船舶污水处理设备中预处理对膜污染的影响 5页

第4J卷第4期2012年08月船海工程SHIP＆OCEANENGINEERINGVol41No4Aug2012doi·103963／jissn167I-7953201204016船舶污水处理设备中预处理对膜污染的影响李树，郑悦，刘艳阳，吴燕(中国农业机械化科学研究院，北京100083)摘要：采用试验的方法分析船舶污水处理设备预处理对膜污染的影响，试验结果表明，船舶污水处理采用膜技术时考虑污水中悬浮物的去除，可有效地延长膜的清洗周期，从而延长膜的使用寿命，保证设备稳定运行。关键词：膜分离技术；船舶；污水预处理中圈分类号：06649文献标志码：A文章编号：1671—7953(2012)0443063435膜分离技术较其它技术更能高效、彻底和可靠地处理船舶生活污水，使排放水满足IMO标准，故发达国家早在10年前就纷纷将膜分离技术应用于大型邮轮、舰船生活污水的处理。我国船舶污水处理采用膜技术较晚，在工艺研究、处理规模、可靠性上与发达国家仍有巨大的差距，经其处理的污水难以达到现行标准要求”。。。为满足2010年1月1日IMO开始施行新的污水排放标准MEPC．159(55)，研究膜技术与生物技术结合的工艺在船舶生活污水处理设备上应用具有重要的意义。1船用膜一生物反应器工艺分析早在2000年前．美、英、德、加等国研究并开发了船用膜-生物反应器(membranebio-reactor，MBR)，将膜分离技术与生物技术结合处理污水，高效地进行固液分离，其设备体积仅有传统污水处理设备的1／2～1／4，剩余污泥产量小，仅为常规污水处理方法的1／5～1／7，可节约占地空间。由于膜的高效截留作用，使得出水稳定，可以直接作为生活杂用水使用。一国际上船用污水处理设备采用MBR工艺技术的主要公司有：Hamworthy，GE(前加拿大zE．NON公司)、Rochem、Scanship、Hydroxy、Evac等。这些公司的产品在大型游船、军舰上使用，日处理量可达1001313以上。2004年美国海岸警卫队(USCG)和阿拉斯加环境部(ADEC)对装先进的污水处理设备(MBR)的250人以上大型游船的污水排放做了30d的取样检测，检测结果表明，装有先进的污水处理设备的船舶排水都能满足阿拉斯加水域严格的排放要求。以上公司采用了不同的膜结构。目前典型的代表是采用外置管式膜组件的HAMw0RTHY公司和采用内置帘式中空纤维膜的ZENON公司(GE)；HAMWORTHY公司采用管式膜，模组件外置，工艺流程见图l。图1HAMWORTHY公司设备工艺流程ZENON公司采用中空纤维膜，膜组件置于生物反应器内，工艺流程见图2。收稿日期：2011—09—26修回日期：201110—10第一作者简介：李树(1957一)，男，硕士，高级工程师研究方向：船舶污水处理设备及1_=艺E—mailke720@126eom餐骑暖水洗浴煦水洗涤废水咸水甲恒睢罕甲击1厅而-——J图2ZENON公司设备工艺流程从以上两种流程来看，无论采用外置管式膜还是内置帘式膜，其前端都采用了过滤装置。由于船舶内没有较大空间来满足固形物的沉淀，因63\n第4期船海T程第4l卷此在污水进人生化反应器前，必须在较短的时间、在流动情况下去除大的圊形物，满足MBRT艺的要求。由于污水处理装置一般匀安装在甲板下，因此要求过滤装詈具有体积小、良好的密封性，并具有排渣功能。国外不同公司也具有不同的过滤方式。如Hamworthy的MBR系统采用压滤过滤方法去除纸张和其它周形物；Rochem．Bio—fit系统采用振动筛去除较大的固形物，并在其反渗透膜前再加装细筛进一步去除纤维以及头发等。ze一1"101"1ZeeWeedMBR系统预处理采用了两级筛去除固形物和纤维等。Scanship的处理系统用采用转鼓过滤筛去除固形物。由此可见，当MBR工艺用于船舶污水处理系统时，其预处理部分比陆用MBR预处理的要求高，预处理系统的优劣成为能否充分发挥MBR功能和系统中膜组件可靠运行的关键。2国内MBR工艺分析我国近几年也研制出了新型(MBR工艺)船用生活污水处理装置，在部分新造舰船及改装舰上开始试用。