浸没式膜生物反应器技术在废水的深度现场处理及回用中的应用

世界上，水已成为一种短缺的商品，目前，在工业和市政领域，都被看作是一种有限的宝贵资源。全世界已开始认识到，废水的随意排放已造成严重后果，新鲜水的短缺也与此有关。将废水处理达到先进的排放标准或回用水质是全球水处理最重要的课题之一，尤其是对于广泛的工业应用（如炼油厂、石化厂）和某些严重缺水地区和快速发展的城市来说更加重要。但是，许多开发者、工业和社会面临的问题是复杂和多变的：⑴ 现有的废水处理厂—如果存在的话—可能是超负荷或不安全的设计，或者说不能对不断产生的新增流量加以处理。⑵ 水的成本迅速增加，饮用水的供应受到限制，因此高质量的回用水越来越具有吸引力。⑶ 为扩建现有水厂或建设新的处理装置可用的空间极为有限，或者土地成本过高。⑷ 废水的流速、组成和/或浓度每天或每季都有很大变化，传统的技术装备已不能解决其处理问题。⑸ 一个新上马的项目其初期的废水发生很少，但将来可能增加一个数量级。⑹ 处理后的废水将排放到某一敏感环境中，因此，对养份的减低或病源体的去除有严格的要求。⑺ 地点比较偏远，多半没有更多的操作人员，因此需要一个简单、可靠且易于维护的解决方案。因此，挑战性的应用—从巴巴多斯岛到巴尔干，从苏格兰到新加坡—浸没式膜生物反应器（IMBR）技术已成为首选方案。虽然IMBR技术在许多地区对废水深度处理到回用标准来说仍是比较新的方法，但在北美和欧洲已广泛应用了十多年。实际上，在北美的许多地区，IMBR技术在许多废水处理和回用中已是首选技术。除了来自市政污水处理的水源外，在工业中的应用包括含油废水、高浓度化工厂废液、食品和饮料厂废液和许多其它需要回用水质的场所的处理。Zee WeedRMBR是世界上应用最广的MBR技术，其系统能力从不到4m3/d（1 000USgpd）到50 000m3/d（12mgd），分布地点从北极圈外到靠近赤道。以ZENON的浸没式Zee Weed膜为基础的工艺，可将高度变化和高浓度的废水处理到最深度的质量指标，为水的回用提供最大的可能性。在全世界已安装了400多套装置，ZENON是MBR技术的全球领跑者。Zee WeedR是浸没式的抽吸驱动的中空纤维膜。Zee WeedR膜组件是一种无外壳的长方形的中空纤维束框架，直接浸在好氧反应器的混合液中，并与离心泵的抽吸侧相连。在和缓的3～8psi（20～60kpa）负压下，处理水（透过液）通过膜的孔隙进入每根纤维的中空芯内，排到系统外。Zee WeedR是一种从外侧向内侧渗水的中空纤维膜，水从纤维侧流向膜内侧。因此，膜的内侧只有清洁的过滤水，永远不会污染和堵塞。Zee WeedR膜的标称孔径为0.035μm（0.1μm绝对孔径），可截留所有悬浮固体和胶体，包括细菌和大多数病毒。比这些更大的任何固体，包括生物量中的细菌，都不能通过孔隙，始终保持在中空纤维的外侧。Zee Weed是一种复合膜，其半透膜是浇铸在多孔但坚韧的结构型芯上，借以形成结实、耐久且具有柔韧性的膜。Zee WeedR可耐浓度高达2 000mg/L的氯气。在膜表面上的任何有机物污染都可用次氯酸钠在现场或在一专用浸泡槽中很容易地去除。这种耐氯性使得膜易于消毒。由于用低真空度驱动水通过膜，所需能量比在许多其它膜工艺中使用的高正压驱动小得多。在Zee WeedRMBR工艺中，膜直接安装在生物反应器的好氧段，或安装在分立的膜槽中，膜槽与生物反应器水力连接。膜浸在曝气的混合液中，并与标准的离心泵的真空侧相连。废水在生物反应器的好氧段被生物降解（消化），并在生物反应器内或在生物反应器和膜槽之间连续循环，膜透过液则从系统中排出。用鼓风机向系统提供空气，空气是通过微泡扩散器的网络分布于过程中的。供用的或独立的鼓风机向膜连续提供粗大的气泡，对膜进行空气洗涤。气泡从每个膜组件底部进入，形成强烈的扰动，对中空纤维的外表面进行清洗，从而将被截留的固体从膜表面去除。废水从生物反应器后到膜槽通过一个或多个潜水泵连续循环（平均每天循环8次），然后依靠重力返回生物反应器。这种循环使累积的固体脱离膜表面，并可形成更均匀的生物量。生物反应器的上端一般被设计成无氧（零溶解氧）区，这样作有助于标准系统中的pH控制和在出水中要求总氮（TN）含量极低的应用场合的脱硝。为了降低磷含量，该工艺很容易强化。加金属盐（如氯化铁或明矾），可使溶液中的磷沉淀，沉淀生成的悬浮固体不会通过膜孔。但与传统的系统不同，Zee WeedRMBR工艺只要求形成可被微细的膜孔截住的针状矾花，而传统系统要求体积较大的金属盐，以便将磷沉淀并絮凝成可沉降的颗粒。