复合式膜生物反应器

复合式膜生物反应器篇1

1.1 基本原理

复合式生态土壤污水处理技术目前在日本、德国等发达国家已经得到了广泛的应用, 通过化粪池、调节池等前处理的污水通过配水系统将生活污水引入生态土壤渗滤系统, 向该系统均匀布水, 由于毛细管作用上升在土壤系统各生物滤层经过。在上述过程中, 水与污染物分离, 水被渗滤并通过集水系统收集, 污染物由于土壤生物滤层的分解、利用和物理吸附等作用被去除。系统对水质净化的原理主要有以下几个方面:

(1) 毛细管、虹吸及物理化学吸附过程:通过土壤的毛细管现象及表面张力原理, 将水与污染物种的胶体部分、溶解部分分离开来, 土壤颗粒间的空隙能截留、滤除污水中的悬浮物及胶体物质, 起渗滤作用;土壤颗粒吸附溶解性污染物于土壤中。

(2) 微生物代谢和有机物的分解过程:土壤中含有的微生物能对污水中的悬浮固体、胶性体、溶解性污染物进行生物降解, 并利用污水中有机物为营养物, 进行新陈代谢。

(3) 植物的净化过程:由于土地渗润处理单元表面的草坪、花卉或树丛等植物生长的需要, 对污水中的氮、磷进行吸收富集。

1.2 复合式生态土壤渗滤处理单元

土壤渗滤处理单元从上至下依次为植物层、改良土壤层、除味渗滤层、主反应层、布水层、防渗层。

(1) 防渗层:位于最底层的防渗层主要作用是防止污水直接下渗, 在本层经过配水池处理的污水直接进入, 在本层形成了水势最高的地方, 使砾石层经常处于水饱和状态, 促使水分的毛细上升。

(2) 布水层:由直径为20~40mm的砾石和粒径为0.25~1.00mm的粗砂组成, 主用是承托整个单元均匀布水, 为生物膜为载体悬浮生长的微生物提供生长的空间, 内设布水管。

(3) 主反应层:由经过工程驯化培养的生物菌种和生物填料组成, 其作用主要是阻挡污水中的悬浮物进入主反应层, 由次反应层和布水层一起构成土壤处理单元的初步兼氧和厌氧反应层, 是污水净化的主要作用层。

(4) 土壤层:由腐质土构成, 具有较好的土壤通透性, 作为植物生长的基质, 厚度在10~20cm范围内, 是草坪植物的生长层, 其上种植当地适生植物, 实现污水绿地利用。

(5) 植物层:选用具有一定观赏、经济植物根系较为发达的不同植物组合而成, 这些植物由于根系发达, 深入土壤, 通过根系吸收植物生长必要的氮、磷元素, 而达到进一步净化污水的目的。同时植物的根系深入土壤不仅增加了土壤的水力渗透作用, 还可以泌氧, 有助于创造一个良好的植物根区微环境, 促进微生物对污染物的降解, 有利于污水净化。

(6) 出水渠:通过复合式土壤渗滤处理系统处理过滤的水汇入出水渠, 通过出水渠水流入集水池。

2 膜生物反应器

膜生物反应器 (Membrane Bioreactor, 简称MBR) 是高效膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。根据膜组件与生物反应器的组合方式, 膜生物反应器可分为一体式膜生物反应器、分置式膜生物反应器和复合式膜生物反应器, 本试验采用一体式膜生物反应器。

膜生物反应器工艺对污染物的去除是由生物反应器和膜组件共同完成的, 对COD、NH3-N等具有很强的去除能力。有机和营养污染物的去除主要在生物反应器内通过反应器内微生物的生物同化和生物降解作用去除。在反应器活性污泥系统内, 在污水开始与活性污泥接触后的较短时间, 污水中的有机底物即被大量去除, 这是由吸附作用所导致的。活性污泥有很大的表面积, 在表面上富积了大量的微生物, 在其外部覆盖着多糖类的粘质层, 当其与污水接触时, 污水中呈悬浮和胶体状态的有机底质即被活性污泥所凝聚和吸附而得到去除。在膜生物反应器工艺中, 由于污泥浓度较高, 系统内微生物处于内源呼吸期, 活性较强, 加之曝气量较大, 反应器内水力扩散程度好。所以, 活性污泥的初期吸附作用是很强的。

被吸附在活性污泥微生物细胞表面上的有机底物, 在酶的作用下, 透过细胞壁而进入微生物细胞内。进入细胞内的有机底物, 在各种胞内酶的催化作用下, 微生物对其进行分解和合成代谢。对一部分有机底物进行氧化分解, 最终形成二氧化碳和水, 并从中获取合成新细胞物质所需的能量。对另一部分有机物进行合成代谢, 形成新的细胞物质, 所需能量取自分解代谢。

3 复合式生态土壤污水处理技术和膜生物反应器试验效果分析

3.1 复合式生态土壤污水处理系统和膜生物反应器系统对COD的处理特性分析

从图1可以看出, 膜生物反应器系统对COD的去除效果要略好于同期土壤处理系统对COD的去除效果, 膜生物反应器系统对COD的平均去除率为9 7.04%, 复合式生态土壤处理系统对COD的平均去除率为91.94%。虽然复合式生态土壤处理系统对COD的平均去除率要低于膜生物反应器系统, 但出水也满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A的标准, 出水可用于城市绿化、冲厕和清扫道路等方面。

3.2 复合式生态土壤污水处理系统和膜生物反应器系统对氨氮的处理特性分析

从图2可以看出, 膜生物反应器系统对氨氮的去除效果要略好于同期复合式生态土壤处理系统对氨氮的去除效果, 膜生物反应器系统对氨氮的平均去除率为95.24%, 而复合式生态土壤处理系统对氨氮的平均去除率为82.35%。

