膜生物反应器结合臭氧工艺在工业区水回用处理中的应用

2021-01-09王丽娇

化工设计通讯 2021年7期

朱鹏，熊芬，王丽娇

（1.湖北荆州环境保护科学技术有限公司，湖北荆州 434000；2.台州市污染纺织工程技术中心，浙江台州 318000）

工业发展与经济进步相辅相成，为人们生活和国家发展提供经济基础，但过快的工业发展速度也带来了严重的环境污染，尤其是工业废水的肆意排放严重影响了水环境，为做好工业废水回收处理工作，技术人员不断探索研究，将膜生物反应器与臭氧工艺结合，进行污水处理回收应用。膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor，简称MBR）是膜分离技术与生物处理技术相结合的新型污水处理工艺，适用性强，污水处理效果好，而臭氧作为一种强氧化剂，在污水处理工作中具有独特优势，臭氧催化氧化期间部分臭氧会吸附在催化剂表面，多数臭氧会溶解在水中，水中的臭氧受到催化剂作用，发生氧化反应，去除污水中含有的有机物的目的，而臭氧氧化生成的氧化产物则会脱落。因此膜生物反应器与臭氧工艺的良好结合，在工业回水应用中使用效果良好，在此背景下，做好此项技术的深入研究具有深刻的现实意义。

1 膜生物反应器简介

膜生物反应器在工业废水处理中应用广泛，主要包括分离膜生物反应器和无泡膜生物反应器两种，分离膜生物反应器作为应用广泛，净水效果较好的一种膜生物反应器其中包含的膜组件相当于二沉池，能够很好地截留污泥，而无泡膜生物反应器则能够直接供应高纯度的氧，气体分压控制得当。

1.1 MBR的技术优势

相对传统净水回收装置，MBR所具有的技术优势主要体现在它本身具有较好的工艺控制能力，出水水质较高，应用简单，占地面积小，同时，膜生物反应器所具备的膜组件取代二沉池能够获得更高的生物浓度，提高水质质量，并且膜普遍具有高截留作用，能够使微生物完全截留在反应器内，消化效果较好，废水中的大分子成分能够在足够的反应时间内完全排出，基本实现了剩余污泥的完全排放，总体来讲，使用简单，性能优秀，不受污泥膨胀因素影响。

1.2 MBR研究热点问题

MBR技术虽然拥有多项优势，应用效果较优，但实际应用过程中仍存在不少问题，具体的研究热点包括膜的物理化学反应，吸附反应等。首先是膜污染问题，膜污染是指膜的微粒或溶质分子与膜发生了反应，某些溶质发生变化，引起膜表面的吸附，从而导致膜孔径减小，造成堵塞或者膜沉积。将膜生物污染分为两个主要阶段，首先是微生物代谢产物在膜表面吸附，净水微生物中黏附速度快的细胞形成了初步的黏附。其次是最终的污染阶段，后续大量菌种和大分子物质的黏附加剧了微生物繁殖，这一阶段的膜基本趋于稳定，此时生物污染膜基本已经形成最终状态，膜通量下降，造成了不可逆转的堵塞，抗污染能力有效提高。

2 臭氧工艺技术

2.1 臭氧催化氧化反应机理

臭氧催化氧化技术是近些年来新出现的污水处理工艺，这种技术是在单纯的臭氧氧化基础上进行了改进优化，解决了单纯臭氧氧化技术应用率较低，实际应用效果差强人意的问题，臭氧催化氧化技术通过氧化性强的氮化催化剂实现水中污染物的处理，其中一些稳定性的氧化物也能够被臭氧分解，氧化效率高，污水处理效果好。均相催化氧化技术主要以离子形式将主族金属的主要成分掺入废水中，从而显著提高了臭氧的利用率并提高了有机物的净化效果。臭氧的一次催化氧化反应的机理是水中的金属离子促进臭氧的分解，促进水体中的氧与有机物的混合，通过氧化作用分解易腐烂的有机物，达到净水目标。非均相催化氧化反应是可以在水中和催化剂中同时发生的反应，有机污染物吸附在臭氧表面并引起氧化反应。臭氧可溶于水以形成游离态，该游离态会被水中的有机污染物催化和氧化，该过程是未吸附的氧化反应。非均相催化氧化技术的优势是低催化损失和水资源的清洁作用佳。

2.2 臭氧在废水处理中的应用

臭氧催化氧化技术在废水处理中应用是比较广泛的，工业废水的臭氧处理是指臭氧发生量高于0.5kg/h的处理系统，几乎所有类型的工业废水都能被合理有效地回收利用，臭氧氧化催化系统在工业废水回收应用中应用广泛，净水效果优秀，但也存在臭氧消耗量过大，能耗过高等问题，因此建议采用臭氧氧化与生物降解相组合的方式降低臭氧用量，提升污水处理效益。

3 MBR+臭氧工艺在工业区水回用中的应用

3.1 工程概况

此次工业水回用项目位于某工业区，占地总面积达10 m2，每日污水排量近5 000m3，日污水处理量达200 m3，处理后的水用来进行绿化灌溉，具体指标如下：COD≤350mg/L，NH3-N≤30mg/L，BOD≤200mg/L，pH为6~9。项目园区的部分工业废水经专门设计用于深度处理，处理后的水质符合《城市污水回收和城市杂用水质》（GBT 18920—2002）的标准。根据生产、使用、安全和健康要求，充分结合实际，做好管道工程和园林绿化设施工业回水利用。污水回用处理主要结构是均化调节池、水处理池和机房等，工艺管道铺设在地下沟槽中，沿着管道沟槽铺设，控制电缆铺设在地下电缆沟槽中。根据项目的水质指标，采用了膜生物反应器处理工艺，以节省空间并方便后续操作。