在Zee WeedRMBR系统中，Zee WeedR膜对任何悬浮固体都是一个完全的物理屏障，因此可完全替代传统活性污泥法中的澄清和沙滤过程。固体物可完全与处理水分离，根本不需要污泥沉降。因此表现出很多优点：⑴ 由于不需要污泥沉降，Zee WeedRMBR系统中的生物反应器可在10～15 000mg/L MLSS浓度下运行，可能比传统的活性污泥法高出3～4倍，并且废水中可溶性和颗粒状的可生物降解的物质的去除率明显提高。⑵ 废水的高度变化（流量和/或浓度）在传统系统中会引超严重干扰，但对Zee WeedRMBR系统决不影响其稳定运行。⑶ 由于不需要污泥沉降，故也不需要对污泥特性进行连续监测。因此，Zee WeedRMBR系统易于操作，且运行和维护成本低，操作人员每周只需要3～4h维护时间。20多年来，Zee WeedRMBR已成为工业标准MBR技术，用于处理市政污水、工业废水、填埋场浸出液以及居民和商业开发项目、改造装置、饭店和购物中心等土地开发项目的废水处理。Zee WeedR膜几乎可以安装在任何现有废水处理设备上，将其改造成高效的MBR法，在同样的占地面积下，可提高处理能力高达500%。对BOD和TSS的去除效率大于98%，加以Zee WeedR膜的绝对屏障作用，出水可始终满足最高的排放标准或回用水质标准。Zee WeedR的组件结构使开发者能够从要求的最小能力开始，然后根据需要可随时增加能力。由于不需要澄清器和三级过滤器，并且以更有效的生物量运行，Zee WeedRMBR系统所需的空间只是传统活性污泥设备的1/10th。构筑物成本大幅减少。Zee WeedRMBR技术简便、可靠。过程完全自动化，可在任何环境下运行，通过调制解调器可在几千海里以外进行监测和控制。该技术在不同环境范围中的应用Marathon Ashland石油公司（MAP）经营一个marine河原油和精制油品管理和转送站，位于肯塔基州的Cattlesburg。该站每天要处理50 000～100 000加仑的含有固体油和油脂、苯、BOD，有时还含有砷的废水。废水的特性是，在水质和水量上都是变化的。从中转站送入废水处理装置的废水最高浓度是，BOD 3000mg/L，TSS 140mg/L，油和油脂500mg/L，苯66mg/L，砷0.90mg/L。2001年，MAP开始面临其现有的传统处理厂要满足Ashland市的排放标准问题。MAP处理厂的构成是，在一大型均化池中进行固液分离然后进行溶气气浮。未实行生物处理。而且，当时正在规划在2003年8月要实行更严格的排放标准，届时将满足不了排放标准。2002年初，用Zee WeedRMBR进行了现场可处理性研究，结果认为非常成功。除了去除COD、BOD和TSS外，该系统也将“BTEX”化合物和重金属去除到可接受程度。根据可处理性研究结果，设计建造了一套足尺寸系统，2003年7月开始运行。该新的MBR系统由均化、游离的油和脂的去除（通过聚结剂），然后在MBR中进行生物处理。典型的MBR出水水质如下：BOD＜22mg/L，TSS 5mg/L，油和脂＜15mg/L，BTEX＜1.0mg/L。加勒比海美国Virgin岛上的一家五星级饭店，其废水处理设备已有15年历史，已满足不了越来越多的废水处理要求，出水指标不符合标准。现有处理设备需要升级，但面临几方面的挑战：在升级期间无备用装置，设备不能停运。处理厂的斜坡侧地势妨碍了新增处理池的建设。处理厂靠近马路，附近有大型建筑物。由于使用了Zee WeedRMBR技术，在没有增加处理池的情况下，处理厂的处理能力增加2倍。而且，该项目的独特设计可在设备不停运的情况下进行膜的安装。处理水超过了DPNR和EPA的回用标准。该系统的一附带的优点是污泥量减少了，因此，减少了污泥的外运量，气味也明显减少。升级后的设备可平均处理4003/d（10 000USgpd）的废水，高峰期可处理8003/d（200 000USgpd）以上。正常运行三年，100%的处理水被用于草地浇灌，三年以后，只通过简单地增加了膜组件，处理能力又进一步扩大（文中其余举例略—编者）。结论ZENON的Zee WeedRMBR技术已在世界各地运行了几百套系统。与采用其它技术处理的废水不同，Zee WeedRMBR出水BOD5和TSS浓度如此之低，以致于它可以安全、有效地用于滴灌和绿化草木的喷灌，用于冲厕甚至水景用水，也可以排放到河流和湖泊中。Zee WeedRMBR系统的能力可大可小，小的系统只有12m3/d（3 000USgpd），大的可达50～100 000m3/d（13～25mgd）以上。在解决废水回用问题中是工程师们愿意采用的技术方案。