超濾膜生物反應器(UltrafiltrationMembraneBioreactor，UMBR)是將超濾膜與生物反應器相結合的一種水處理設備。根據(jù)膜組件和生物反應器的位置和流體流程的不同，可分為內(nèi)置式膜生物反應器(SubmergedMembraneBioreactor，SMBR)和外置式膜生物反應器(Re—circulatedMembraneBioreactor，RMBR)。外置式超濾膜生物反應器(Re—circulatedUltrafiltrationMembraneBioreactor，RUMBR)是將超濾膜外置于生物反應器的一種水處理設備。20世紀60年代末，Smith等…首次用超濾膜過濾活性污泥，開始了用超濾膜處理廢水的研究。UMBR處理效率高、操作運行簡便、容易實現(xiàn)一體化自動控制、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，使其推廣應用受到限制。
隨著膜技術的發(fā)展成熟，UMBR在廢水處理方面的應用前景將極為廣闊。我國大部分油田己進人中后期開采階段，采出液含水量已達80％～90％，水質(zhì)也隨著工藝的復雜化而更加惡化，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的廢水要求精細過濾后回注。本工作采用RUMBR對勝利油田某區(qū)塊采出液(廢水)進行處理，收到了較好的效果。
1實驗部分
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/mL，腐生菌濃度為250個/mL，烴類氧化菌濃度為0.7個/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。
實驗采用間歇式運行。緩沖池容積為200L。生物接觸氧化池由有機玻璃制成，長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機通過生物接觸氧化池底部設有的直徑為l0mill的曝氣頭對池內(nèi)的廢水進行曝氣，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)，其切割相對分子質(zhì)量為6×l0，膜面積為0.2m，長為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、土樣和油樣進行富集培養(yǎng)，經(jīng)多次平板分離和進一步增值培養(yǎng)得到單一菌種。經(jīng)過篩選、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)，向自來水中加入無機及有機營養(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機氮、磷，逐漸降低培養(yǎng)液的濃度；第三階段動態(tài)培養(yǎng)l0d，生物接觸氧化池進水改為連續(xù)進水，調(diào)節(jié)進水流量，控制廢水在生物接觸氧化池中的水力停留時間為l0h、溶解氧質(zhì)量濃度3～4mg/L。經(jīng)過1個月的掛膜實驗，各項運行參數(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℃每問隔5℃考察溫度對超濾過程的影響(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。針對膜污染，設計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膜通量恢復的情況。實驗運行20d后，在生物接觸氧化池后增加一個沉淀池，池中加入殺菌劑(NaCIO溶液)，考察膜污染減少的情況。最后對生物接觸氧化池和膜過濾出水的水質(zhì)(油、懸浮物質(zhì)量濃度)進行分析檢測。
2結果與討論
2.1生物接觸氧化池
細菌濃度在5d時達到最大值1×10個/mL，并在此濃度下保持幾天，隨著廢水的加入，由于營養(yǎng)的降低及細菌和原生動物的生物競爭，使生物接觸氧化池內(nèi)細菌濃度逐漸降至1×10個/mL，細菌對廢水適應后，細菌濃度穩(wěn)定在1×10。個/mL。
微生物在生物接觸氧化池內(nèi)的填料上形成生物膜，直接影響微生物對廢水中有機物降解的效率。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，生物相主要以細菌為主，并有圓球衣藻、變形裸藻等低等原生動物出現(xiàn)。第二階段：細菌濃度降低。開始時廢水中的油和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去除率分別達到91.6％和78％，BOD去除率達到80％，懸浮物也有很大程度的減少，此時生物膜已基本適應了水質(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時鏡檢觀察，發(fā)現(xiàn)帆口蟲、鐘蟲、草履蟲等原生動物，30d時出現(xiàn)輪蟲、線條三足蟲等后生動物，標志著生物膜已逐漸長至成熟，填料表面生長了薄薄一層棕褐色生物膜，膜厚1～2rnnl，生物接觸氧化池各項參數(shù)趨于穩(wěn)定，至此，填料掛膜成功。
2.2超濾膜過濾
2.2.1壓力對膜通量的影響壓力對膜通量的影響見圖2。
超濾膜過濾生化處理后的廢水時，存在一個臨界壓力。從圖2可見，壓力為0.04～0.08MPa時，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，操作壓力過高，使動力消耗加大，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)，證明有油滴進入膜孔內(nèi)，造成膜孔堵塞，導致膜通量減小。
2.2.2溫度對膜通量的影響
溫度對膜通量的影響(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。用線性回歸方法對實驗結果進行處理得關系式：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系�？紤]到升高溫度對能量的需求和對生物接觸氧化池內(nèi)細菌、膜組件及設備的影響，溫度也并非是越高越好。因此，確定實驗溫度為20～28℃。
2.2.3時問對膜通量的影響
在0.08MPa壓力下實驗進行5h，考察時問對膜通量的影響，結果見圖4。從圖4可見，實驗初期膜通量為48L/h；當實驗進行約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穩(wěn)定的最低值。
在0.08MVa壓力下實驗進行31d，每天運行5h，每1h反沖洗1次，考察膜通量與時問的關系。實驗結果表明，經(jīng)過清洗，膜通量基本可恢復至初始值(48L/h)。
2.2.4膜污染與清洗
實驗運行1h后，膜通量降至初始膜通量的40％左右，認為膜已發(fā)生污染，需通過清洗來恢復膜通量。首先，用超濾水沖洗超濾膜，以去除附著在超濾膜表面的無機固體顆粒和部分細菌體，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。整個清洗過程約15rnin，清洗時問比文獻報道的方法縮短。
許堅等認為，微生物及其菌膠團在膜纖維表面的附著、繁殖形成生物膜，從而對超濾膜形成污染。為驗證該結論的正確性，實驗進行20d后在生物接觸氧化池后增加一個沉淀池并加入殺菌劑(質(zhì)量分數(shù)為0.3％的NaC10溶液)。未加沉淀池時，每運行1h時膜通量降至初始的41.59％(平均)；增加沉淀池后，每運行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.yiban123.com更多相關技術文檔。
2.3廢水處理效果
2.3.1油質(zhì)量濃度
進水、生物接觸氧化池出水及RUMBR出水中油質(zhì)量濃度與時間的關系見圖5。經(jīng)生物接觸氧化池、RUMBR處理后的出水水質(zhì)相對穩(wěn)定，出水中油質(zhì)量濃度在1mg/L以下，達到低滲透油田回注水A1級要求。
2.3.2懸浮物
進水、生物接觸氧化池出水及RUMBR出水中懸浮物質(zhì)量濃度與時間的關系見圖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，達到低滲透油田回注水A3級要求。
3結論
a)外置式超濾膜生物反應器(RUMBR)對含油廢水適應能力強，在油質(zhì)量濃度大于25mg/L時也能正常運行，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、磷等營養(yǎng)成分可以循環(huán)利用，無需再加入營養(yǎng)成分。控制生物接觸氧化池內(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間為10h，生物接觸氧化池中細菌濃度為1×10。個/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系。實驗得出的適宜操作壓力為0.08MPa，溫度為20～28℃。
f)對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，膜通量可恢復到初始膜通量的98％以上。在生物接觸氧化池后增加一個沉淀池，池中加入殺菌劑(質(zhì)量分數(shù)為0.3％的NaC10溶液)，膜污染可以減少約7.77％。