全年6~11月膜生物反应器系统和复合式生态土壤处理系统对氨氮的去除效果接近, 其余月份复合式生态土壤处理系统对氨氮的去除效果都要远小于膜生物反应器系统, 这是由于复合式生态土壤处理系统对氨氮去除效果受温度影响比较明显, 而膜生物反应器系统相对比较稳定, 抗冲击能力强。

3.3 复合式生态土壤污水处理系统和膜生物反应器系统对总氮 (TN) 处理特性分析

从图3可以看出, 膜生物反应器系统对TN的去除效果要略好于同期复合式生态土壤处理系统对TN的去除效果, 膜生物反应器系统对TN的平均去除率为82.16%, 而复合式生态土壤处理系统对氨氮的平均去除率为75.81%。

从11月到来年4月, 膜生物反应器系统对TN的去除效果要明显优于复合式生态土壤处理系统对TN的去除效果, 这是由于复合式生态土壤处理系统对TN去除效果受温度影响比较明显, 而膜生物反应器系统相对运行稳定。因此, 建议在低温期采用膜生物反应器系统对污水进行处理。

3.4 复合式生态土壤污水处理系统和膜生物反应器系统对总磷 (TP) 的处理特性分析

从图4可以看出, 膜生物反应器系统对TP的去除效果要略好于同期土壤处理系统对TP的去除效果, 膜生物反应器系统对TP的平均去除率为90.32%, 复合式生态土壤处理系统对氨氮的平均去除率为87.11%。

从11月份到来年6月份, 膜生物反应器系统对TP的去除效果要明显优于复合式生态土壤处理系统对TP的去除效果, 这是由于复合式生态土壤处理系统对TP去除效果受温度影响比较明显, 而膜生物反应器系统相对运行稳定。因此, 建议在低温期采用膜生物反应器系统对污水进行处理。

4 小结

(1) 复合式生态土壤污水处理系统建设周期短、投资低、无动力消耗、管理简便, 能充分适应高速公路生活污水排放特点, 实现了生活污水的高效处理和保护生态环境的作用。

(2) 运行结果表明, 该项目试验研究和开发的复合式生态土壤污水处理渗滤系统能够较好地解决高速公路目前附属区生活污水处理问题, 可以有效地去除COD、氨氮、TN、TP等。

(3) 系统的研发相对一般土壤自然处理系统, 具有不受实施地土壤物理化学性质的限制, 同时具有环境工程技术与土壤生态系统处理的优点, 该技术对于具有高速公路等类似的生活污水处理是可行的。

(4) 通过复合式生态土壤系统处理单元处理后的生活污水, COD、氨氮、TN、TP等指标明显下降。COD去除效率为91.94%, 氨氮去除效率为82.35%, TN去除率为75.8%, TP去除效率为87.1%。

(5) 通过膜生物反应器系统处理单元处理后的生活污水, COD、氨氮、TN、TP等指标明显下降。COD去除效率为95.24%, 氨氮去除效率为97.03%, TP去除效率为90.3%, TN去除率为82.2%。污水处理后水质达到《城镇污水处理厂污水排放标准》GB18918-2002的一级标准, 污水排放指标都优于城市杂用水绿化用水的标准, 该水经过回收以后全部回用于系统的绿化单元。

(6) 由于气温对生态土壤系统的脱氮除磷效能影响很大。冬季低温期氨氮、TN和TP去除率降到最低点, 春夏季节又大幅度上升。而膜生物反应器系统抗冲击负荷强, 运行稳定, 受外界影响小, 因此建议在低温期建议采用膜生物反应器系统对污水进行处理。

(7) 根据鹤大高速公路服务区的特点, 建议污水处理方式采用复合式生态土壤处理系统与膜生物反应器联用技术, 常温期建议采用复合式生态土壤处理系统, 在低温期建议采用膜生物反应器系统, 当对处理水有特殊要求时建议采用复合式生态土壤处理系统与膜生物反应器联用, 确保出水效果。

摘要：通过复合式生态土壤污水处理技术和膜生物反应器技术在鹤大高速公路服务区污水处理中的试验研究, 在北方寒冷地区高速公路服务区探索一种既经济又能满足排放要求的污水处理方式。

关键词：高速公路服务区,复合式生态土壤污水处理技术,膜生物反应器

参考文献

[1]寇继海.关于土壤渗滤技术在净化高速公路附属区污水的应用探讨[J].北方交通, 2008 (3) .

复合式膜生物反应器篇2

复合式/一体式膜生物反应器处理生活污水中试试验对比研究

摘要：用中试对比进行一体式与复合式膜生物反应器对于生活污水污染物的去除研究.发现2种膜生物反应器对于COD的总去除率都在96%左右:对于氨氮的去除率都在90%以上,2者在处理效能上并无太大区别;但复合式膜生物反应器对于总氮的去除高了10%,同时污泥浓度大大降低,使膜污染降低,污泥脱水性能增加.作者：谢富强杨砺作者单位：中国市政工程中南设计研究院,湖北武汉,410030 期刊：能源与环境 Journal：ENERGY AND ENVIRONMENT 年，卷(期)：, “”(3) 分类号：X703.3 关键词：膜生物反应器 填料有机物氨氮总氮

复合式膜生物反应器篇3

【关键词】物化混凝沉淀；膜生物反应器；技术；隧道；应用

1.双鹰顶隧道污水概况

双鹰顶隧道施工采用矿山钻爆法，爆破施工过程中产生的主要污染物成分为：硝酸铵（NH4NO3）、梯恩梯（三硝基甲苯）、硝酸钠、柴油、凡士林、松香、乳化剂、石蜡等。混凝土施工过程中，水泥、粉煤灰及外加剂流失造成的污染，其主要污染成分为：碘含量、SO3、MgO、CaO等，在施工过程中，机械设备形成的机油、柴油、汽油及人员生活杂用水、粪便污水等，具体检测指标见表1。。

