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MBR技术处理啤酒废水
作者:佚名 文章来源:南京蓝污环保 点击数: 更新时间:2014-11-14
 

啤酒废水主要是啤酒生产过程中的糖化、发酵、酿造等工序产生的废水,具有有机物含量高,可生化性好的特点,因此,长期以来生化法是处理啤酒废水的首选方法。目前国内外广泛采用的生化处理工艺,主要包括好氧生物处理(活性污泥法、生物膜法),厌氧生物处理,以及好氧与厌氧联合的生物处理方法。这些方法各自都有成功的经验,但也存在一些不足之处,如处理工艺流程复杂,HRT长,占地面积大,基建投资高,厌氧过程的维护和管理难度大,易发生污泥膨胀等。

膜生物反应器(MBR)是生物反应器处理技术和膜处理技术的组合,它能够在紧凑的空间内同时实现微生物对污染物质的降解和膜对污染物质的分离,有效地解决传统啤酒废水处理工艺的问题。近年来,研究人员加大了对MBR 技术应用于啤酒废水的理论研究,取得了较多的研究成果,本文对已有的试验研究和工程应用成果进行了介绍,并在分析和比较的基础上做了较为深入的探讨。

1 MBR 技术的特点及优势

MBR 技术与传统的啤酒废水处理工艺相比,具有以下几个优势:

(1)出水水质优良且稳定。啤酒废水的N、P含量低,传统活性污泥法容易因C、N 比例失调而产生污泥膨胀,膜过滤技术能够高效地实现固液分离,因而出水不受生物反应器中污泥膨胀等因素影响,出水SS 和浊度接近于零,同时能够有效地去除啤酒废水中的病原微生物。

(2)装置更加紧凑,占地面积小。MBR 的膜组件代替了传统的二沉池,简化了工艺流程,减少了装置的占地面积,同时MBR 中活性污泥浓度较高,提高了容积负荷,因而可以相应减少污泥浓缩储存槽及曝气池的体积,使装置更加紧凑。

(3)系统的硝化效率提高。由于SRT 的延长以及膜的截留作用,使得增殖缓慢的硝化细菌能够较好地生长繁殖,因而大大提高了系统的硝化效率。

(4)抗冲击负荷能力强,便于维护管理。啤酒生产废水间歇排放,水质、水量变化较大,经常导致传统活性污泥法出水水质恶化、稳定性差,而MBR 工艺则因其较高的污泥浓度和膜过滤技术,在进水水质波动的情况下也能实现稳定出水。

(5)剩余污泥量少,节省了处理剩余污泥的部分基建费用和运行费用。

此外,MBR 工艺能够实现HRT 和SRT 的完全分离,使运行控制更加灵活、稳定。MBR 出水水质可以满足目前最严格的啤酒废水排放或回用标准,因此,MBR 在啤酒废水处理及回用方面有着非常广阔的应用前景。

2 MBR 处理啤酒废水的试验研究

啤酒废水的可生化性良好,CODCr的质量浓度为1 000 ~ 2 500 mg/L,BOD5的质量浓度为800 ~ 1 500mg/L,SS 的质量浓度为200 ~ 600 mg/L,pH 值为5 ~ 9,属中等浓度有机废水。国外对MBR 工艺处理啤酒废水的研究较早,近10 年来,我国对MBR 工艺处理啤酒废水的研究发展迅速,主要集中在好氧MBR、厌氧MBR 以及厌氧-好氧MBR 工艺上。MBR 处理啤酒废水的试验研究如表1 所示。

2.1 好氧MBR 的应用

王连军等首次采用好氧外置式无机陶瓷膜生物反应器处理啤酒废水,MBR 对废水的CODCr、NH3-N、SS 等均有良好的去除效果。在MBR 与普通活性污泥法的对比研究中发现,MBR 对CODCr和NH3-N 的去除率分别为96.13%和99.33%,远远高于相同条件下的普通活性污泥法。同时研究发现,由于受循环泵的水力剪切作用影响,MBR 中无原、后生动物存在,但这并不影响MBR 对污染物的高效去除,此现象在MBR 相关研究中鲜有报道。

Cornelissen 等采用淹没式MBR 处理啤酒废水,膜组件为好氧平板膜,结果表明反应器对CODCr和BOD5有明显的去除效果,反应器中悬浮污泥完全被平板膜所截留,系统出水稳定,抗冲击负荷能力强,但反应器的脱氮除磷效果未见报道。张立秋等采用淹没式MBR 处理合成啤酒废水,试验结果表明淹没式MBR 对CODCr和NH3-N 有着较好的去除效果,并且淹没式MBR 具有较强的抗有机负荷冲击的能力;当反应器中的污泥处于增长期时,在生物同化与同步硝化-反硝化的共同作用下,TN具有40%左右的去除率,当污泥浓度处于稳定期时,TN 去除率下降为30%左右,主要是同步硝化-反硝化作用的结果;当污泥处于增长期时,生物同化作用对TP 具有一定的去除效果,而当污泥浓度稳定后,对TP 基本没有去除效果,甚至有时出现负去除率现象。钟璟等采用国产的聚偏氟乙烯中空纤维膜,膜孔径为0.2 μm,构成浸没式MBR 处理啤酒废水,确定了最佳HRT 为10 h,研究发现CODCr和NH3-N 的去除主要依靠生物单元完成,同时膜对CODCr具有高效截留作用,但膜对NH3-N 几乎无截留作用,作者分析认为这主要是因为NH3-N 在pH 值为近中性的水中呈离子态造成的。