代表性的工艺是：污水进曝气柜耗氧消化，然后再通过接触氧化进一步消化，经沉淀后再通过膜过滤外排．和采用序批式活性污混法(SBR)与膜过滤结合的处理工艺相比，虽然两种代表性工艺处理后的水质均能够满足MEPC．159(55)决议排放要求，但这两种工艺流程都存在不足。1)为保证膜过滤的要求，进入膜过滤的水中悬浮物有一定要求，这就需要生化池污泥具有好的沉降性。而活性污泥的沉降性受多因素的影响：温度、pH、溶解氧、盐度及污泥浓度等。一般污水处理装置都安装在甲板下．船舱温度较高，加之曝气装置产生的温度，以造成水温上升，当水温超过30℃时，水的溶氧能力下降，同时微生物的代谢加快。这时易产生水中溶锯氧偏低．丝状菌成为优势菌群，造成污泥上浮。污水中盐度、pH变化大也会造成污泥的沉降性能变差。此外船舶航行也会影响污泥的沉降。2)污泥浓度不易过高。一般生化柜污泥_}农度不要超过4500r”g／L，过高的浓度会影响污泥的沉降性，影响出水。因此，这将降低设备的运行效率。根据MBR反应嚣运行数据，当反应器内污泥质量浓度达到5000m∥L时．污泥的沉降性较差；当污泥质量浓度达到6080mg／L时，05h几乎不沉淀。3)活性污泥培养过程较长，设备启动慢，抗冲击负荷能力较差。当来水冲击负荷大时，污泥容易上浮，而水力负荷冲击大，这正是船舶污水的特性之一。，因此，如果不能控制好前处理，将加速膜的污染，增加膜的清洗次数或造成膜的报废。因此，要保证设备能稳定运行，要求具有较复杂的操作技能和经验，管理比较繁琐，与周外先进的处理装置相比，在可靠性、操作性及维修性等方面仍存在一定差距。针对这一问题，试验研究预处理对膜运行的影响，优化工艺设计。3试验3．1试验样机cwM5船用污水处理设备由中国农业机械化科学研究院研发生产。样机设有沉淀柜，柜内设有粗过滤器，过滤精度2～5mm，之后是调节柜、生物反应柜及膜柜组成。调节柜与生物反应柜之间装有细过滤器，过滤精度0．5—10rnn3。设备配有通风系统、液位计、电磁流量计、温度仪、电控系统等。该设备日处理污水10m‘。工艺流程见图3。沉麓把旧啦秘连通阔生物反H幢图3样机工芝流程\n船舶污水处理设备中预处理对膜污染的影响——李树．郑悦．刘艳阳，吴燕粗过滤器能按事先设定时间自动通曝气冲刷，防止堵塞，无需人工清理。细过滤装置截留的细渣通过过滤器压力开关或定时器进行自动反冲洗，将渣排出。3．2污水来源为尽可能接近船舶污水处理的水质，不经过沉淀，直接在化粪池内安装污水泵获取污水．污水泵的启停由设备内的液位计控制。当沉淀柜液位在低位时，污水泵启动，当液位到高位时，污水泵自动停止。3．3膜材料膜材料采用PVDF中空纤维帘式膜，具有很好的抗污染、抗氧化、耐酸碱、透水量大等优点。t4试验方法用污水泵将污水打人设备巾，启动风机供氧．经l周培养，泥浆质量浓度达4500mg／L时，即可进行试验。试验过程中对进水、出水取样，对SS、COD、BOD，、大肠杆菌等指标进行检测，并观察膜压和出水量的变化。流量lm3／h，可通过进水阀门调节，电磁流量计监控，膜压通过出水压力表观查．出水流量0．5m3／h，通过变频器调节出水泵进行调节控制，并通过电磁流量计监控。5结果与分析在不使用细过滤器时，污水进入沉淀柜后，因重力作用，大的悬浮物被内置粗过滤器截住，污水进入调节柜，然后经生物反应柜、膜柜，通过膜过滤后排放。运行初期，膜压、出水量都很稳定，膜压在0．012—0．014MPa之间。其问对进水的悬浮物取样检测．平均值>1000mg／L，出水水质达标，见表l。表1进水悬浮物质■浓度堕型堂堂塑里!!!￡竺!!!量竖塑堕壁!墅!!!里：!：’)090104一100980090101．016～0173550090101-016—017157009104)052640090106一165一166I120090106—165一1661410±塑堕!!堑经近80d试验，前30d运行平稳，后30d膜压上升到0．02MPa，之后膜压开始缓慢上升，第45～60d膜压从0．025MPa上升到0．028MPa．