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1、巾国摩 学通攉 2 0 1 0，2 6(1 0)：3 2 8 3 3 2 Ch i n e s e Ag ric ul t ur a l S c i e nc e Bul l e t i n MB R工艺处理石榴浓缩汁生产废水 的应用研究 周荣清，季玉祥，唐文浩(海南大学环境与植物保护学院，海南儋州 5 7 1 7 3 7)摘 要：采用规格为 3 m d 的一体式中空纤维膜生物反应器(MB R)对某果汁厂石榴浓缩汁生产废水进行 了净化处理应用研 究。实验结果表明：当进水 C O D。为7 5 6 1 0 9 7 mg L时，出水 C O D。为3 4-9 5 mg L，C OD 去除率为8 9
2、 5 9 7 0。膜的截 留作 用占总去除率的 l 0 2 0。该装置连 续运行 了6 0 天，出水 均稳定达到排放标 准。采 用膜生物反应 器工艺处理果 汁废水技 术可行、操作 简单、易于管理，可节省 5 0 左右的添加 营养物质氮磷的成本，为工业规模应用提供 了技术参考。关键词：膜生物反应器；果汁废水；应用研究 中图分类号：S 3 文献标志码：A 论文编号：2 0 0 9 2 5 9 6 Ap p l i e d Re s e a r c h o n t h e Tr e a t me n t o f W a s t e wa t e r f r o m t h e Co n c e n
3、t r a t e d Po me g r a n a t e J u i c e Pr o d u c t i o n b y M BR Pr o c e s s Z h o u Ro n g q i n g，J i Yu x i a n g，T a n g We n h a o (C o l l e g e o fE n v i r o n me n t a n d P l a n t P r o t e c t i o n，H a i n a n U n i v e r s i t y，D a n z h o u Ha i n a n 5 7 1 7 3 7)Ab s t r a c t
4、：W e u s e d a s u b me r g e d h o l l o w fi b e r me mb r a n e b i o r e a c t o r w i t h s p e c i fi c a t i o n o f 3 m d f o r t h e t r e a t me n t o f w a s t e w a t e r fr o m t h e c o n c e n t r a t e d p o me g r a n a t e j u i c e p r o d u c t i o n f r o m a j u i c e f a c t o
5、 r y T h e r e s u l t s o f t h e e x p e r i me n t s h o we d t h a t w h e n t h e i n l e t C ODc l e v e l wa s 7 5 6-1 0 9 7 mg L，i n t h e e f fl u e n t o f t h e r e a c t o r i t d r o p p e d d o wn t o 3 4-9 5 mg L R e mo v a l r a t i o s o f a b o u t 8 9 5-9 7 0 h a d b e e n o b t a
6、 i n e d for CO Dc Ab o u t 1 0-2 0 o f C O D c w a s c a u g h t b y me mb r a n e T h e MB R w a s c o n t i n u o u s l y o p e r a t e d fo r 6 0 d a y s t o t r e a t j u i c e wa s t e w a t e r，wh i c h wa s i n s t a b l e c o n d i t i o n，a n d me t t h e d i s c h a r g e s t a n d a r d
7、I t p r o v e d t h a t t h e p r o c e s s i s f e a s i bl e，wh i c h i s s i mpl e t o o p e r a t i o n，a n d e a s y t o ma n a g e me n t W h a t i s mo r e，i t c o u l d r e d u c e a b o u t 5 0 o f t h e c o s t o f a d d i n g n u t r i e n t s n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s，i t
