一体式膜—生物反应器处理医院污水

论文作者：丁杭军 文湘华 黄霞 刘若鹏 刘锐

摘要：工程应用的结果表明，一体式好氧中空纤维膜—生物反应器用于处理医院污水在技术上是可行的，其对医院污水中的COD、氨氮、浊度的平均去除率分别可达80%、93%、83%，出水水质良好、稳定、无色无嗅，优于国家建设部颁发的医院污水排放标准。系统已稳定运行6个多月，膜阻力上升稳定、缓慢，其间没有对膜进行过任何清洗。

关键词：膜—生物反应器 医院污水 处理效果

Application of the Integrative Membrane-bioreactor for Treatment of Hospital Wastewater

　　Abstract：The results of engineering application of integrative hollow fiber membrane-bioreactor for treatment of hospital wastewater show that the use of this process for treatment of hospital wastewater is technically feasible.The removal rate of 80%,93%,and 83% is achieved respectively for COD,NH3-N,and turbidity in hospital wastewater.The effluent is colorless and odorless with good and stable quality,and surpasses the hospital wastewater discharge standard issued by the ministry of construction.The system has run for more than 6 months without any chemical cleaning.The transmembrane pressure increases slowly and steadily.
　　Keywords：membrane-bioreactor;hospital wastewater;treatment efficiency

1　工程装置与污水水质

　　一体式膜—生物反应器处理医院污水的工程装置设在北京海淀乡卫生院内，设备的内部构造见图1，设计处理能力为20m³/d。
　　整个装置主要由生物反应池和膜组件组成。生物反应池采用好氧完全混合式活性污泥反应池，有效容积为6m³，设有隔板将其分为大小相等的两个池子，内置聚乙烯中空纤维膜组件24块，每块膜组件的面积为4 m²，膜总面积为96m²。膜组件下设有穿孔管曝气，曝气量控制在80～90m³/h。中空纤维膜采用间歇运行，抽吸频率为开13 min，关2 min。压差计用于监测膜过滤压力的变化。液位计控制活性污泥反应器液面的恒定。流量计用于测定膜出水的流量。
　　接种污泥取自北京高碑店污水处理厂二沉池回流污泥。污水先流入调节池，然后由泵提升经细筛网过滤后进入膜—生物反应器。在反应器中，污水中的有机物主要被微生物分解，混合液在泵的抽吸作用下，经膜过滤后得到处理水。

　　工程装置所采用的膜组件是日本三菱公司生产的聚乙烯中空纤维膜，膜组件形状为板状，长为0.8m，宽为0.5m，膜孔径为0.4μm，中空纤维膜外径为0.44mm，内径为0.27mm。海淀乡卫生院是一家规模较小的综合性医院，用水量平均为20m³/d，具体水质情况如表1所示。

2　设备运行情况与分析

2.1　去除污染物效果
2.11COD的去除
　　图2显示了膜—生物反应器进水、生物反应器上清液和膜出水中COD浓度的变化情况。

　　从图2可以看出：
　　①生物反应器中的活性污泥对COD的去除起到了主要作用，在进水COD变化较大的情况下，生物反应器内活性污泥的效能仍发挥得很好，例如开始运行的第5 d和第18 d，由于医院进行体检，导致进水COD浓度突然上升到200～300 mg/L，但经过生物反应器中微生物的降解后，其上清液的COD浓度仍可维持在100 mg/L以下；　　②膜对系统的稳定出
　　水起到了决定性作用，例如系统进水水质变化大(COD浓度从48 mg/L变化到277.5 mg/L)，上清液COD浓度也随之有较大的变化，运行20 d以后，由于进水中COD浓度偏低(在150 mg/L以下波动)，生物反应器中微生物生长缓慢，其处理性能不够稳定，去除率在20%～80%之间大幅度波动，但膜分离弥补了生物反应器处理性能的不稳定，膜出水水质始终变化不大，出水COD浓度稳定在25 mg/L以下，为实现稳定、良好的出水水质提供了有力保证。
2.1.2　氨氮的去除
　　膜—生物反应器投入运行后，系统对氨氮具有良好的去除效果。
　　①当进水氨氮在10～25 mg/L之间波动(平均值为17.74 mg/L)时，生物反应器上清液和膜出水中的氨氮除个别值接近5 mg/L外，大多数均在2 mg/L以下(平均值＜1.5 mg/L)，系统对氨氮的平均去除率可达93%。
　　②在整个运行过程中，生物反应器上清液和膜出水中氨氮含量基本相等，说明氨氮的去除主要靠生物反应器中微生物的降解作用，膜对小分子的氨氮基本没有截留作用。
　　③由于接种的高碑店污水处理厂二沉池污泥中的亚硝化细菌和硝化细菌经过了一定时间的增殖和积累，且数量较多，故当污泥刚刚接种到反应器中，就有足量的亚硝化细菌和硝化细菌使氨氮发生充分的硝化反应，即在系统初始运行时期对氨氮就已具有很高的去除率(达到90%以上)。
　　膜—生物反应器投入运行后的进水、上清液和出水的氨氮浓度变化情况见图3。

