超濾膜生物反應(yīng)器(UltrafiltrationMembraneBioreactor，UMBR)是將超濾膜與生物反應(yīng)器相結(jié)合的一種水處理設(shè)備。根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的位置和流體流程的不同，可分為內(nèi)置式膜生物反應(yīng)器(SubmergedMembraneBioreactor，SMBR)和外置式膜生物反應(yīng)器(Re—circulatedMembraneBioreactor，RMBR)。外置式超濾膜生物反應(yīng)器(Re—circulatedUltrafiltrationMembraneBioreactor，RUMBR)是將超濾膜外置于生物反應(yīng)器的一種水處理設(shè)備。20世紀(jì)60年代末，Smith等…首次用超濾膜過(guò)濾活性污泥，開始了用超濾膜處理廢水的研究。UMBR處理效率高、操作運(yùn)行簡(jiǎn)便、容易實(shí)現(xiàn)一體化自動(dòng)控制、不受污泥膨脹的影響J，但存在超濾膜通量小、壽命短、易堵塞等缺點(diǎn)，使其推廣應(yīng)用受到限制。

隨著膜技術(shù)的發(fā)展成熟，UMBR在廢水處理方面的應(yīng)用前景將極為廣闊。我國(guó)大部分油田己進(jìn)人中后期開采階段，采出液含水量已達(dá)80％～90％，水質(zhì)也隨著工藝的復(fù)雜化而更加惡化，大大增加了廢水的處理難度。僅勝利油田每天就有約700kt的采油廢水需要處理，其中有約100kt的廢水要求精細(xì)過(guò)濾后回注。本工作采用RUMBR對(duì)勝利油田某區(qū)塊采出液(廢水)進(jìn)行處理，收到了較好的效果。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1廢水水質(zhì)

廢水為勝利油田某區(qū)塊采出液，黑褐色，有油污和腥臭味，pH7.0～7.1，其中含有ca¨，Mg，K，Na等陽(yáng)離子和c1一，HC03-，s0一，CH3COO一等陰離子，總礦化度為23lllmg/L，P(總磷)為0.064mg/L，P(總氮)為3.77mg/L，P(油)為26.0mg/L，P(懸浮物)為78me./L，硫酸鹽還原菌(SRB)濃度為750個(gè)/mL，腐生菌濃度為250個(gè)/mL，烴類氧化菌濃度為0.7個(gè)/mL；采出液COD為679mg/L，BOD為260mg/L，BOD5/COD為0.38，可生化性良好。

1.2工藝流程與裝置

RUMBR處理廢水的工藝流程見圖l。

實(shí)驗(yàn)采用間歇式運(yùn)行。緩沖池容積為200L。生物接觸氧化池由有機(jī)玻璃制成，長(zhǎng)0.4m，寬0.4m，高0.96m，有效容積為140L，池內(nèi)填料為聚乙烯軟性纖維束�？諝鈮嚎s機(jī)通過(guò)生物接觸氧化池底部設(shè)有的直徑為l0mill的曝氣頭對(duì)池內(nèi)的廢水進(jìn)行曝氣，水中溶解氧質(zhì)量濃度為3～4me./L。膜組件為內(nèi)壓式中空纖維超濾膜。膜材料為聚偏氯乙烯(PVDF)，其切割相對(duì)分子質(zhì)量為6×l0，膜面積為0.2m，長(zhǎng)為0.386m，新膜在0.08MPa下純水通量為48L/h。

1.3高效原油降解菌的篩選馴化

采用石油篩選培養(yǎng)基(以該區(qū)塊原油為惟一碳源)進(jìn)行石油降解菌的分離純化。從勝利油田某區(qū)塊取含油水樣、土樣和油樣進(jìn)行富集培養(yǎng)，經(jīng)多次平板分離和進(jìn)一步增值培養(yǎng)得到單一菌種。經(jīng)過(guò)篩選、馴化得到3株高效原油降解菌，經(jīng)分類鑒定，2株為假單胞菌，l株為芽孢桿菌。

1.4生物接觸氧化法處理含油廢水

1.4.1配制培養(yǎng)液

模擬廢水水質(zhì)，向自來(lái)水中加入無(wú)機(jī)及有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，配方：NaCl5g，葡萄糖3g，蛋白胨3g，酵母膏3g，KHPO42.7g，蒸餾水lL，培養(yǎng)液pH為7.0。BOD：P(N)：P(P)為100：5：l。

