浙江海元环境科技有限公司 浙江杭州 310051
摘要：以印染废水为处理对象，通过对比试验考察了ASBR-MBR组合工艺处理印染废水的效果。试验结果表明，从COD、色度、铁盐和硬度等方面的去除效果来看，ASBR-MBR组合工艺均优于单纯的MBR工艺；MBR工艺和ASBR-MBR组合工艺中膜组件对废水中有机物去除的贡献率分别为22.04%和29.25%，其余则由生物处理单元降解。另外，两系统的膜区生物相在实验运行过程中均遵循着相同的演变规律。综上所述，相比于MBR工艺，ASBR-MBR组合工艺更适于印染废水的处理。
关键词：印染废水；厌氧序批式反应器（ASBR）；膜生物反应器（MBR）；处理效果
Abstract：An ASBR-MBR combined system was conducted to investigate the treatment effect for printing and dyeing wastewater by comparison experiments. The results showed that，from the point of COD，chromaticity，malysite，and hardness ions removal，ASBR-MBR combined system showed better performances than MBR system. Contribution rate of COD removal via membrane module in the two systems（MBR and ASBR-MBR）were 22.04%和29.25%，respectively. Besides，the evolution laws of biophase in the two systems were identical. In conclusion，compared with MBR，ASBR-MBR combined system was more suitable for printing and dyeing wastewater treatment.
Key words：printing and dyeing wastewater；ASBR，MBR；treatment effect
1. 引言
印染行业是我国工业废水的排放大户，其水量大、色度高、组成成分复杂。染料排入水体会造成水体透光率降低，导致水体生态系统的破坏，可生物积累并具有三致（致癌、致畸、致突变）作用，其对环境和人类的危害引起了越来越多人的关注。目前，印染废水的治理和回用己经成为当前环境保护领域内的一项重大研究课题[1~3]。
膜生物反应器（MBR）是由污水生物处理技术和膜分离技术结合而成的一种新型污水处理与回用工艺，对于难降解有机废水的处理有着一定的应用前景[4]。本研究以某纺织有限公司的印染废水为处理对象，对以MBR为核心的处理工艺进行了尝试性的改进，即在MBR工艺前增加了ASBR预处理单元，考察了ASBR-MBR组合工艺对印染废水的处理效果及其运行效能，并与单纯的MBR工艺进行了对比。为今后印染废水的高效处理提供新的思路和一定的数据支持。
2. 材料与方法
2.1 试验装置
本研究试验装置分为两组，一组为单纯MBR工艺，简称为S1；另一组则为ASBR-MBR组合工艺，简称S2。详细介绍如下：
2.1.1 厌氧序批式反应器（ASBR）
ASBR装置采用DN400 UPVC管道制作，底部封板及三角支撑采用PVC板材用塑料焊条焊接制作，高1200 mm，有效容积120 L，反应器的侧壁上开有10个直径为20 mm的小孔，其中底部是进水口（同时也做放空口），顶部是溢流口，中间的是出水口，其余是采样口，反应器运行一个周期的时间是12 h，沉淀时间为 2.5 h，每次进出水的体积由MBR池中的水力停留时间决定，采用进水泵进行内循环（每小时循环15 min）使进水基质和反应器内污泥进行充分混合，反应各阶段的时间由PLC来控制。
2.1.2膜生物反应器（MBR）
MBR的材质为有机玻璃，尺寸为550 mm×300 mm×500 mm，正常液面高420 mm，有效容积为65 L，其底部均匀布置设有6个曝气砂头，由一台鼓风机供气，用气体流量计控制其气体流量，进行连续曝气，其正上方装有中空纤维膜组件。此外反应器内还装有空气反冲洗和补水装置，空气反冲洗可以减缓膜的污染，而补水装置可以在反冲洗结束后对连接膜组件的UPVC腔内补充水，以便抽水泵可以顺利抽到水。
2.2 反应装置运行
反应装置分为两组（即S1和S2），主要用于处理某纺织有限公司污水处理厂的 二级出水。
2.3 接种污泥