2.1.3　浊度的去除
　　图4为膜—生物反应器投入运行以后，进水和膜出水浊度随时间的变化情况。

　　整个运行过程中的进水浊度较高，在5～30 NTU之间波动。在刚开始运行的几天里，由于膜表面的凝胶层尚未很好地形成，对一些胶体物质未能起到很好的截留作用，膜出水浊度随着进水浊度的变化有较大幅度的波动。而随着运行时间的延长，膜出水浊度开始变得平稳，表明部分多糖、蛋白质等大分子溶解性有机物由于浓差极化而慢慢吸附在膜的表面形成凝胶层，该凝胶层使得膜的实际过滤孔径变小，增强了膜对微小胶体物质的截留作用。从图4中可见，尽管在启动后期进水浊度波动仍然很大，但膜出水浊度比较稳定，始终保持在3 NTU以下。凝胶层的形成对出水水质起到了强化作用。
2.1.4　细菌、病毒的去除
　　来海淀乡卫生院就诊的大都是心脑血管和感冒、发烧等常见病患者，由于这种特殊性，对其污水进行检测时未发现有特种病毒，对大肠菌群的检验结果见表2。

　　从表2中可以看出，生物反应器内微生物对大肠菌群不具有去除能力，膜对大肠菌群的去除则起到了决定性的作用。上清液和进水中含有相同的大肠菌群数，但微滤膜孔径小，可将大分子大肠菌群截留于生物反应池中。整个系统对大肠菌群的去除率高达98%以上，这进一步说明了膜生物反应器可以弥补传统活性污泥法的不足，保证出水水质稳定、安全。另外，此次还检测了膜对细菌的去除效果，但效果不是很明显，主要是因为取样口暴露在空气中，无法进行无菌操作，膜出水已被空气中细菌所污染，不能检测到膜对细菌的真正去除效果。
2.1.5　系统的出水水质
　　表3为系统在达到满负荷运行后的膜出水水质。

2.2　微生物特性
　　整个运行过程中生物反应池内污泥的增殖情况如图5所示。

　　由图5可知，运行前30 d(即整个启动阶段)，污泥浓度波动较大，没有明显的增长趋势，这主要是由于进水中COD浓度较低(平均为87.84 mg/L)，导致污泥生长缓慢。但考虑到在此污泥浓度条件下，生物反应器系统已具有比较良好的处理效果，因此没有采取刺激污泥生长的措施。在运行阶段，污泥波动相对较小，加之运行6个月来反应器没有进行过人为排泥，微生物浓度呈现出明显的增长趋势。
　　生物反应器中污泥的VSS/SS比值在此期间基本无变化，除个别点外，大部分在0.6～0.8之间，说明到目前为止生物反应器中尚未出现无机物的积累。
2.3　污泥生物相观察
　　在生物反应器运行过程的各个阶段，分别对反应池中污泥混合液进行了镜检，发现启动和稳定运行期间污泥生物相有着较大的差别。刚开始启动阶段，生物相不丰富，其中原生动物很少，且不很活泼；菌胶团比较松散，没有形成特定的形状，大量的丝状菌穿插在菌胶团中。而在稳定运行期，污泥混合液在显微镜下出现较多行动活泼的原、后生动物，如钟虫、等枝虫等，菌胶团结合紧密，已有一些特定的形状。
　　此外，根据小试和中试的结果，由于调试时采用了先对污泥充分驯化后再分阶段启动膜系统的启动方式，故到目前为止，该系统已经稳定运行6个多月，期间膜过滤压力上升缓慢，未对膜进行过任何形式的清洗，可见做好膜系统的启动工作可以减缓膜的污染与堵塞，使膜在较长时间内稳定高效地工作，同时也说明膜生物反应器操作简单、方便，易于管理。