施工污水主要为清洗、冷却机械设备污水，混凝土搅拌、养护用水，洞内风枪钻爆、喷射混凝土用水，以及洞内围岩裂隙水，经现场多次测试检算，每天施工污水排放量为300t/d，生活污水排放量為260t/d。

2.污水处理问题的提出

双鹰顶隧道斜井地处广东省惠州市惠阳区沙田镇金桔自然保护区、沙田水库水源保护区内的田心村，区内植被发育。沙田水库为惠阳区淡水镇、沙田镇饮用水的水源地，供应约10万人的饮用、生活用水，库容量1800万m3，水质为地表Ⅱ类水质标准。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），具体标准值见表2。

3.物化混凝沉淀+膜生物反应器处理组合技术简介

依据双鹰顶隧道排污量及地形空间，双鹰顶隧道污水处理采用膜生物反应器+物化沉淀组合污水处理技术，工艺流程图如图1示。

各处理构筑物功能简介

（1）沉砂池。沉砂池作为污水预处理设施，一般是设在污水处理厂生化构筑物之前的泥水分离的设施。分离的沉淀物质多为颗粒较大的砂子，沉淀物质比重较大，无机成分高，含水量低。污水在迁移、流动和汇集过程中不可避免会混入泥砂。污水中的砂如果不预先沉降分离去除，则会影响后续处理设备的运行。如磨损机泵、堵塞管网，干扰甚至破坏生化处理工艺过程。施工中的污水经过沉砂池，截留大颗粒泥砂沉淀，定期、不定期清除泥砂。

（2）化粪池。生活污水在此进行化粪作用并借助于污水中所含粪便的大量微生物的作用，在厌氧条件下进行微生物的接种和驯化培养。

（3）沉淀池。沉淀池是应用沉淀作用去除水中悬浮物的一种构筑物，一般是在生化前或生化后泥水分离的构筑物，多为分离颗粒较细的污泥。此中其主要功能和作用是对混合污水进行沉淀，以去除污水中可沉和粗大物。

污水在进水口设混合器加药进入调节堰口，稳定进水的流量，使污水中以胶体状态存在的分散小颗粒与混凝剂发生混合，凝聚的反应，加大絮体的粒径，使之沉降，从而使污水得到净化。池中设集泥槽，安装2台排泥泵，泥排入污泥干化池，干化后外运处理。上清液回调节沉淀池处理。

（4）厌氧生物滤池

生活污水经过化粪池自流进入厌氧生物滤池进入沉淀池后一并处理。厌氧生物滤池污水处理设备主要由沉淀池、厌氧接触池、过滤池三部分组成。

沉淀池：经化粪池自然发酵后的污水自流进入设备内沉淀池，污水中的大颗粒物质在此进行沉淀，沉淀污泥由移动式潜污泵或由吸粪车定期吸出处理，时间一般为半年或一年。

厌氧接触池：厌氧池主要是用于厌氧消化，对于进水COD浓度高的污水通常会先进行厌氧反应，提高COD的去除率，将高分子难降解的有机物转变为低分子易被降解的有机物，提高BOD/COD的比值。而且在除磷工艺中，需要厌氧和好氧的交替条件。污水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将污水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧，碳，硫，氢等为受氢体。沉淀后污水自流进入厌氧接触池，水流由下而上通过多种填料形成厌氧生物膜，在生物膜的吸附和微生物的代谢作用下，污水中的有机物被去除。填料同时具有截污的作用，污物和脱落的生物膜经截留自沉后形成污泥，与沉淀池污泥一并吸出处理。

过滤池：经厌氧处理后的污水自流进入过滤池底部，由下而上通过填料层，该新型填料既能截留污物又能形成生物膜，即在过滤区既有过滤作用又是二级厌氧池。过滤后出水直接进入调节沉淀池后段处理。

（5）污水抽升井。沉淀池的水自流进入抽升井，井内设置污水泵，两用两备，高位启动，低位停止，污水泵提升至一体化气浮过滤装置。

（6）气浮过滤装置。项目选用一体化自动污水两级气浮过滤装置。本装置特征是气浮池底设有污泥沉淀区，内有排泥装置，气浮出水集水设置在沉淀区上方，以及在气浮后设有组合式过滤装置。气浮在间隙运行产生的沉淀污泥，可以单独排出，不会随出水带出，从而有效保证了气浮出水质量。气浮出水后部一体化过滤装置，又有效保证了出水要求，尤其是采用焦炭作过滤介质，可充分利用气浮出水未消耗余氧，使过滤器兼有生化和过滤双重功能。

（7）管道混合器。混合设备是完成凝聚过程的设备。混合设备必须满足下列要求：a.保证药剂均匀地扩散到整个水体；b.混合时间不宜过长，一般控制在10～30s以内，最大不超过2min；c.能使处于强烈搅动状态之中。管式静态混合器是在管道内设置若干固定叶片，并按照一定角度交叉组成。水流通过混合器时形成对分流，同时产生蜗旋反向旋转及交叉流动，达到混合效果。管式静态混合器混合效果较好，安装容易，维修工作量小，而且其有显著优点就是不另外占地。

（8）药剂投加方式确定。常用的投加方式有：泵前投加；高位溶液池重力投加；水射器投加以及泵投加。本设计中采用泵投加，泵投加有两种方式：一是采用计量泵，二是采用离心泵配上流量计。采用计量泵不必另行配备计量设备，泵上有计量标志，可通过改变计量泵行程或变频调速改变药液投量，最适合用于混凝剂自动控制系统。

（9）混凝剂的选定。本设计采用聚合氯化铝又名碱式氯化铝作混凝剂，其主要特点是净化效率高、耗药量少、出水浊度低、色度小、过滤性能好、原水高浊度时尤为显著；温度适应性高，PH适用范围宽（可在PH=5～9的范围内），因而可不投加碱剂；使用时操作方便，成本较三氯化铁低；是无机高分子化合物。