60d后，膜压快速上升到0．03MPa以上，这时出水量很快下降，由lOm3／d下降到4m3／d以下，此刻测得污泥质量浓度6600me,／L，经观测，0．5h内污泥几乎不沉降。膜压与出水变化见图4、5。目tlq，d图5出水■的变化此时停机，将膜柜水排出。可观察到膜污染状况，见图6。此刻膜片上已粘满污泥，污泥已发黑，说明污泥粘在膜上并堆积已有一段时间，造成污泥缺氧而变黑。将污泥清洗后，膜丝上仍挂有很多纤维和毛发，并缠绕在一起，清洗很困难。由于膜丝相互缠绕，靠气流冲刷膜丝抖动能力减弱，造成膜片上污泥堆积。试验现象与数据说明仅采用粗过滤不能有效防止纤维等悬浮物进入膜柜。图6膜污染状况1关闭连通阀，将污水加压．通过细过滤器过滤后进人生物反应柜。运行60d，膜压稳定在0．018MPa，运行120d后膜压开始缓慢上升；到6505050505O㈣㈣㈤呲呲㈣㈣㈣已羔、掣馨\n第4期船海T程第4l卷第140d，膜压上升到0．036MPa，出水下降了40％，此刻污泥质量浓度达7300mg／L．见图7、8。图7膜压变化图8膜出水变化此时将膜柜水排出．观察膜表面，可以看到膜表面较干净，但也有少量的污泥堆积，将污泥清洗后，膜丝上有少量纤维和毛发，主要集中在膜顶部，见图9。圈9膜污染状况2试验结果表明，增加细过滤极大延缓了膜的污染，延长了膜的清洗周期，是未加细滤稳定运行时间的2倍。在试验期间，对出水水质、大肠杆菌的指标也作了抽样本送普尼(PONY)检测，检测结果均能满足IMOMEPC．159(55)排放标准，见表2。表2出水水质检测项平均值检(测Re报po告rt编ID号)<5(24个样本)(个样10．本6检测)。0909011。071删-145～～叭145822(个样本检测)rKmlnlrf坼m‘r絮尝★、090900110064．4l；95；～-01649922(个样本)⋯⋯⋯⋯”Ecoh(封戳l检00测(m229槲来)注：EColi24个样本巾有两个样本大肠杆莆的浓度分别为79和84MPN／(100mg·1．“)，分析认为可能是取样时被污染．放没有计算在平均值内。6结束语增加预处理过滤装置，对MBR工艺稳定运行有着很重要的作用；装有预处理装置的设备较没有装预处理的设备运行稳定性更好，膜的清洗时间可延长l倍以上。通过去除污水中细小纤维，防止纤维等缠绕在膜丝上，清洗较为方便，可在膜柜内清洗，不用取出，大大减少了维护强度，简化操作过程，提高了设备使用效率。虽然此次试验表明加装预处理装置能有效地改善膜的清洗周期，但过滤后的污水中还是存在少量的渣；此外过滤的渣反冲同沉淀柜，在允许排污的海域排放，而国外该类设备预处理污水后产生的渣收集后进行焚烧。此外，该次试验中的ss平均值为1000m∥L，大于船级社船用生活污水处理装置认可的进水ss要求(>500mg／L)，但据有荚研究报告“J，实测ss平均值大于2000m异／L，因此，如何进一步改进过滤装置，完善该系统还需要进一步研究。参考文献[1]马如中，何丽君．膜分离技术在船用生活污水处理装置上的应用[J]．船海工程．2010，39(6)：4_6[2]董良飞船舶生活污水污染特征及控制对策研究[D]西安：西安建筑科技大学，2005(下转第70页)嚣并并0O0O日‘苫、幽鬻\n第4期船海T程第4l卷从数值计算结果与试验数据的对比看，计算值在规律上与试验值一致，但在数值上还有一定的误差。这主要是囡为振动翼在粘性流体中做非定常运动，产生的漩涡流动比较复杂，而目前的理论模型又难以精确定量描述这类情况，所以值得深入研究这些问题和机理。从图中可以看到，在二个周期中，前半周期和后半周期的推力系数不一致，这主要是因为该试验装置运动规律的不完全对称所造成。从公式(12)中可以看到，dy。／dt在一个周期中变化不完全一样，所以振动翼的水动力特性也会有少许差异。参考文献[1]READDAOscilhtmgfuilsforpropulsionandmaneu—veringofshipsandunderwatervehicles[D]MSThesis，MIT，2000．[2]TRIANTAFYLLOUGS，TRIANTAFYLLOUMS，CROSENHAUCHMA．