8、 c o u l d b e r e f e r e n c e for t h e j u i e e o f i n d u s t r i a l s c a l e MB R p r o c e s s f o r t r e a t m e n t o f t h e j u i c e w a s t e w a t e r Ke y w o r d s：MB R；j u i c e w a s t e w a t e r；a p p l i e d r e s e a r c h 0 引言 国内许多果汁生产企业在果汁废水的治理工作上 并不十分成功，大部分企业都未能做到长期稳定达标
9、，而造成不能正常运行或不达标的主要原因是这类废水 的处理工艺大多仿照其他高浓度有机废水的处理工艺 设计，没有考虑到果汁废水的 自身特点，以至于很多都 在启动和运转过程 中产生了一系列问题【”。膜生物反 应器(MB R)是膜 技术和污水生物处理技术有机 结合 产生的废水处理新工艺，近年来 已被逐步应用于城市 污水和工业废水的处理。它是用膜分离装置代替普 通活性污泥法 中的二沉池，不仅 能高效地进行固液分 离，而且膜的高效截 留作用有利于在生物反应器 内维 持高浓度 的微生物量；耐冲击负荷从而提高了处理装 置 的容积负荷，占地面积小，工艺设备集 中；通过提高 容积负荷、降低污泥 负荷 以及延长泥龄
10、可以减少剩余 污泥排放，甚至可 以实现基本无剩余污泥排放；出水水 质好，可以直接回用于非饮用水，实现污水资源化。特别是 1 9 8 9 年，人们将 中空纤维膜与活性污泥法组合 工艺处理污水，其运行成本降低到常规活性污泥法可 比的水平。反应器运行控制灵活稳 定，整个系统 由 第一作者简介：周荣清，男，1 9 7 8 年出生，福建宁德人，硕士研究生，研究方向：水污染控制技术，通信地址：5 7 1 7 3 7 海南省儋州市宝岛新村，海南大学 环境与植物保护学院，T e l：0 8 9 8 2 3 3 0 1 0 6 4，E ma i l：z r q 0 4 2 1 1 6 3 c o n。通讯作者：
11、唐文浩，男，1 9 5 6 年出生，四川南充人，教授，水污染控制工程，T e l：0 8 9 8 2 3 3 0 1 0 6 4，E ma i l：T w h 1 2 2 9 1 6 3 c o n。收稿 日期：2 0 0 9 1 2 0 9，修回 日期：2 0 0 9 1 2 1 8。周荣清等：MB R工艺处理石榴浓缩汁生产废水的应用研究 3 2 9 可编程控制(P L C)实现 了全 自动化控制，应用 前景广 阔。目前 国 内对 石榴榨汁废水处理 技术研 究几乎空 白，石榴浓缩汁生产加工企业 的生产废水未经处理就 直接排放p ，成为重要的环境污染源 和限制企业进 一 步发展的瓶颈。此研究采
12、用一体式 中空纤维膜生物反 应器与传统的活性污泥法相结合处理石榴浓缩汁生产 废水，以期为果汁企业改造 原有废水处理设施提供一 条新的思路。1材料与方法 1 1实验装置 实验装置流程如图 1 所示。整个装置 由生物反应 池和膜组件组成。生物反应池为完成混合式好氧活性 污泥曝气池，其长、宽、高分别为 1 0、0 8、1 2 m，有效容 器 0 8 m。生物反应池 内置聚丙烯(P P X5 0 抗污型改 性进 口P P)浸入式 中空纤维膜 组件五块，其有效面积 为 5 8 3 9 m，每根纤维的有效长度为 7 5 0 mi l l，膜孔径 为 0 1 0 2 la m，纤维内径为 3 2 0 3 5
13、 0 I t m，壁厚为 4 0 5 O I t m。膜 组件下 方设穿孔管 曝气，曝气量控制在 4 2 7 5 m h。中空纤维膜间歇运行，抽吸频率为开 8 mi n，停 2 mi n。真空压力表用于监测在运行过程 中膜过滤 压力的变化，液位计用于控制活性污泥反应器的液面，流量计用于测定膜 出水 的流量。整个系统 由P L C实 现了全 自动化控制。图 1实验装置工艺流程 图 1 2 试 验 用 水 试验用水取于某浓缩石榴汁厂废水处理站水解酸 化池里的废水。试验用的果汁废水水质见表 1。污泥浓度(ML s s)和 以上项 目的测试均采用 国家 标准方法进行监测】。l-3工 艺流 程 废 水