（10）高效漩涡澄清池。微涡流混凝工艺的核心是涡流反应器，其内腔絮体能长期保持，涡流反应区外的絮体泥渣可以全部排除，因而排泥操作可以简化，运行更稳定。由于微涡流造成混凝剂高效扩散，提高了混凝剂利用率，同时，涡流反应器腔内大量絮体活性得到充分利用，这使得微涡流混凝工艺的混凝剂消耗量明显低于传统工艺。

（11）清水池。经过处理后的水进入清水池，一部分处理水进行回用；另一部分可直接排放。在清水池内有利于消毒剂与水充分接触反应，提高消毒效果。

（12）污泥干化池。沉淀池及一体化气浮池定期进行排泥，排出的泥在污泥干化池中进行浓缩，上清液再回流到沉淀池中。经脱水干化后的污泥进行外运处置。

4.处理后水质结果

检测报告结果显示污水排放能够达到地面Ⅱ类水标准。

5.结束语

该设备占地面积小，工艺流程紧凑，节省大量土建费用；运行费用主要是日常的电费，比起传统生化工艺，运行成本较为低廉。整套设备可采用PLC控制，自动化程度高，运行稳定可靠，抗冲击负荷能力强，无需人员操作管理。

由于占地面积小，采用集成式结构，能够输出较清洁的回用水，特别适合于基建工程项目、小城市、乡镇污水处理项目，具有明显的环境、社会效益。

参考文献

膜生物反应器中膜污染形成机理分析篇4

1 实验部分

1.1 去除率和渗透通量的计算方法

膜生物反应器的性能一般用去除率R和渗透通量J (L/ (m2·h) ) 来表征:

R= (W1-W2) /W1 (1)

式中: W1为原液中某物质的浓度, mg/L; W2为渗透液中某物质的浓度, mg/L。

J=W/At (2)

式中: W为透液量, L; A为膜面积, m2;t为透过时间, h。去除率高低对膜生物反应器处理废水效果有很大的影响, 膜的渗透性能好坏对实际生产投资规模、生产成本影响很大, 所以二者一直受到膜应用研究者的关注。

1.2 实验装置及实验方法

采用上海亚东核级树脂有限公司生产的SCM杯式超滤器 (图1) , 其为终端过滤模式, 内设磁力搅拌桨, 用于对膜的水力清洗; 外加压力通过高压氮气瓶提供稳定压力; 料液从顶部带旋钮的孔中加入, 滤液流入量筒中。以平板膜为研究对象, 采用的膜材料有PVDF (聚偏氟乙烯) 和混合纤维素膜 (醋酸纤维素和硝酸纤维素) 2种, 孔径有0.22、 0.65、 1.2 μm三种。膜直径为8 cm, 有效直径为6.8 cm, 有效膜面积为3.6×10-3 m2。

1.3 实验安排

用纯水把膜浸湿, 再分别取浸湿的新膜在室温、跨膜压力为0.2 MPa条件下测其纯水、印染废水的通量及冲洗后膜的通量。同时用扫描电镜对膜表面和孔内的污染物形态进行表征。

2 实验结果与讨论

2.1 膜过滤处理效果

分别取生化处理后的印染废水和经膜过滤后的渗透液样品, 能够明显看出渗透液与原液的区别, 原液的颜色明显为深红色, 渗透液透明无色。膜过滤出水水质情况见表1。

2.2 短期运行膜通量的分析

2.2.1 膜孔径对膜通量的影响

通过考察六种膜的通量衰减情况 (图2、3) , 所有的膜在5 min内膜通量陡减, 到50～100 min后趋于相同, 并且通量保持在20～25 L/ (m2·h) 之间。由此可知, 膜通量主要是由滤饼层所形成的孔径决定的, 并不是由新膜的孔径决定。

注: a.厕所便器冲洗, 城市绿化; b.洗车, 扫除。

通过电镜扫描对比可以看出 (图4、 5) , 混合纤维素膜表面的沉积层较厚, 从断面照片可以看出厚度约为5 μm, 且上层为较大颗粒的松散层, 表面很粗糙;聚偏氟乙烯膜表面的沉积层较薄, 从断面照片可以看出厚度约为1.5 μm , 且沉积层表面较均匀平坦。此时膜通量降低及膜污染主要是沉积层的形成所造成的。

2.2.2 不同料液膜通量的分析

由图6可以发现, 对于不同的过滤水质, 膜的通量变化趋势均是一致的, 就是由最初膜的通量很高到膜通量稳定时, 膜的通量趋于一致。因此可以知道, 无论什么水质, 其过滤机理均是一致的, 其稳定过滤通量是由沉积层决定的。

2.2.3 搅拌对膜通量的影响

聚偏氟乙烯膜在膜过滤的过程中经过空搅拌 (不加压搅拌) , 膜通量可以得到一定程度的恢复 (图7) 。表明此时膜污染既存在不可逆污染 (沉积层) , 又存在可逆污染 (浓差极化) , 沉积层不能够通过搅拌去除掉, 浓差极化可以通过空搅拌来缓解, 但是随着加压继续进行膜过滤, 浓差极化又不可避免地形成。

2.3 长期运行的膜通量分析

在连续运行25 h后, 两种膜都明显地出现了通量的二次稳定现象 (图8) 。这可能是因为在膜过滤过程中, 膜的污染发生质的变化, 膜污染被加剧, 表面的沉积层更加密实, 膜污染机理发生变化。

从污染膜的断面扫描电镜图 (图9) 可以看出, 混合纤维素膜表面的沉积层较厚, 厚度约为5 μm, 沉积层比较疏松且污染物成分很杂乱; 聚偏氟乙烯膜表面的沉积层较薄, 厚度约为2.5 μm, 且沉积层表面较均匀平坦, 污染层布满了丝状菌和短杆菌、球状菌, 丝状菌产生的分泌物较少, 其余菌种产生了厚厚的一层分泌物。正是因为这些丝状菌的大量存在, 使得沉积层密实、表面平坦;而混合纤维素膜表面的沉积层主要是无机杂物, 使得沉积层松散、表面粗糙, 从而更容易吸附污染物质, 加速沉积层的加厚, 膜污染加速。

