膜生物反应器处理船舶污水
Membrane Bioreactor Treating Ship Sewage
上海船舶设备研究所环境工程事业部杨元晖
摘要膜生物反应器污水处理工艺是近年发展起来的新型处理工艺。文章结合膜生物反应器在“太阳公主”号船上的应用，介绍了该工艺的特点。
关键词膜生物反应器船舶污水
Abstract  Membrane bioreactor （MBR） is a new sewage treatment technology developed recently. This paper introduces the characteristics of MBR, through discussion of its application on SUN PRINCESS.
Keywords  membrane bioreactor, ship sewage
1 前言
以活性污泥/生物接触氧化—重力沉淀为代表的好氧生物处理工艺长期以来在船舶生活污水处理装置中得到了广泛的应用。但以下几个问题难以根本解决：
1）由于采用重力沉淀，加之船舶长期处于摇摆、倾斜状态，固液分离效果不佳，处理排放水固体悬浮颗粒（suspended solid，SS）浓度容易超标；
2）由于固液分离困难，导致曝气柜内的活性污泥（mixed liquor volatile suspended solid，MLVSS）难以维持在较高的浓度，致使处理装置的容积负荷降低，装置体积变大；
3）装置出水水质不稳定；
4）装置传氧效率低，能耗大；
5）易发生污泥膨胀或沉淀柜沉淀污泥反硝化，操作管理复杂。
近年来，世界各国对海洋保护特别是对领海和内河的保护意识不断加强，在MARPOL73/78 附则IV的基础上，各种地方性水体排放标准不断出台（如美国联邦规范第40款133部分提出的Alaskan 地区排放规范），要求对船舶产生的生活污水进行更加有效的处理。
在上述背景下，迫切需要一种新型的船舶污水处理工艺，而膜生物反应器（MBR）则是一种相当有前景的处理工艺。2 膜生物反应器简介
2.1 膜生物反应器的历史和现状
膜生物反应器最早出现于六十年代的美国，由于当时的膜技术落后，膜的通水量小、寿命短，严重制约了膜的实际使用[1]。七十年代日本大力开发膜技术，使其逐渐走向实际应用[2]。八十年代中后期，膜技术开始应用在陆用的污水处理装置和工程上，九十年代开始逐步推广。
直至现在，船舶使用膜生物反应器还处于探索阶段。2000年，英国Hamworthy公司生产出第一台船舶用膜生物反应器处理装置，并于2000~2001年进行了膜反应器全世界首次实船试验。我国至今还未见有膜反应器用于船舶的报道。
2.2 膜生物反应器
2.2.1 膜生物反应器污水处理工艺
常见的膜生物反应器污水处理工艺流程如图1。图中灰水和黑水的定义与MAPOL 73/78 附则IV[3]相同。
如图1所示，船舶污水经过预处理柜进入好氧/厌氧处理柜，经泵增压后进入膜生物反应器，在压力作用下经降解的污水通过膜形成系统处理后出水，大分子、固体物质以及活性污泥被截留，随浓缩液回流到好氧/厌氧处理柜。系统运行一段时间以后，膜组件内的活性污泥浓度增高，定期外排污泥，保持系统稳定运行。
图1  膜生物反应器工艺流程
根据船舶的实际情况和进水水质的不同，工艺可有如下不同：
1）当进水中含有较少的不可降解物质，如：毛发、油脂、塑料或金属等物质时，可省略预处理柜，上述物质同污水一起进入膜组件。在污泥定期外排期间，将上述物质一并排出处理装置；当进水中的不可降解物质较多时，可能需要一个复杂的污水预处理装置，将这些不可降解物质收集后，用特殊的设备压缩后打包或送入焚烧炉，压缩过程中产生的液体输入处理装置进行处理；
2）根据船舶实际情况，可以将膜组件做成一体化模块或分成两个处理单元。将好氧/厌氧处理柜和膜生物反应器分开有利于膜的清洗、更换和增设，运行稳定，操作管理容易，但一般污染物较易在膜表面沉积，因此需要较大功率的设备对膜表面进行清洗，动力消耗较高。一体化模块将膜组件置于反应器内，通过真空泵或者其它类型的泵抽吸，得到处理后出水（滤液）。一般泵的抽吸都是间歇运行的，与分置式相比，其动力消耗大大降低，但在运行稳定性、操作管理等方面都不及分置式。
2.2.2 膜与膜组件的分类
2.2.2.1  按截留分子量分类