对于ASBR装置，其接种污泥来自于某污水厂好氧生化池内，经密闭使其隔绝空气10天并弃去上清液将污泥浓缩后移入反应器内，然后进水，并开始检测各项水质指标；对于MBR装置，接种污泥取自同样取自某污水处理厂好氧生化池内，经静沉弃去上清液后将污泥浓缩后移入反应器内，闷曝24小时然后直接以原水进行污泥驯化培养，并且开始检测进、出水各项水质指标。
2.4 进水水质
进水水质为某纺织有限公司污水处理厂的二级出水，污水水质为：COD 200~300 mg/L，pH 6.8~7.1，色度为200~260倍。
2.5 分析方法
试验过程中对系统进水、ASBR上清液、MBR上清液、膜出水水质进行了测定，包括COD、色度、pH、铁盐、硬度等。其中，上清液水质测定是将反应器中的混合液用定性滤纸过滤后所得到的滤液。各个测定项目和分析方法均采用《水和废水监测分析方法》[5]中的标准方法。
2.6 数据处理
试验数据采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.5和SPSS 21.0等软件处理。
3. 结果与分析
3.1 两系统对有机物的去除特性
3.1.1 两系统对COD去除效果
图1和图2分别为S1和S2对进水中COD的去除效果。由图可知，对于S1，采用单纯的MBR工艺时，系统进水COD变化范围不大，最大值为116.05 mg/L，最小值为89.32 mg/L，平均值为104.15 mg/L，出水COD变化范围在36.9~72.32 mg/L之间，出水COD平均值为59.35 mg/L。MBR上清液COD在运行第9天后开始出现明显的上升趋势，这是由于膜的高效截留作用，将大分子有机物，包括溶解性微生物代谢产物（SMP）截留在反应器中，形成了大量的大分子物质的积累，因此造成MBR上清液COD值越来越高。然而随着运行时间的延长，在微生物产物的作用下，MBR内的微生物经过充分驯化，开始对大分子有机物慢慢降解，上清液COD浓度逐渐降低。另外，当运行时间超过31 d后，MBR上清液COD又出现上升的现象，原因有两方面：（1）HRT的延长：在这段时间MBR池中的水力停留时间由原来的10 h调整至12 h，HRT的延长使反应器中底物浓度相对缺乏，微生物量相对升高，导致F/M很小，微生物间争夺营养的矛盾异常尖锐，由于底物营荞的极度贫乏导致微生物大量的死去。同时，随着微生物内源呼吸速率的增加，又会产生大量的不可生物降解的溶解性微生物代谢产物（SMP）[6]，使得混合液上清液的COD上升；（2）温度：活性污泥中微生物的生理活动与周围的温度关系密切，在15℃~30℃温度范围内，微生物的生理活动旺盛，在此温度范围外，均会导致活性污泥反应程度受到某些不利影响[7]，而在这段时间内MBR池中的温度基本维持在11℃左右，导致活性污泥生化效果变差，所以上清液COD有所上升。
3.1.2 各系统种COD去除率的分配
图3和图4为S1和S1中COD去除率的分配情况。由图3可知，S1对COD去除率的贡献为4.9%~36.8%，平均则为26.8%，膜组件截留作用对COD去除率贡献在4.1%到37.9%之间，平均为22%左右，从而可以使总去除率达到43.1%。这说明在MBR反应器中虽然微生物对有机物的降解起主要作用，但效果并不稳定，而膜的分离作用则是保证系统出水水质稳定的关键，进一步加强了处理系统对COD的去除效果。
由图4可以看出，对于S2，即采用ASBR-MBR组合工艺时，在运行的前8天，厌氧序批式反应器去COD的去除率很低，平均为4.9%，甚至前3天还出现其上清液COD比进水高的现象，因为ASBR中的泥取自于某污水厂好氧生化池经密闭隔绝空气15天而形成的厌氧泥，其混合液种的COD较高才导致这种现象，随着系统的稳定，ASBR对COD去除率在9.5%~47%之间，平均为27%左右。膜生物反应器对COD去除率的贡献平均为31.2%，膜组件对COD去除率的贡献在12%~45.7%之间，平均为29.3%。
图5 各系统对水中色度的去除
Fig.5 Chromaticity removal of S1 and S2
3.3 浊度和SS的去除
浊度、SS及细菌的去除机理：膜过滤原理。中空纤维膜的分离机理是筛孔分离机理，在中空纤维膜壁上有数纳米（有制膜技术控制筛孔大小）的贯通孔，在压力驱动下，尺寸小于膜分离孔径的分子或粒子，可穿过纤维壁，而尺寸大于膜分离孔径的分子或粒子则被纤维壁所截留，从而实现大小粒子的分离[10]。
浊度是水中除溶解态的分子、离子和粒度很大的物质以外，不同大小、比重、形状的悬浮物、胶体物质和微生物等杂质对光线散射和吸收所产生的一种光学性质，是表示水质的重要物理外观指标之一。本实验S1和S2系统膜出水的浊度均小于3 NTU，原因在于产生浊度的物质的粒径一般在0.01~0.05 μm，通常远大于膜孔径。因此，膜组件截留水中微小絮凝体，去除水中残留的悬浮固体和部分有机物的作用显著。膜生物反应器处理印染废水的浊度主要依靠膜组件的机械截留作用。