3.2 主要构筑物及设计参数

3.2.1 预处理系统

膜生物反应器处理工艺的预系统包括调节池，粗、细格栅，膜格栅等。系统设计流量为Q=200m3/d，总变化系数为1.91。考虑到初始管道网络系统的完整性和项目第一阶段的规模小，在预处理系统中增加了一个均化调节池，确保工业废水处理的水质和水量均衡，以减少冲击负荷并确保系统稳定运行。预处理中包含了一道粗格栅通道的尺寸为12m×7m×4.7m，水流速为V=0.6m/s，主要为钢混凝土结构。调整后的水箱尺寸为14m×12m×7.7m，停留时间为8h，钢筋混凝土结构的数量相同。提升泵房的大小为12m×6m，是在调节和钢框架混凝土结构中建造的，同样为钢混凝土结构。细格栅和旋流沉砂池一起建造，小格栅之间的尺寸为12.6m×4.0m×1.2m，旋流沉砂池的直径为1 830mm，设置有两个。旋流沉渣池产生的废物进入膜格栅，膜栅的入口通道分为两个通道，膜栅的结构尺寸为12.8m×4.0m×1.2m，超细转鼓式格栅位于入口处，通道与膜栅的烧烤杆之间的距离为1mm，安装角度为5°。转鼓式格栅上的栅渣被泵送到螺旋挤压脱水机，然后送到垃圾车向外运输。

3.2.2 生化池

MBR处理与臭氧化处理技术相结合能够实现更佳的氧化处理效果，达到净水目标。此次项目中的再生水厂一期工程中，主要采用了AAO处理工艺，包括一个厌氧区，两个缺氧区和两个好氧区，本项目的进水网管主要由政府进行统一的规划设计，本身就具有较好的雨污分流改造功能，水质基本能够满足设计需求，另外，系统本身具有较好的可生化性能，原水经过水井进入厌氧区后，生物池内又分为五条廊道，分别具有隔墙设置，反应池中的污泥通过水泵提升回流到好氧区的前段部分，剩余的污泥则进入到储泥区域，污泥处理率较高，即使是在进水碳源不足的情况下，也能够通过补充乙酸钠的方式满足脱氮需求。

3.2.3 MBR膜系统

MBR膜系统作为膜生物反应处理器与臭氧技术相结合的工业回水处理工艺的核心，相当于传统的二沉池固液分离和颗粒滤料滤池，主要功能为过滤，本次项目所使用的MBR膜系统，内部构造复杂，包括膜系统风机房、膜系统加药间等，风机房的平面尺寸为6.5m×6m，而系统建设的平面尺寸为9m×7m，设计安装规格为200m3/d，为降低内部负荷对膜系统的影响，要求做好预留膜箱位置确定。

3.2.4 臭氧氧化

臭氧氧化车间主要包括臭氧发生间以及接触反应系统，这几项系统非常直接地表明了臭氧氧化净水的过程：①首先是臭氧氧化作用的发生区域，工业废水、污水进入到臭氧氧化池中，经过膜池出水泵的提升后，可以直接与臭氧接触，经过井底的两个过水孔进入到臭氧氧化池，然后接至活性炭过滤口，实现活性炭吸附。②接触反应系统膜生物反应器相结合的新技术必须做好主要参数的设计，保证其臭氧接触池为臭氧反应区和出水井两部分，现将臭氧氧化反应区分为两组，每组分为两个接触区域，臭氧投加比例为1∶1。

3.2.5 活性炭吸附装置

活性炭吸附装置主要由活性炭吸附罐及其反冲洗系统组成，用臭氧氧化实现第一步净水后，水中的高分子量有机物转化为小分子有机物，废水在通过活性炭时，其中的有机物分子被吸附到活性炭表面，从而达到深水净化的目的。从技术优势上来，活性炭吸附装置清洁力好，使用简单，不会造成水质二次污染。

3.3 技术优势

膜生物反应处理器与臭氧氧化技术相结合的污水处理技术结合先进现代手段，使用膜组器代替沉淀池，实现固液分离和净水作用，拥有出水水质稳定、水量高、净化效果好、污泥排放量高等优势，同时，结合了两项优质技术的污水处理手段，自动化程度更高，占地面积小，使用简单，工业废水污水处理完后可以直接作为中水回用，同时，生物膜又具有避免各种微生物细菌存活，降低污泥的能力，因此能够显著减少污水处理费用，最后，此次选用的膜反应器与臭氧氧化技术相结合的新型工艺，属于特色技术，设计要求较高，实际应用价值较高。

3.4 运行效果与价值

膜生物反应器污水处理技术本身就具有使用效果好、占地面积小、污染小等优势，与臭氧氧化技术相结合后其净化性能更进一层楼，本身所具有的膜组能够代替沉淀池进行过滤反应，提供自动化程度更高，处理污水效果更好的生物膜。另外，其中所包含的高浓度微生物污泥处理质量高，不需要单独设立固液分离设备，既提高了自动化管理水平，又实现了简单易行的污泥处理，此次项目使用了膜生物反应器与臭氧氧化技术相结合的新技术，施工成本有效降低，污水回收利用效率显著提高，最后，回收利用的污水可以用来进行绿植灌溉，既降低城市水资源消耗率，也能培养人们的节约意识。