均可有效提高系统对污染物的去除效果，但高曝气量与高回流比会导致厌氧段溶解氧浓度上升，厌氧环境被破坏，因此，确定VT-MBR 的最佳运行条件: 曝气量为 30 L /h，回流比为 3 ∶ 1，总 HRT 为 60 h，COD、NH3 －N、TN 和挥发酚的出水浓度分别为( 214±61) ，( 17. 41±0. 62) ，( 35. 2±2. 24) mg /L。

2) 气体的通入可明显降低膜污染速率，在恒定通量膜分离过程中，随着曝气量从 20 L /h 提高至 40L /h，膜污染周期从 17 d 延长至 22 d。3) 随着曝气量的增加，膜表面 EPS 中蛋白质与多糖的比例降低，多糖相比于蛋白质更难被微生物降解，造成膜的不可逆污染阻力上升，不利于膜的长周期污染控制。

原标题：VT-MBR 组合工艺处理焦化废水的研究

原作者：陈江林王勇董明金若菲周集体

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