2.2 厌氧MBR 的应用

废水厌氧生物技术以其投资省、能耗低、可回收利用沼气能源、负荷高、产泥量少、耐冲击负荷等优点而受到广泛关注。Ross最早采用厌氧MBR工艺处理啤酒废水,在进水CODCr质量浓度为6 700mg/L 的情况下,CODCr的去除率为96%~ 99%。白玲等采用新型浸没式双轴旋转厌氧膜生物反应器(SDRAnMBR)处理模拟啤酒废水,试验采用聚醚砜平板膜,截留相对分子质量为50 kDa,有效膜面积为0.32 m2,研究结果表明,SDRAnMBR 对啤酒废水有较好的处理效果,系统具有启动迅速、负荷提升快、有机物去除率高、耐冲击负荷能力强、运行稳定等特点。在整个试验运行期间,系统没有做任何清洗,也未排泥,这是因为膜截留和三相旋转流的共同作用加强了在高污泥浓度(MLSS)和高负荷条件下运行时的混合和传质,从而强化了SDRAnMBR在高MLSS 和高容积负荷下运行的稳定性,保证了出水水质,系统表现出了良好的抗膜污染性能。

2.3 厌氧-好氧MBR 的应用

鉴于厌氧、好氧工艺各自的优缺点,研究人员开始在啤酒废水处理中使用厌氧-好氧反应器加膜分离装置,这样可以极大地发挥厌氧区对色度的去除效果、好氧区对CODCr的去除效果以及膜分离系统的高效分离作用,从而获得良好的出水水质。

任艳双等选用聚偏氟乙烯中空纤维帘式膜作为膜组件,采用内循环膜生物反应器(ICMBR)处理啤酒废水。反应器是在IC 反应器的第2 好氧反应室设置中空纤维膜组件和穿孔曝气管构成ICMBR集成工艺,其运行特征相当于上流式厌氧污泥床(UASB)和MBR 串联运行,并利用气体提升达到内循环状态,成功实现有机物去除和同步生物脱氮,系统CODCr的去除率基本可达到90%以上,而NH3-N 和TN 的去除率在95%和90%以上。齐美富等采用厌氧污泥复合床(UASCB)-聚乙烯醇MBR复合工艺处理啤酒废水。膜材质为聚乙烯醇,最大孔径为10 μm,膜面积为0.35 m2。将UASCB 作为预处理单元,大幅度减少了进入好氧阶段的有机物量,出水进入聚乙烯醇MBR 进一步处理,系统最终出水水质良好,各项指标均达到了GB 8978—1996《污水综合排放标准》中一级标准的要求。此外,作者对传统MBR 的底部曝气进行改进,将曝气头置于反应器的中部形成垂直方向的DO 浓度梯度,在缺氧和好氧并存的微环境中实现了70%~ 80%的TN 去除率,但该系统对TP 的去除未做研究。陈宇等采用射流曝气MBR 处理啤酒废水,系统中设置有缺氧区和好氧区,试验所用膜组件为管式陶瓷膜,膜孔径为0.1 μm,膜面积为0.1 m2。试验表明,膜的高效截留作用有利于CODCr的去除,同时使系统具有很好的硝化效果,系统对CODCr、NH3-N、浊度去除效果均较好,射流曝气MBR 具有充氧性能好、传质效率高、污泥细碎、比表面积大等特点,为微生物降解CODCr和脱氮提供了良好的条件。但由于系统运行期间不排泥,不利于对磷酸盐的去除,因此该工艺对磷酸盐的去除效果不佳。

3 MBR 处理啤酒废水的工程应用

由于MBR 技术弥补了许多传统处理工艺的不足,人们开始将MBR 技术与传统工艺相结合处理实际啤酒废水。通过设计组合工艺流程,调整MBR 工艺运行参数,组合工艺取得了良好的处理效果,积累了宝贵的实践经验。

刘旭东等应用MBR 中试装置处理啤酒生产废水,工艺流程如图1 所示。

试验采用中空纤维膜,膜面积为40 m2,膜孔径为0.04 μm。试验运行60 d,HRT 保持在3 h,SRT 为90 d,曝气反应池DO 的质量浓度保持在5mg/L 以上,气水体积比为20∶1,活性污泥的质量浓度大于18 g/L。结果表明,应用MBR 工艺处理啤酒废水,技术上具有可行性,装置具有耐有机负荷冲击的特性,出水水质好且稳定,各项水质指标均达到CJ 25.1-89《生活杂用水水质标准》的要求。