按截留分子量可以将膜分为超滤膜、微滤膜和反渗透膜[4]。由于膜处理技术尚处于发展阶段，相应的膜孔径测定方法尚无统一的标准，加之不同的测定方法（与界面相关的泡压法、压泵法、气相吸附法；与
流体力学相关的滤速法、气相渗透法；与筛分截留效益相关的胶体法、截留分子曲线测定法等）测出的膜孔径相差较大，因此上述三类膜的分类至今还很模糊。目前国内将反渗透膜的截留分子量定义在200以下，超滤膜定义在1,000~300,000，而把微滤膜的截留分子量定义在200~1,000。
现在，污水处理工艺中常用的是微滤膜和超滤膜。由于反渗透膜需要很高的过滤压力，动力消耗很高，一般仅用于出水需要脱盐的情况。
2.2.2.2 按膜组件形式分类
现在常见的膜组件形式有平板式、管式、中空纤维式、螺旋式和毛细管式五种。通常情况下，一体化膜生物反应器常采用中空纤维式和平板式；分置式膜生物反应器常采用平板式或管式。
2.2.2.3 按膜材质分类
膜生物反应器的膜材质可分为有机膜和无机膜。无机膜的代表为陶瓷膜，由于无机物质的化学性质稳定，因而能在相当恶劣的条件下使用，抗感染能力强，寿命长。但无机膜的制造成本相当高，从而在一定程度上限制了它的使用。现在广泛用于污水处理的都是有机膜（如聚砜膜、聚丙烯月青膜等）。有机膜的应用成本低，但运行过程中易受污染、寿命短。
膜材质的筛选应要求其既抗化学腐蚀，又抗生物腐蚀。同时还应考虑到根据具体微生物的特点，通过膜
的表面改性，改变膜表面的物化性质，减轻微生物在膜表面和孔隙的吸附。对于处理船舶污水的生化膜反应器，从抗生物腐蚀的角度考虑，笔者推荐使用聚丙(乙)烯类膜。
3 膜生物反应器污水处理工艺的实际使用效果
为检验膜生物反应器污水处理工艺处理船舶污水的效果，Hamworthy公司于2000~2001年在“太阳公主”号上对膜处理效果进行了为期31天的测定[5~6]。处理对象是船上的灰水和黑水。在平均日处理量为52,927L的情况下，MBR处理效果如表1所示，试验结果和现行规范比较结果列于表2。
表1  MBR处理船舶污水效果表
BOD5（mg/L）SS （mg/L）
进水浓度出水浓度进水浓度出水浓度
黑水灰水黑水灰水
最高5840 6090    5.70    4980 990 17.1
最低991 652 0  1180 176 0
平均2595 2062    2.62  3029 485    3.12
表2  试验结果和现行规范比较表
排放水水质指标膜反应器出水IMO排放标准Alaskan地区排放标准
大肠杆菌菌数（CPN）10.6个/100mL 250个/100mL 20个/100mL
生化需氧量（BOD5）  2.62mg/L 50mg/L 30mg/L
悬浮固体颗粒（SS）  3.12mg/L 100mg/L 30mg/L
由表1和表2可以发现，利用膜生物反应器处理船舶污水时，虽然进水的水质情况非常差（SS≥500mg/L），但出水情况却相当好，不仅优于IMO 的排放标准，甚至远远好于Alaskan地区排放规范（40CFR133）。
不仅如此，MBR的容积负荷要高于国内外的类似污水处理装置。这对于解决船舶上空间有限的实际问题具有十分现实的意义，见表3。
表3  MBR与其它处理装置容积负荷比较
装置名称容积负荷（k g  BOD5/m3・d）
WCV-200 7.00
MSP-60    5.89
4 膜生物反应器工艺与传统污水处理工艺
的比较
4.1 活性污泥浓度
膜生物反应器的一个重要特征是大大提高了污泥浓度。通常，膜生物反应器的污泥浓度可以达到15~20g/L，而常规的处理装置仅为2~4g/L。根据Heukelekian方程[7]：
(dX/dt)g = Y(dS/dt)u − k d・X
式中：
(dX/dt)g—微生物增长速度；
Y—产率系数；
(dS/dt)u ——有机物降解速度；
k d—内源呼吸系数；
X—膜生物反应器中微生物浓度。
系统稳定运行时，微生物增长速度为零((dX/dt)g=0)，有机物的降解速度与有机物浓度线形相关。去除污水中的有机物质靠的是微生物的新陈代谢，微生物的浓度越高，降解速度越快，有机物去除能力也就越强。根据文献报道，膜生物反应器的有机物去除能力是常规污水处理系统的5~7倍。随着过滤对象污泥浓度值的提高，膜的水通量逐渐小幅下降，但出水水质则更好一些。其原因是大量活性污泥絮体、游离细菌等被膜表面截流，使孔径因阻塞而变小，在原来的膜表面形成一层动态膜，减小了膜的有效孔径，导致膜的实际截流分子量降低。根据膜过滤凝胶极化模型，污泥浓度的提高会随着过滤过程达到稳定，膜界面污泥浓度达到临界值而不再变化。