1.4.2生物膜的培養(yǎng)和馴化

第一階段，將篩選得到的3株高效原油降解菌接人到培養(yǎng)液中，間歇曝氣培養(yǎng)5d，每次曝氣24h，停止曝氣4h；第二階段靜態(tài)培養(yǎng)15d，向生物接觸氧化池中加入廢水和無(wú)機(jī)氮、磷，逐漸降低培養(yǎng)液的濃度；第三階段動(dòng)態(tài)培養(yǎng)l0d，生物接觸氧化池進(jìn)水改為連續(xù)進(jìn)水，調(diào)節(jié)進(jìn)水流量，控制廢水在生物接觸氧化池中的水力停留時(shí)間為l0h、溶解氧質(zhì)量濃度3～4mg/L。經(jīng)過(guò)1個(gè)月的掛膜實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)基本趨于穩(wěn)定，填料掛膜成功。

1.5超濾膜處理含油廢水

在0.04～0.12MPa的壓力下，考察了膜通量隨壓力變化的情況。在20～50℃每問(wèn)隔5℃考察溫度對(duì)超濾過(guò)程的影響(排除水質(zhì)和膜清洗等因素的影響)，得到膜通量隨溫度變化的情況。針對(duì)膜污染，設(shè)計(jì)了一種分別用超濾水反沖洗、稀堿、稀酸、殺菌劑(如NaCIO溶液)和超濾水沖洗的膜清洗方法，考察了不同清洗劑對(duì)膜通量恢復(fù)的情況。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行20d后，在生物接觸氧化池后增加一個(gè)沉淀池，池中加入殺菌劑(NaCIO溶液)，考察膜污染減少的情況。最后對(duì)生物接觸氧化池和膜過(guò)濾出水的水質(zhì)(油、懸浮物質(zhì)量濃度)進(jìn)行分析檢測(cè)。

2結(jié)果與討論

2.1生物接觸氧化池

細(xì)菌濃度在5d時(shí)達(dá)到最大值1×10個(gè)/mL，并在此濃度下保持幾天，隨著廢水的加入，由于營(yíng)養(yǎng)的降低及細(xì)菌和原生動(dòng)物的生物競(jìng)爭(zhēng)，使生物接觸氧化池內(nèi)細(xì)菌濃度逐漸降至1×10個(gè)/mL，細(xì)菌對(duì)廢水適應(yīng)后，細(xì)菌濃度穩(wěn)定在1×10。個(gè)/mL。

微生物在生物接觸氧化池內(nèi)的填料上形成生物膜，直接影響微生物對(duì)廢水中有機(jī)物降解的效率。第一階段：培養(yǎng)液產(chǎn)生大量泡沫，且變渾濁。鏡檢觀察，細(xì)菌在池中大量繁殖，掛膜5d，填料上有少量生物膜，生物相主要以細(xì)菌為主，并有圓球衣藻、變形裸藻等低等原生動(dòng)物出現(xiàn)。第二階段：細(xì)菌濃度降低。開始時(shí)廢水中的油和COD去除率分別為60％和40％左右，15d后出水水質(zhì)穩(wěn)定，油和COD去除率分別達(dá)到91.6％和78％，BOD去除率達(dá)到80％，懸浮物也有很大程度的減少，此時(shí)生物膜已基本適應(yīng)了水質(zhì)條件。鏡檢觀察，發(fā)現(xiàn)有一些變形蟲、漫游蟲。第三階段：25d時(shí)鏡檢觀察，發(fā)現(xiàn)帆口蟲、鐘蟲、草履蟲等原生動(dòng)物，30d時(shí)出現(xiàn)輪蟲、線條三足蟲等后生動(dòng)物，標(biāo)志著生物膜已逐漸長(zhǎng)至成熟，填料表面生長(zhǎng)了薄薄一層棕褐色生物膜，膜厚1～2rnnl，生物接觸氧化池各項(xiàng)參數(shù)趨于穩(wěn)定，至此，填料掛膜成功。

2.2超濾膜過(guò)濾

2.2.1壓力對(duì)膜通量的影響壓力對(duì)膜通量的影響見圖2。

超濾膜過(guò)濾生化處理后的廢水時(shí)，存在一個(gè)臨界壓力。從圖2可見，壓力為0.04～0.08MPa時(shí)，膜通量隨壓力的升高而增大；壓力大于0.08MPa后，再升高壓力，膜通量增幅減緩。另外，操作壓力過(guò)高，使動(dòng)力消耗加大，且影響膜的使用壽命¨。因此，0.08MPa即為超濾膜的臨界壓力。觀察反沖洗物，發(fā)現(xiàn)有微小油滴出現(xiàn)，證明有油滴進(jìn)入膜孔內(nèi)，造成膜孔堵塞，導(dǎo)致膜通量減小。

2.2.2溫度對(duì)膜通量的影響

溫度對(duì)膜通量的影響(排除水質(zhì)和膜清洗等因素的影響)見圖3。

從圖3可見，隨著溫度的升高，膜通量基本呈線性增大。用線性回歸方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理得關(guān)系式：Y=0.2289x+15.201：R：0.9916表明溫度與膜通量之間存在良好的線性關(guān)系。考慮到升高溫度對(duì)能量的需求和對(duì)生物接觸氧化池內(nèi)細(xì)菌、膜組件及設(shè)備的影響，溫度也并非是越高越好。因此，確定實(shí)驗(yàn)溫度為20～28℃。