彭小明等采用UASB-MBR 工艺处理南昌市某啤酒废水,工艺流程如图2 所示。

膜组件为聚偏氟乙烯中空纤维膜,膜通量为0.1m3/(m2·d),MLSS 的质量浓度为8 ~12 g/L,HRT 为21.6 h,DO 的质量浓度为2 mg/L。把UASB 作为预处理单元,在降低啤酒废水污染物浓度的同时,可回收利用所产生的沼气,同时降低好氧段的曝气能耗和剩余污泥产量。试验结果表明,UASB-MBR工艺对啤酒废水具有良好的处理效果,系统耐冲击负荷能力强。采用MBR 技术,使得工艺流程简化,大大减少了操作维护的难度,处理后的出水各项指标均达到GB 8978—1996 一级标准的要求。

Dai Haiping 等采用MBR 工艺处理天津市某啤酒废水,系统设计处理能力为4 000 t/d,工艺流程如图3 所示。

膜组件为外压中空纤维浸没式膜组件,材质为聚偏氟乙烯,膜工作压力为10 ~ 50 kPa,好氧池DO的质量浓度控制在2 ~ 3 mg/L,膜池污泥的质量浓度控制在6 ~ 8 g/L,气水体积比控制在12 ∶ 1 ~ 15 ∶1。运行结果表明,在进水CODCr的质量浓度为642 ~ 1 626 mg/L、NH3-N 的质量浓度为15 ~ 35mg/L、TP 的质量浓度为0.6 ~ 14.0 mg/L、TN 的质量浓度为19.5 ~ 41.1 mg/L 的情况下,MBR 产水CODCr、NH3-N、TP、TN 的质量浓度分别小于50、5、0.3、5 mg/L,出水水质优于GB/T 18921—2002《城市污水再生利用景观环境用水水质》的要求。

MBR 技术在啤酒废水处理中已有一些工程应用,今后会受到更大的关注。随着工程应用中废水处理规模的进一步扩大,MBR 技术处理啤酒废水的工程设计和运行经验需要及时总结与完善。目前,制约MBR 技术应用于工程实践的因素主要有投资及运行费用较高,能耗较高以及膜污染问题等。然而,随着性能优良、价格低廉的新型膜材料和工艺的不断出现以及MBR 技术在啤酒废水处理领域研究的逐步深入,膜污染问题得到有效解决,MBR 技术也必将在啤酒废水的实际处理中得到广泛的应用。

4 MBR 处理啤酒废水的膜污染问题

在长期运行过程中,膜不可避免地会受到污染,导致其通量逐渐降低。膜污染一般分为可逆污染和不可逆污染。这主要是因为微生物代谢产生的多糖类黏性物质和污泥附着在膜表面引起膜污染,因此必须对膜进行清洗。

常用的膜清洗方法有机械清洗法、化学清洗法及机械、超声波和化学清洗相结合的方法。对于啤酒废水所引发的膜污染现象,目前多采用物理和化学相结合的方法进行清洗。宋晓丽等在啤酒废水造成膜污染的初期定期对膜进行反冲洗,当膜污染严重时,通过先反冲洗10 min,再用0.05mol/L 稀硫酸溶液浸泡2 h,溶解出凝胶层和结合在有机大分子间的无机金属离子,然后用0.5 mol /L 的氢氧化钠溶液浸泡2 h,清除有机物、二氧化硅及生物污染物质,最后用2% NaClO 溶液浸泡2h,氧化并杀死滋生在膜面上的微生物,清洗后膜的渗透通量可恢复到新膜的75%以上。Tian 等的研究表明,向反应器中直接添加絮凝剂等可以减轻膜污染。封莉等的研究表明,投加PAC 可以改变反应器内污泥混合液特性,防止膜污染,延长膜组件的工作周期。Mohiuddin 等通过有无投加PAC的2 组对比试验证明,PAC 能减缓跨膜压差的变化,减轻膜污染。事实上,目前在水处理领域关于膜污染防治的最主要的研究方向是综合各种预处理方法,以提高膜在低压力情况下的透水率。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

5 展望

目前,国内外对MBR 技术处理啤酒废水的研究已逐渐由试验阶段向工程应用发展,然而适合的MBR 组合工艺和操作条件有待更进一步探究。为了使MBR 技术在啤酒废水处理中得到更广泛的应用,可以从以下几方面进行研究:研制化学性质稳定、耐酸碱腐蚀、机械强度高、价格低廉的高性能膜材料;开展不同膜组件的应用与对比研究,如无泡曝气膜生物反应器(MABR)、移动床膜生物反应器(MBBR)等,为微生物的生长繁殖创造适宜场所;探索新的组合工艺,力求工艺灵活多变,降低动力消耗,节约成本,同时实现MBR 的最佳处理效果;通过研究啤酒废水造成膜污染的机理,探索更加有效的膜污染防治措施和清洗技术,降低膜的维护成本,延长膜的使用寿命;随着水资源的逐渐短缺和工业废水排放标准的提高,MBR 凭借其独特优势,必将在啤酒行业废水处理领域受到越来越多地重视。

 

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