14、先 经絮 凝 沉 降去 除大 部 分 的 固体 悬浮 物(S S)，同时调整 p H适应后续的生化处理，再流入水解 酸化池把难生化处理的有机质水解酸化成易生化处理 的物质，最后 由泵提升经细筛网过滤后进入 MB R。水 1 4 运 行 过 程 该研究 MB R运行分为四个阶段。在第 1 l 0 天期 间为污泥驯化期，未驯化的污泥取 自该果汁废水处理 站 的水解酸化池中，污泥经过筛后，装入 生物反应池，以间歇方式运行使得微生物得 以富集，在 ML S S 达到 3 g L时认为系统启动期结束，进入稳定运行期。稳定 运行期为6 0 天。在第 1 l 3 0 天期间(A阶段)不添加氮 磷 营养源；在
15、第 3 1 5 0 天期 间(B阶段)添加氮磷营养 源，氮磷添加量按照以弥补果汁废水中氮磷元素不足 的量为准，按m(C OD )：m(N)：m(P)=2 0 0：5：1 E9 1 添 表 1果汁废水水质 3 3 0 中国农学通报h t t p：ww w c a s b o r g c n 加；在第 5 1 7 0 天期(C阶段)问添加氮磷营养源，添加 量按照正常添加量一半为准，按m(C OD )：m)：m f P)：4 0 0：5：1 添加。在运行过程中，定期从MB R的 进水、混合溶液及 出水各取出 1 L，分析其 中的C OD m ML S S、NH，一 N及 T P的浓度变化。在连续进水
16、条件下，考察在不同的条件下，MB R对主要 目标污染物的去除 效果以及正常处理果汁废水所需添加缺乏营养源氮磷 的量。2结果与分析 2 1 MB R中污泥 浓度 的 变化 图 2 给 出MBR运 行过程 中反应器 中ML S S随 时 间的变化。从 图2 可 以看 出，在未添加氮磷营养源 的阶段，MB R中的 ML S S始终在 3 g L上下波动，并有一定 的 下降趋势，这是 由于废水 中缺乏氮磷营养源抑制 了活 性污泥 的增 长；按照 B阶段配 比添 加氮 磷 营养源，_，Q 1 O 8 一 p(ML S s)6 4 2 一 0_ MB R中 的ML S S迅速 提 高到 8 g L，然后在
17、 8 1 0 g L 上下波动；再按照 C阶段配 比添加氮磷营养源，MB R 中的 ML S S还 在 8 1 0 g L上下 波动，但 没有 下 降趋 势。三个阶段对 比可 以看 出：果汁废 水虽然是高浓度 的有机废水，但 是营养源氮磷 的缺乏，活性污泥生长 会受到一定的限制；按照完全混合活性污泥法 的微生 物生长所 需要 的碳氮磷 比例 添加缺乏 的氮磷，MB R 中的ML S S就会迅速提高到工艺设计的理想水平；之 后即使是按照完全混合活性污 泥法的微 生物 生长所 需要的氮磷正常量的一半添加，MB R中的ML S S 也没 有 降低，即MB R中的微生物生长不会受到限制。这 主 要是
18、由于膜对 于废 水水质 的高活性微生物 的截 留 和 富集作用，以及 MB R长时 间不排污泥，使得 MB R 中的氮磷损失速度 比常规活性污泥法慢的多。这就 为处理果汁废水 节省 了5 0 添加所缺乏氮磷营养源 的费用。1 l】2l 3l 4l 51 图 2 ML S S随时间的变化 2 2 MB R对 C O DC r 的去 除效 果 MB R进水 C OD MB R出水 C O D c，随时间的变化 曲线如图3 示。由图3 可 以看 出，稳定运行期，进水 C O D0 为7 5 6 6l Ti me d 1 0 9 7 mg L时，出 水 C OD c 为 3 4-9 5 mg L，MB
19、 R对 C O D 平均去除率在 8 9 5 以上，出水的 C O D 都达到 污水综合排 放标准)(GB 8 9 7 8 1 9 9 6)q h的一级标准。这种效果的可能原因：絮凝沉降与水解酸化起了预 l1 21 31 41 51 图3 C OD。处理情况 90 O 8 5 0 8 0 0 更 Q0U 0 q 8 疆。一 譬 0 g星 O 5 1 9 塞 0 0 O O O O D 伽 枷 。一 1，窘 I I I v (盆0 u q 周荣清等：MBR工艺处理石榴浓缩汁生产废水的应用研究 3 3 l 处理 的作用，絮凝沉 降去除 了大部分的 S S，水解酸化 提高 了废水 的可生化，为后续
20、MB R创造 了有利条件。MB R中的固液分 离功能使反应器 内可保持较高的 活性污泥的浓度，从而提高 了MB R的处理能力。膜 组件表面所形成 的凝胶层能够截 留水 中可溶性大分子 有机物，使其在活性污泥系统 中有足够 的停留时间，利 于提高难降解大分子有机物的处理效率和促使其彻底 的分解。膜组件的高效截留作用避免了活性污泥 的 流失，富集了大量难降解有机物分解菌，使活性污泥和 有机物的作用时间大于MB R水力停 留时间，从而提高 了有机质 的去 除率。从而 MB R提 高了对 C O D 去除 率。2 _ 3 MB R添加氮磷的量及对NH，一 N、T P的去除效果 试验稳 定运 行期 间M