当然，膜生物反应器内的活性污泥浓度也不能无限制地升高，因为浓度过高，液体的特性会发生突变，粘度会呈指数性升高，膜表面的浓度极化现象会异常严重，造成膜的水通量显著降低，甚至出现堵塞现象。
4.2 剩余污泥
微生物的新陈代谢必然会产生代谢产物—剩余污泥，其产生量可由下式确定[7]：
ΔX= a・Q・S r−b・V・X
式中：
ΔX—剩余污泥量；
Q・S r—有机物去除量；
a—污泥合成系数；
V・X—装置中微生物总量；
b—内源呼吸自身氧化率。
船舶污水的有机物含量高，应用常规污水处理装置处理后产生的剩余污泥量很大。由于剩余污泥不能直接排放，因此需要相当的空间贮存污泥。而膜生物反应器的活性污泥浓度高，内源呼吸自身氧化率比常规值（约为0.188~0.11）高。所以有研究者认为，膜生物反应器内的高浓度活性污泥可以通过微生物自
身的内源呼吸消化，保持污泥量的恒定，无剩余污泥产生，达到“零排放”。
但实际处理过程中，由于污水停留时间长，微生物失活的可能性较大，加之随进水带入的无机成分累积，因此从维持生物活性的角度出发，定期排泥还是必要的，但排泥量仅为常规污水处理装置的1/5~1/7。排泥方式宜从曝气柜中直接排泥，以减轻膜负荷，降低动力消耗。
4.3 含氮有机物的处置
船舶污水中的NH3 -N含量是相当高的，除供生物进行新陈代谢外，还会有多余的NH3 -N存在于水体中。常规污水处理装置在氧化有机物中碳的同时，NH3-N也被硝化(NH3-N+O2→NO3ˉ+H2O)。而当NO3ˉ进入沉淀柜后会发生反硝化(NO3ˉ+H+→N2+H2O)，产生的氮气会吸附沉淀柜中已经沉淀的污泥，从而使出水带泥，SS严重超标。膜生物反应器利用膜进行固液分离，不存在上述问题。而且，膜生物反应器高浓度的MLVSS为反硝化提供了内部的厌氧条件，总氮的去除率可以达到50%~60%，由于维持较长的泥龄和膜的拦截作用，NH3-N的去除率可以达到90%以上。
4.4 固液分离时间
图2  PSK膜组件与重力沉淀固体去除率比较
根据上图可以很容易看出膜分离比重力沉淀固液分离有更高的固体去除率。
4.5 消毒剂
生物处理的主要微生物是细菌和原生动物，有时还有真菌和少数后生动物，它们一方面作为消除污染的主要力量，另一方面形成絮体。由于这些微生物主要来源于船员的排泄物，不可避免的带有某些致病菌。为消除这些致病菌，传统的污水处理装置用氧化性质的化学品进行消毒灭菌，但同时也带来了化学品对水体的二次污染。膜生物反应器利用膜进行固液分离，常用膜的孔径一般为零点几到十几微米，而常见细菌的d max为10~100微米[8]。因此细菌几乎不能通过膜而排出，膜生物反应器不需要使用消毒剂及附属装置。
5 结束语
综上所述，膜生物反应器较传统的船舶污水处理工艺有许多优势，但在我国的应用还相当有限。我们应加强在这方面的科研工作，使膜生物反应器技术尽快应用于我国船舶的污水处理中。
6 参考文献
[1] Hardt F W. Clessceri L S. JWPCF,1970,42:2135
[2] 日笠胜. 用水と废水. 1985，27（16）：1015
[3] 海船防污染结构与设备规范. 中华人民共和国船舶检验
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[4] 邵刚. 膜法水处理技术. 北京：冶金出版社，1992
[5] Allan Bentley The optimisiation of membrane bio-reactor
technology for use in the treatment of marine wastewater.
Hamworthy KSE ,2001
[6] Optimised Environmental Technologies. Hamworthy
KSE ,2000
[7] 顾夏声. 废水生物处理数学模式. 北京：清华大学出版
社，1982
reactor technology
[8] 王业俊等译. [法]德格雷蒙公司. 水处理手册. 1987
作者简介：杨元晖男（1977—），从事船舶污水处理工程和技术的研究。

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