2.2.3時(shí)問(wèn)對(duì)膜通量的影響

在0.08MPa壓力下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5h，考察時(shí)問(wèn)對(duì)膜通量的影響，結(jié)果見圖4。從圖4可見，實(shí)驗(yàn)初期膜通量為48L/h；當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行約150min后，膜通量逐漸減至17L/h并趨于穩(wěn)定。由此可見，超濾膜的通量存在一個(gè)穩(wěn)定的最低值。

在0.08MVa壓力下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行31d，每天運(yùn)行5h，每1h反沖洗1次，考察膜通量與時(shí)問(wèn)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)清洗，膜通量基本可恢復(fù)至初始值(48L/h)。

2.2.4膜污染與清洗

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行1h后，膜通量降至初始膜通量的40％左右，認(rèn)為膜已發(fā)生污染，需通過(guò)清洗來(lái)恢復(fù)膜通量。首先，用超濾水沖洗超濾膜，以去除附著在超濾膜表面的無(wú)機(jī)固體顆粒和部分細(xì)菌體，清洗前膜通量為初始膜通量的40％，清洗后膜通量可增至初始膜通量的63％；然后用稀堿清洗，清洗后膜通量可增至初始膜通量的74％；再用稀酸進(jìn)行清洗，清洗后膜通量可增至初始膜通量的90％；最后在清洗液中加入殺菌劑(如NaCIO溶液)，清洗后膜通量可增至初始膜通量的98％以上。整個(gè)清洗過(guò)程約15rnin，清洗時(shí)問(wèn)比文獻(xiàn)報(bào)道的方法縮短。

許堅(jiān)等認(rèn)為，微生物及其菌膠團(tuán)在膜纖維表面的附著、繁殖形成生物膜，從而對(duì)超濾膜形成污染。為驗(yàn)證該結(jié)論的正確性，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20d后在生物接觸氧化池后增加一個(gè)沉淀池并加入殺菌劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％的NaC10溶液)。未加沉淀池時(shí)，每運(yùn)行1h時(shí)膜通量降至初始的41.59％(平均)；增加沉淀池后，每運(yùn)行1h后，膜通量降至初始的44.82％(平均)，膜污染可減少約7.77％。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

2.3廢水處理效果

2.3.1油質(zhì)量濃度

進(jìn)水、生物接觸氧化池出水及RUMBR出水中油質(zhì)量濃度與時(shí)間的關(guān)系見圖5。經(jīng)生物接觸氧化池、RUMBR處理后的出水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，出水中油質(zhì)量濃度在1mg/L以下，達(dá)到低滲透油田回注水A1級(jí)要求。

2.3.2懸浮物

進(jìn)水、生物接觸氧化池出水及RUMBR出水中懸浮物質(zhì)量濃度與時(shí)間的關(guān)系見圖6。經(jīng)生物接觸氧化池、RUMBR處理后，出水中懸浮物質(zhì)量濃度在3mg/L以下，達(dá)到低滲透油田回注水A3級(jí)要求。

3結(jié)論

a)外置式超濾膜生物反應(yīng)器(RUMBR)對(duì)含油廢水適應(yīng)能力強(qiáng)，在油質(zhì)量濃度大于25mg/L時(shí)也能正常運(yùn)行，未出現(xiàn)油黏附在生物膜上造成缺氧而脫落的情況。
b)經(jīng)過(guò)篩選、馴化得到3株高效原油降解菌，經(jīng)分類鑒定，2株為假單胞菌，1株為芽孢桿菌。
C)生物膜培養(yǎng)成熟后，系統(tǒng)中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)成分可以循環(huán)利用，無(wú)需再加入營(yíng)養(yǎng)成分�？刂粕�物接觸氧化池內(nèi)溶解氧質(zhì)量濃度為3～4mg/L。
d)廢水在生物接觸氧化池中的水力停留時(shí)間為10h，生物接觸氧化池中細(xì)菌濃度為1×10。個(gè)/mL，RUMBR出水中油質(zhì)量濃度在1mg/L以下，懸浮物質(zhì)量濃度在3mg/L以下。
e)操作壓力增大可使膜通量增加，溫度升高和膜通量增加基本呈線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)得出的適宜操作壓力為0.08MPa，溫度為20～28℃。
f)對(duì)污染后的超濾膜采用超濾水反沖洗、稀堿、稀酸、殺菌劑(如NaCIO溶液)加超濾水沖洗的方法，膜通量可恢復(fù)到初始膜通量的98％以上。在生物接觸氧化池后增加一個(gè)沉淀池，池中加入殺菌劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％的NaC10溶液)，膜污染可以減少約7.77％。