同时由图10可以看到, 此时的膜内部已经被污染了, 有少量污染物进入膜孔内, 吸附在膜孔内壁上。膜运行25 h污染物进入膜孔内部的深度是:混合纤维素膜达15 μm, 聚偏氟乙烯膜为7 μm, 其仅是混合纤维素膜的一半深。由此可知, 混合纤维素膜不论是表面还是内部都比聚偏氟乙烯膜更容易被污染。

3 结论

(1) 污泥在过滤过程中, 膜的相对通量随过滤时间呈指数衰减趋势, 并在几分钟内就达到相对稳定值, 且通量保持在20～25 L/ (m2·h) 之间。由此可知, 膜通量是由沉积层所形成的孔径决定的, 与新膜孔径无关。

(2) 过滤过程中, 进行空搅拌可以一定程度地提高膜的通量, 但是随后膜的通量又很快恢复到空搅拌之前的衰减趋势。可知, 膜污染既存在可逆污染, 又存在不可逆污染。

(3) 通过电镜照片观察, 聚偏氟乙烯膜沉积层的厚度是2.5 μm, 而混合纤维素膜的厚度约为5 μm; 污染物进入膜孔内部的深度是混合纤维素膜达15 μm, 聚偏氟乙烯膜为7 μm, 其仅是混合纤维素膜的一半深。说明膜通量降低及膜污染主要是沉积层的形成所造成的。

参考文献

[1]李红兵.中空纤维膜生物反应器处理生活污水的特性[J].环境科学, 1999, 20 (2) :53-56.

[2]耿朝阳.废水生物处理发展与实践[M].沈阳:东北大学出版社, 1997:39-41.

[3]黄霞.膜-活性污泥组合污水处理工艺的实验研究[J].给水排水, 1998, 24 (7) :23-27.

[4]Bouhbila E H, Aim R B, Buisson H.Fouling characterizationin membrane bioreactors[J].Separation and PurificationTechnology, 2001 (22/23) :123-132.

膜生物膜反应器的研究与应用篇5

膜生物膜反应器的研究与应用

摘要：为提高反应器中氧的利用率,高效去除水中的`有机碳和氨氮,介绍了一种新型的水处理反应器-膜生物膜反应器,该反应器通过膜分离技术与生物膜技术相接合,可获得100%氧利用率.并且能够起到快速降解挥发性有机物和高效去除有机碳和氨氮的作用,是一种很有发展潜力的污水处理工艺.作者：罗凌江于德浩邓正栋 LUO Ling-jiang YU De-hao DENG Zheng-dong 作者单位：解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京,210007期刊：净水技术 ISTIC Journal：WATER PURIFICATION TECHNOLOGY年，卷(期)：,27(1)分类号：X703关键词：膜生物膜反应器 无泡曝气传质异向

复合式膜生物反应器篇6

近年来,膜生物反应器在污水处理中得到越来越广泛的应用。由于膜的高效截留作用使反应器内的活性污泥浓度较传统的反应器更高,对污水中的有机物处理效率也越高。但是膜生物反应器的一个主要缺陷在于膜污染导致膜生物反应器的渗流量减小,这个问题是急需解决的。而膜生物反应器中的胞外聚合物(EPS)和可溶性微生物产物(SMP)浓度以及操作条件如水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)都对膜污染具有重要作用。

数学模型是研究污水处理的有效手段,Laspidou和Rittmann[3—5]提出了一个七个组分的常微分数学模型,主要用于模拟膜生物反应器中的EPS和SMP的生成。该模型的批试模拟结果和实验数据[6]对照良好,验证了该模型的准确性。但是在持续性实验中,L-R模型中没有考虑膜对底物、活性污泥、EPS、SMP的不同截留作用,且没有考虑操作中水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)对模型产物浓度的不同影响,仅用了一个参数来表示这两个物理量。所以为了研究L-R模型对膜污染的作用,就应该对L-R模型进行修正,加入对底物,SMP的渗流作用,以及污泥停留时间对模型的影响。

1 模型的建立

模型建立的基本假设:

(1)底物S、UAP和BAP被细菌Xa消耗都满足Monod方程。细菌消耗底物时生成胞外聚合物(EPS)和微生物利用产物(UAP)。

(2)死亡后的细菌部分水解,剩下为惰性颗粒物质。

(3)EPS水解产生BAP。

(4)底物S,BAP、UAP能部分通过膜渗透,Xa、Xi和EPS不能透过膜渗透。

该反应器的生态动力学机理的示意图如图1所示:

根据图1的原理,修改L-R模型可得:

(1)式中S(mgCOD/L)为底物浓度,Si为持续流入底物浓度,Xa(mg/L)为异养菌浓度,EPS(mg/L)为胞外聚合物,UAP(mg/L)微生物利用产物,BAP(mg/L)为生物相关产物浓度,Xi(mg/L)为惰性颗粒浓度。SMP=UAP+BAP。

系统中各参数的含义及取值如表1所示:

为研究SRT和HRT对系统膜污染的影响,定义膜阻塞系数[9]为:

可溶性物质阻塞系数为:

悬浮物阻塞系数为:

2 数值模拟结果与讨论

2.1 SRT对膜污染的影响

对系统进行差分迭代,步长取5s,最大运行时间为100d,从而让系统有足够的时间达到稳态。研究SRT对模型的影响时,固定HRT=8h,对每个SRT值都取一组各变量的稳态值;反之,研究HRT对模型影响时,固定SRT=20d,对每个HRT值都取一组各变量的稳态值最后根据式计算出MFIMBR、MFIsol、MFIss。