21、B R进水、上清液及 出水 的 N H 一 N、T P的 浓 度 变 化 如 图 4、图 5所 示：进 水 的 N H，一 N、T P分 别为 3 O 5 2 0 8、0 7 9 4 9 8 mg L；在 出水 的NH 3 一 N、T P分别为 0 3 0 2 8 1、0 0 4 0 1 9 mg L；并 且 都优于 污水 综合排放 标准 (GB 8 9 7 8 1 9 9 6)一级标 准；去除率分别为 0 3 0 2 8 1、8 8 8 9 8 3。在 未添加氮磷营养源：MB R上清液和 MB R出水 的氨氮 浓度差不多，并且都在 0 5 mg L以下，MB R上清液与 25 ，、2 0 b
22、 0 1 5 Z 1 0 Z 包 5 0 MB R出水T P的浓度几乎是零；即只能够维持MB R活 性污泥减速增值期甚至内源呼吸期所需要的氮磷元素 水平，这就是A段性 ML S S 始终 没有提高反而有所下 降的原因。按照B阶段添加氮磷营养源：MB R上清 液的N H，N值与MB R出水的N H，一 N值比较接近，并且 比进水 NH，-N值小 的多，即都在 3 mg L以下，这是说 明氨 氮 的去 除 主 要 来 自生 化 反 应。由于 MB R的 ML S S很高及 MB R可在 HR T很短而 S R T很长的工况 下运行，由于系统的 S R T长，对世代 时间较长 的硝化 菌 的生长繁殖
23、有利，膜 的截留使世代周期长 的硝化菌 得 以富集，并且溶解氧充足，有利于硝化菌的生长，所 以该系统有 良好 的硝化功能。由于氮素以氨氮的形式 添加，极易被 MB R的活性污泥吸收。同时又表明膜对 NH3 一 N的去除基本没有影 响，因NH N在水中是 以水 合氨离子形式存在，属无机小分子，可 自由通过膜的微 孔。MB R上清液与 MB R出水 T P的浓度 很接近并且 都在 0 2 0 mg m 以下。添加的磷营养源只够活性污泥 中的聚磷菌摄取废水 中的磷元 素合成 A T P，再由于膜 的高效截 留作用，磷元素几乎都贮存在反应器 的污泥 中。按照 C阶段添加氮磷营养源：与按照 B阶段添 加
24、 氮磷 营养源 的来处理 果汁废 水 的效果基 本一样，1 i n l e t wa t e r o f M BR 二：一 母 !矗 日 口 口 日 日 霸 日 口 口 口 矗 日 日 B 丑 B 日 日 石 叩 E 日 !=l L 1 1 1 21 31 41 图4 NH 3 一 N处理情况 O 一 5 一_ 4 旨 -3 2 l 、0 B 日口曲矗口日 石日d一日口日石日日a矗矗B矗日a矗a啮 矗_E I l I I 垒 蜜查 BR o f M BR nRn n ooDn n0n OOno R 51 Ti I 1 i 1 l l e t wa t e r o f M BR 1 l 1 2l
25、 3 1 4 1 5 1 图5 T P处理情况 3 3 2 中囤农 孝通报h t t p：www c a s b o r g c n MB R上清液 及出水 的NH 一 N、T P的浓 度 比B阶段 都 小。这是 由于膜组件 的高效截 留作用避免了微生物的 流失，MB R里的活性污泥高效率地充分地利用所添加 的氮磷营养源。表明MB R能利用 自身的截 留和富集 作用，于是 MB R的可 以保持高污泥浓度，延长污泥龄，使得系统可 以在低有机负荷率下运行，低 负荷还减少 了污泥产量，通常只有传统方法的一半左右，在极限情 况下甚至达到零排放，此 时所有 的进水营养都被用来 维持细胞生命而不是增殖，在
26、不排泥的情况下，使得 失去活性污泥又成 为MB R中的活性污泥 的营养源。失去活性污泥中氮磷营养源可 以反复的被活性污泥应 用；同时，MB R工艺运行情况下反应器里面 比较难形 成厌氧区，所 以MB R工艺反硝化作用 比较弱；可 以弥 补了果汁废水中缺乏营养元素氮磷的不足。从而节省 5 0 左右的添加营养物质氮磷的成本。2 4 MB R对浊度与悬浮固体(S S)的去除效果 由于膜的高效截 留作用，出水清澈无色无味，感官 形状 良好，几乎监测不出S S。由于膜的分离作用主要 源于膜截 留了大量的大分子颗粒及胶状物质，而混合 液中水或低分子物质能够顺利地通过微孔，达到物质 分离、浓缩、净化的 目的
27、。良好的浊度去除效果表明膜 分离在此工艺中发挥着重要作用，同时也说 明实验所 用膜的截 留率 比较高、性能优 良。2 5 MB R工 艺处理 石榴 果 汁废 水 的效果 表2 MB R工艺处理石榴果汁废水结果分析 3 结论(1)运用 MB R处理石 榴浓缩 汁生产废 水，水力停 留时间在 6 h时 C OD。去除率基本 可 以稳定在 8 9 5 以上。在较高容积负荷下，出水 品质仍能达到一级排 放标准。(2)由于膜 的截留和 富集作用，只要添加普通活性 污泥处理果汁废水所需缺乏的营养元素氮磷一半就能 使MB R正常运行，从而节省 5 0 左右的添加营养物质 氮磷的成本。(3)膜的高效截 留作用