对于SS，由于膜的高效截留作用，S1和S2的出水均未检测出SS，及两系统出水清澈，无味，无可见悬浮物，这说明其出水水质项目中SS的处理效果比传统的活性污泥要好的多。同时S2在运行前期出现污泥膨胀现象，但由于膜的高效截留作用，膜出水也未检测出SS，所以不论膜生物反应器内的污泥是否膨胀，都对出水水质的SS不产生任何影响，充分体现了膜生物反应器的优越性。
3.4 铁盐的去除
S1和S2对水中铁盐的去除如图6所示。从图6中可以发现采用单纯MBR工艺（S1）时，其进水铁盐浓度为1.90 mg/L，MBR上清液中铁盐浓度为0.85 mg/L，出水铁盐浓度为0.25 mg/L，系统对铁盐的总去除率为86.8%，MBR的生化作用去除率为55.3%，膜过滤的贡献为70.6%；而采用ASBR-MBR组合工艺（S2）时，其进水铁盐浓度是1.95 mg/L，ASBR上清液中铁盐的浓度为0.72 mg/L，MBR上清液中铁盐的浓度为0.30 mg/L，出水中铁盐的浓度为0.05 mg/L，S2对水中铁盐的总去除率为97.4%，其中，ASBR贡献率为63.1%，生化系统贡献率为58.3%，膜过滤的贡献率为83.3%。这两种工艺对铁盐的去除效果都比较好，ASBR、MBR和膜组件都起到了一定的作用。其中ASBR、MBR污泥中的微生物在废水中，在一定时间内对铁离子几乎同时有静电吸附作用、酶的催化转化作用、螯合或络合作用、絮凝作用和包藏共沉淀作用，以及对pH的缓冲作用，使得铁离子沉集，另外还有部分为膜及其覆盖层所截留，使得废水得到净化。
图6 各系统对水中铁盐的去除
Fig.6 Malysite removal of S1 and S2
3.5膜区生物相的变化
本试验通过高倍显微镜每天对MBR滤池中的活性污泥进行生物相的观察。对于S1，即采用单独的MBR工艺时，在系统运行的前期阶段，污泥外观呈灰褐色，污泥絮体大而松散，和水相区别明显，生物相比较丰富，有大量的漫游虫，有部分的豆形虫、肾形虫、循纤虫和草履虫，钟虫极少且活性不高，形体较瘦。当反应器处于稳定运行阶段时，污泥外观呈黄褐色，絮体变得非常细碎，和水相混合成均一粘稠的液体，污泥过滤性能变差，生物相中动物主要以钟虫为主，但数量不多，活性也不大，形体仍然较瘦小，可能温度过低造成。试验后期阶段，污泥外观呈灰黑色，污泥浓度较低，絮体细小，生物相中仅有极少数的钟虫，甚至到最后几天基本上已没有微生物，原因可能有三个：一是由于实验需要调整了水力停留时间，使容积负荷过低从而导致微生物处于内源呼吸阶段，从污泥浓度变低也能说明这一点；二可能是第一阶段实验的后几天温度基本保持在11℃左右，温度过低造成；三是由于活性污泥的吸附和膜的高效截留使无机物含量过高，污泥出现老化现象。
4. 讨论
由S1和S2两系统的对比试验可知，在COD、色度、铁盐和硬度等污染指标的去除效果上，S2系统优于S1系统，即ASBR-MBR组合工艺优于单纯的MBR工艺；另外，ASBR-MBR组合工艺可以在短的水力停留时间、高的容积负荷、低的污泥负荷下运行且能达到预期处理目标；除此之外，在膜通量衰减方面，ASBR-MBR组合工艺处理此类废水时膜的衰减程度远远低于单纯MBR工艺。因此，ASBR-MBR组合工艺较适于印染废水的处理。
5. 结论
由上述试验结果，可得出如下结论：
1.ASBR-MBR组合工艺对COD的处理效率高于单纯的MBR工艺。当进水COD平均浓度为137.48 mg/L时，S1和S2中MBR上清液和出水COD平均值分别为76.4 mg/L和81.3 mg/L、59.35 mg/L和57.03mg/L。
2.S1和S2中膜组件对废水中有机物去除的贡献率分别为22.04%和29.25%，其余则由生物处理单元降解。膜可以通过膜孔筛滤、膜孔和膜表面的吸附、膜表面的沉积层的筛滤和吸附等三方面的作用完成对溶解性有机物的进一步去除。
3.相比于S1，S2对印染废水具有更明显的脱色效果，其对水中浊度、SS的去除效果亦优于S1。
4.两系统的膜区生物相在实验运行过程中均遵循着相同的演变规律：前期阶段生物相比较丰富，有大量的漫游虫，有部分的豆形虫、肾形虫、循纤虫和草履虫；稳定运行阶段生物相中动物主要以钟虫为主。不同的是采用ASBR-MBR组合工艺，在运行稳定时出现少量轮虫。
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作者简介：
吴永，1986年12月出生，江苏省宿迁市，郑州大学/水利与环境学院，环境工程/大学本科 工作单位：浙江海元环境科技有限公司，水处理工艺设计。
论文作者:吴永
论文发表刊物:《基层建设》2015年26期供稿
论文发表时间:2016/3/23
标签：污泥论文; 废水论文; 工艺论文; 组合论文; 微生物论文; 反应器论文; 作用论文; 《基层建设》2015年26期供稿论文;