首先确定水力停留时间为8h不变,然后让污泥停留时间SRT从2天增加到55天。图2表明随着SRT增大,可溶性物质阻塞系数MFIsol上升,UAP如图3-a所示,基本保持不变。该现象说明,随着EPS水解产生的有机大分子BAP增加,可溶性阻塞系数会主要因为BAP吸附在膜上形成污染膜而增加。而悬浮物阻塞系数MFIss下降是因为活性污泥和EPS浓度增加导致的F/M增加,该现象和参考文献中描述的试验结果吻合膜阻塞系数先随着污泥停留时间变长下降,然后在SRT=10d后随着污泥时间推长而慢慢上升。可见,要使总的膜阻塞系数最小,应选择恰当的污泥停留时间SRT。

图3-a表明,随着污泥停留时间增长,UAP的稳态浓度基本保持不变,而BAP的浓度随污泥在反应器中停留时间增加。该现象可解释为:UAP的组分应该为小分子居多,可以从膜缝隙中渗透出去,而BAP的浓度增加说明BAP作为EPS水解后的产物有机大分子成分居多,所以渗透通过膜的机会较少从而会在反应器中积聚可见造成膜污染的主要原因该为BAP。以上数值模拟得出推论和张海丰等[11]的实验结论吻合,说明对BAP的产出量实施有效控制是控制膜污染的有效手段。

定义污泥中的活性物质为MLVSS=Xa+EPS,总污泥量为MLSS=Xa+EPS+Xi。从图3-b看出随着污泥在反应器中停留时间越长,其中活性物质所占的比重越小,处理污水的效率也会越低,所以在反应器中的污泥停留时间不易过长。

2.2 HRT对膜污染的影响

保持污泥停留时间为20d不变,然后让水力停留时间从5h增加到50h,求出每个水力停留时间值对应的EPS,SMP浓度及阻塞系数值。图4表明,膜阻塞系数MFIMBR随着HRT增大而稍微降低,原因从图5-a可看出污水在反应器中停留的时间越长,SMP的浓度越低,可溶性物质阻塞系数会降低,而悬浮物阻塞系数随水力停留时间基本不变,对HRT不敏感。从图5-b中可看出,EPS在总活性物质中的比例基本不随HRT变化。数值模拟的结果显示,即使较短的水力停留时间也不会有很大的膜阻塞系数。

当然,本文的数值模拟都是考虑模型的稳态结果的,而如果在实际操作条件下,在瞬间反应速率太快时会导致产生大量的SMP积聚,可能使膜发生严重的阻塞现象。

3 结论

通过对L-R模型改进后的稳态模型的数值模拟,可得出如下结论:

(1)膜污染对SRT比对HRT更加敏感,应调节最佳的污泥停留时间,从而减少膜污染。

(2)可溶性物质阻塞系数随SRT增大,悬浮物阻塞系数随SRT减小,膜阻塞系数在SRT=10d时最小。

(3)活性污泥量在总污泥量中的比例随污泥停留时间降低,可见污水处理的效率也会随SRT的增加而降低。

(4)膜阻塞的主要原因是可溶性物质阻塞,其中BAP对膜阻塞的作用非常明显。

本文从数值模拟的角度,通过计算膜阻塞系数研究了污泥停留时间和水力停留际间对膜污染的影响,得出的结果和其它参考文献中的实验结论吻合。为选择实际操作中膜生物反应器的操作参数提供了理论依据和借鉴作用。

参考文献

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膜生物反应器中膜污染防治技术研究篇7

膜生物反应器 (MBR) 对于乳化油及其它大分子物质的隔离效果表现出很好的分离性能, 出水水质能够低于目前要求的排放标准, 所以在中长期可以成为船舶上油污水处理高效的分离设备, 避免油污水对环境的危害。但是膜分离材料在分离油污水的过程中不可避免会受到污染, 从而导致膜生物反应器的工作效率降低, 膜通量减少, 因此预防和控制膜污染的必要性严重影响了MBR的大面积推广和使用, 需要研究出减轻膜污染、延长膜的使用寿命、膜污染后再生的技术。

1膜污染的简述

产生膜污染的主要原因是被处理的料液中存在许多微粒、大分子有机物或胶体粒子和膜作用发生物理化学反应, 导致这些物质在膜表面及膜孔内沉淀、累积以及吸附, 从而造成单元膜组件的膜厚度增大, 膜孔孔径减小甚至堵塞, 导致水通过膜孔进行分离的过膜压力增加, 使透过膜的流量减少并且膜作为分离材料的分离效能大幅度降低, 影响MBR使用在油污水处理中的分离效果和经济效益[1]。膜污染的产生对于膜通量的下降和膜的使用寿命更换周期缩短有着直接影响。

膜污染可以分为可逆与不可逆膜污染两种类型, 其中可逆膜污染较容易去除, 可以通过物理、化学或生物方式来改善和减缓膜的进一步污染, 这种膜污染成为可逆的膜污染, 较典型的如因浓差极化现象而导致的膜污染;而在膜孔内壁面还有膜面因吸附作用, 使大分子溶质牢固地吸附在膜材料上而形成厚厚的凝胶层, 这一类的膜污染很难清洗, 因而称之为不可逆膜污染。

另外, 按照污染源的种类来分, 可以分为两类。一类是由被处理料液中存在的微颗粒如污泥中的絮体导致膜孔堵塞产生的膜污染;另一类是微生物自身新陈代谢通过消化油污水中的大分子油类物质, 而产生的一种称之为胞外聚合物 (EPS) 的高分子有机聚合物, 还有污泥产生的大量可溶性有机物 (SMP) 所形成的污染物[2]。

2膜污染的生成机理

膜污染产生的机理主要有生物污染、滤饼层污染、浓差极化形成的边界层污染和微颗粒堵塞膜孔道污染。

形成生物污染的机理主要可以分为4 个时期[3,4]:

(1) 一些大分子物质如腐殖质、多聚糖和微生物产生的代谢产物等等会在膜表面上吸附, 形成一层生物膜, 其适于微生物在其上生存繁殖。

(2) 油污水中粘附速度比较快的细胞会很快粘附于生物膜的表面, 而生物膜由于受到细菌死亡脱除和剪切力的影响从而生长缓慢。

(3) 油污水里存在着大量的菌种, 尤其是微生物产生的胞外聚合物 (EPS) , 更加剧了微生物在生物膜上黏附富集繁殖, 加快了生物膜的形成。

(4) 微生物在生物膜上繁殖和脱除达到了动态平衡之后, 生物膜逐渐趋于稳定, 生物污染因此而生成。

滤饼层污染是由于大分子有机物质和悬浮颗粒在膜表面通过架桥、吸附和网补等作用, 在膜表面不断沉积进而形成的一层滤饼造成膜的污染。

浓差极化造成的膜污染是由于污水中的溶质经过滤被截留在膜表面上, 在膜水分界面上或临界膜表面上浓度逐渐增大, 在浓度梯度的作用下, 向污水本体方向扩散并达到动态平衡后形成的一层边界层, 阻碍水的透过并影响膜通量的膜污染现象[5]。

膜内部孔道堵塞的污染, 是一些小于膜孔径的颗粒物质由于吸附作用, 不断在膜孔内壁面上沉积导致的膜孔堵塞和过膜压力升高。

其中滤饼层污染生成的沉积层与膜表面的黏附力比较弱, 可以较容易地使用物理方法去除, 对膜的使用性能影响不是很大, 属于可逆污染。其它污染通过物理方法较难去除, 需要通过专门的药剂清洗才可以使膜的膜通量恢复到原来的分离水平。

3膜污染的防治

影响膜污染的因素主要包含3 个方面:膜的固有性质、污泥混合液的理化性质以及膜组件的操作条件。因此, 为了预防膜在使用过程中被污染而导致膜的分离效果变差, 对这三个方面的优化方法设计是起着至关重要作用的。

3.1膜的固有性质的优选

在运行使用之初, 膜设计阶段对于膜污染的预防起着关键性作用, 膜的性质包括膜所使用的材质、膜孔径的大小形状和膜表面的特征等。使用不同性质的膜的情况下, 所受膜污染的严重程度也不一样。

有研究者在对不同的膜材料如聚砜膜、纤维素膜和聚偏氟乙烯 (PVDF) 膜做实验得出, 其中PVDF膜组件在使用相同的时间后所受到的膜污染较少。膜孔径并不是越小越容易被污染, 对于特定粒径的微粒在保证可以截留的情况下, 应选尽可能大的膜孔径, 以获取较大的膜通量。其有一个最优的孔径范围, 若膜孔径大于该范围时, 膜通量受到膜污染的限制;而小于最佳孔径范围时, 膜通量又受到了膜的固有阻力的限制。膜的粗糙度也影响膜污染, 粗糙度越大的膜越容易被污染[6]。

此外, 还有膜的结构、孔隙率、亲疏水性、表面能、电荷性质等对膜污染都有一定影响。

3.2污泥混合液理化性质的控制

油污水混合液中组分是膜污染产生的直接来源, 控制混合液中各组分的种类和比重对于减缓膜污染有直接影响。其中, 污染物的粒径与膜孔径大小接近时, 膜的透过性下降的最显著;混合液的粘度越大, 膜的污染越严重, 污水的流速因粘度较大而减缓, 对附着于膜表面的污染物的剪切力降低, 从而使污水中颗粒及大分子物质积聚在膜表面, 造成膜通量下降。

此外, 污水中还含有SMP和EPS以及生物菌群都会造成膜不同程度的污染。因此为了使膜最大限度的降低污染, 需要使用前处理, 将待分离处理油污水初级筛滤, 使进入膜组件的油污水中富含的颗粒粒径控制在有利于膜分离的范围, 降低膜的污染负荷, 发挥膜最大的分离能力。或在膜生物反应器内放入适量粉末活性炭, 能够使小分子物质积聚成大分子, 避免与膜孔径相当的颗粒物堵塞膜孔道, 使膜通量降低[7]。

3.3膜组件操作条件的优化

在膜组件正常运行过程中, 操作条件如温度、压力、流速、分离量、有无曝气和反冲洗周期等都很大程度地影响膜污染情况。其中, 温度越高, 流速越快, 产生的剪切力可以将膜面产生的膜污染清理, 但其受到膜适用温度范围限制;曝气量对消除膜污染产生的作用也较显著, 但受到经济性的约束;反冲洗是治理膜污染最有效的方式, 必要时需要线下进行化学清洗, 其周期的决定主要还是依赖所处理料液的理化性质。但如果通过前处理将进入膜组件的料液控制在同一水平, 那么反冲洗周期则具有重要的研究意义。

4结语

在油污水分离处理中, 各个操作条件都存在一个最优值, 偏高或偏低对于膜的污染的加重都会产生影响, 并且条件之间有相互约束的关系, 因此需要找出这些量之间互相约束的影响降到最低, 以达到最佳操作条件。需要通过理论结合试验综合分析找出最优条件, 使膜污染减缓到最小, 利于膜生物反应器在船舶上用于油污水处理的推广使用。

摘要：船舶上传统的油污水处理设备已满足不了目前日益严格的排放标准, 膜生物反应器处理油污水的出水水质远低于目前的标准, 但膜污染问题是阻碍其发展和推广的因素, 本文就膜污染的概念、产生机理及防治措施展开论述, 为之后膜污染的研究指明方向。