Optbnalthmsfdevelopmentinoscillatingfoilswithapplicationtofishpropulsion[J]JournalofFluidsandStructures，1993(7)：205—224[3]ANTOINED，JACQUESAA，FRANCOISD，etalComputationalandexperimentalinvestigationofflow0一veratransientpilehinghydrofoil[】]．EuropeanJournal0fMechanicsB／FIuids．200928．728—7433结论mechanicsofflappingwings[J]ExpertmentalThemial。，一要擎!竺量黧裴动型李堂动?慧is]a删ndFl删uidSe，t8n∥ce=淼篙州叭‰+进行计算，在大多数算例中，大约经过6个周期‘b。d∞：Th。kITPre‰1977』。一‘1后，计算数据趋于周期性的稳定状态。本文数值『6]zHu0．LluY．H1EDKDT。。。ics。f。th㈣一di。。n一结果与相关算例、试验结果比较吻合，说明所开发。tonal。。。ill。1i。gfoil。。a。th。／'re。。。以。。[J3．AIAAJ的计算程序合理可行。2006．44(12)：2297．3009ComputationaIandExperimentalResearehonPropulsivePerformanceofOscillatingHydrofoil3WuhanRuleandRegulationResearchInstitute．ChinaClassificationS。ciety，Wuhan430022，China)Abstract：Anunsteadyboundaryelementmethod(BEM)basedOnGreengtheoremwasdevelopedforthehydrodynamica—nalysisof3DoscillatinghydrofoilsTheconstructionprocessandstructureofprogramwasdiscussedindetailMemoryeftectoflionWaSsalisfiedontrailingvortexsheet．andNewton—RaphsonmethodW3Susedto(『：arryoutlteralJvecamputatienThentheby-proventobeaneffectiveapproachbythecomparisonbetweennmneriealresultsandexpefimentaldata(上接第66页)TheImpactofPretreatmentofShipSewageTreatmentEquipmentOilMembraneFoulingLIShu，ZHENGYue，LIUYan·yang，WUYan(ChineseAcademyofAgiculturalMechanizationSciences，Belling100083，China)Abstract：Theinfluenceofpre—treatmentofsewagetreatmentequipmentuponthemembranefoufingW&Sinvestigatedbyex—perintentsThetestresultsindicatedthatthemostefficientwayoftoextendthecleaningcycleforthemembranesystemanden-sDretilestabilityoftheequipmentistg,removethesuspendedsolids；nwaslewalerbythemembraDetechnologyKeywords：MBRtechnology；ship；sewagetreatmentpretreatment70