28、，出水无色无味，感 官形状 良好，比较清澈，几乎监测不出S S。(4)MB R出水 水质稳定，膜 的截 留作用对稳定水 质起到 了关键作用。综上所述，一体式中空纤维膜生物反应器运用于 处理果汁废水在技术上是可行的。在运行过程 中，充 分体现了MB R处理效率高、出水水质好、设备紧凑、占 地面积小、易实现 自动控制、运行管理简单，克服 了传 统活性污泥法容积负荷低、剩余污泥多等缺点。参考文献 I J 王立军，于德利，庞 维珍，等 浓缩 苹果汁 高浓度有机废 水处理工程 的改造【J】中国给水排水，2 0 0 6，2 2(2 4)：3 5 3 7 2 B ri n d l e K，S t e p h
29、 e n s o n T A p p l i c a t i o n o f Me mb r a n e B i o l o g i c a l R e a c t o r s f o r t h e T r e a t me n t o f Wa s t e wa t e r s J Bi o t e c h Bi o e n g，1 9 9 6，4 9：6 0l 一 61 0 3 K i mu r a S J a p a n S Aq u a Re n a i s s a n c e 9 0 P r o j e c t J Wa t S c i T e c h，1 9 9 1，2 3(7
30、9)：1 5 7 3 1 5 8 2 4 C h i e mc h a i s r i C，Ya ma mo t o K，Vi g n e s wa r a n S H o u s e h o l d Me mb r a n e B i o r e a c t o r i n Do me s t i c Wa s t e wa t e r T r e a t me n t J Wa t S c i T e c h，1 9 9 3，2 7(1)：1 7 l 一 1 7 8 【5 V a n Dij k L，R o n c k e n G C GMe mb r a n e Bi o r e a c
31、 t o r s f o r W a s t e wa t e r Tr e a t me n t：T h e St a t e o f t h e Ar t a n d Ne w De v e l o p me n t s J Wa t S c i T e c h，1 9 9 7，3 5(1 0)：3 5 4 1 【6 Y a ma mo t o K，Hi a s a H，T a l a t M，e t a 1 D i r e c t S o l i d l i q u i d S e p a r a t i o n Us i n g Ho l l o w F i be r M e mb r
32、 a ne s i n a n Ac t i v a t e d S l u d g e Ae r a t i o n T a n k J Wa t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,1 9 8 9，2 1(4 5)：4 3 5 4 7】李继武，唐 文浩 化 学法对石 榴浓缩 汁生产废水 预处理研 究 J】安 徽农业科学，2 0 0 9，3 7(1 2)：5 6 4 7-5 6 4 8，5 7 1 7 8】国家环保局水和废 水监测分析方法委 员会 水和废水监测分析方 法 M 4 版 北京：中国环境科 学出版 社，2 0 0 2：9 0，1
33、0 5，1 7 9，2 1 1，2 4 3 9 潘 安济 苹 果汁加 工高浓度有 机废水 的处理 J】工业用 水与废水，2 0 0 4，3 5(2)：4 8 5 0 1 0 Mu l l e E B，S t o u tha r mb e r A H_，E i k e b l o o m D H Ae o r b i c d o me s t i c wa s t e wa t e r t r e a t m e n t i n a pi l o t pl a n t wi th c o mp l e t e s l ud ge r e t e n t i o n b y c r o s s fl o w fi l t r a l l o n J Wa t e r Re s e a c r h，1 9 9 5，2 9：1 1 7 9 1 1 8 9