关键词：船舶油污水,膜生物反应器 (MBR) ,产生机理,膜污染防治

参考文献

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复合式膜生物反应器篇8

中空纤维微滤膜具有很高的装填密度和膜通量,在水处理中日益得到广泛关注,但膜污染问题与其他形式的微滤膜组件相比更为严重。因此,在上海市吴淞水质净化厂建立了以中空纤维微滤膜为核心膜组件的MBR单元式再生水处理装置的中试研究基地。研究了膜组件构造、膜曝气、反冲洗和化学清洗对膜污染的影响,总结出中空纤维微滤膜的最佳设计和操作参数,通过优化膜组件的运行和维护达到减少微滤膜污染、降低清洗频率、延长膜的使用寿命并降低运行处理成本。

1 试验装置与试验方法

1.1 试验装置

试验装置见文献[1],工艺流程见图1。采用的一体式膜生物反应器有效容积为16 m3。内置UNA-620A中空纤维微滤膜组件:材质为聚偏氟乙烯(PVDF);工作方式为外压式;公称孔径为0.1μm;单支膜面积为17.5 m2(原厂型号为25 m2,试验改装为17.5 m2);膜组件尺寸为准0.15 m×1.4 m。

试验原水水质见文献[1]。

1.2 膜污染控制研究

影响膜污染的因素包括滤膜的固有性质(如膜材质、表面电荷、亲/疏水性、膜孔径及分布、膜组件的构造)、操作条件(如膜通量、操作压力、膜面流速、运行温度、运行方式)和污泥混合液特性(包括悬浮固体浓度、粒度分布、溶解性有机物浓度、胞外聚合物浓度、黏度)等。主要研究了以下因素的影响。

1)膜组件优化。优化膜组件可减缓中空纤维膜的堵塞,延长运行周期。试验采用具有特殊构造的膜组件[2]:膜丝之间有一定的距离,膜束间有污泥流路,见图2。该构造可使污泥在膜周围顺畅流动,有效地防止了污泥淤积。统一的膜束构造还可防止微气泡散逸,以少量曝气达到高效振动膜丝的作用。试验通过观测膜表面污染来检测膜组件优化的效果。

2)膜曝气优化。膜曝气的微气泡不断颤动膜丝,可消除膜面凝胶层和减缓浓差极化。试验所采用的膜曝气量为5~7 m3/(h·支),仅为传统曝气量的60%~70%。在保证处理效果的前提下,减少曝气量不但有利于节能、降低运行费用,而且可减少回流污泥的含氧量、有利于厌氧或缺氧系统的运行。试验通过观测膜表面污染来检测膜曝气优化的效果。

3)反冲洗。滤膜运行了一段时间后,在滤膜的透水面施加反冲洗压力,使清洗水反向穿过滤膜,从而清除膜孔中的堵塞物,并使膜表面的沉积层悬浮起来。试验采用过滤9 min,反冲洗1 min的运行方式,反冲洗水为过滤出水。过滤和反冲洗的流程见图3和图4(图中实线表示有水流动的管线,箭头指示水流的方向)。试验通过阀门来实现过滤和反冲洗过程的切换。

4)化学清洗。反冲洗虽能清除与滤膜结合力较小的污染物,但与滤膜结合力较大的污染物则需要采用化学清洗方法。试验分两个阶段:

(1)在线清洗(EFM)。当膜压差上升时或每间隔一定时间后,对滤膜进行EFM清洗:使用浓度为500~3 000 mg/L的次氯酸钠(Na Cl O)在MBR内清洗膜组件90 min,具体流程见图5。

(2)浸润清洗(CIP)。当EFM清洗后,膜压差仍然不能恢复正常值时,进行CIP清洗:把膜组件从MBR池取出,放入CIP清洗柱(图6)内,通常先用浓度为3 000~5 000 mg/L的次氯酸钠(Na Cl O)浸润8 h以上,再用浓度为1%的草酸(C2H2O4)浸润2 h以上,最后用滤出水冲洗干净后送回MBR。

1.3 分析计算方法

1)膜通量计算公式:

式中:J为膜通量,m3/(m2·d);Q为过滤水流量,km3/d;A为有效膜面积,m2。

其中,过滤水流量由计量泵(Q=0.063 m3;H=18 m;P=0.75 k W)实测。

2)膜压差由压力计(测量范围p=-0.08~0.1 MPa)实测。

3)元素分析采用扫描电镜/能谱联合分析仪(型号为HITACHI S-2700/EMAX 5570),能量分辨率<144 e V;检测元素为B(Z=5)-U(Z=92)。

2 试验结果和讨论

由于膜压差(TMP)会随水温的升高而降低,所以为了消除水温的影响,试验膜压差通过式(2)换算成25℃下的标准膜压差。

式中:pB为标准条件下的膜压差,k Pa;p为试验膜压差,k Pa;TB为标准条件下的绝对水温,℃;T为试验绝对水温,℃。

图7和图8分别为膜通量J和膜压差p随膜运行和清洗过程的变化。

试验从2008年1月下旬开始运行,测试分析于2008年3月中旬正式进行,处理规模为30 m3/d。由图7和图8可知,从4月下旬开始,即装置运行了3个月后,膜压差突然呈线性急速增大,但膜通量却在从0.3 m3/(m2·d)跃升至0.44 m3/(m2·d)后,就不再随膜压差的上升而增加,表明滤膜出现污染,但由于当时尚未安装EFM清洗设备,所以试验只能继续在高压下运行。5月中旬,EFM清洗设备安装完毕,对滤膜进行了第一次EFM清洗。滤膜经过清洗后,膜压差降至15 k Pa,膜通量恢复至0.27 m3/(m2·d)。此后,按每月一次的频率对滤膜进行EFM清洗,滤膜的压差和通量都保持在正常的范围内。

运行期间从MBR池中取出膜组件进行观察,发现膜丝表面无污泥粘结。说明优化的膜组件能有效防止微气泡散逸,膜曝气的大量气泡挟带水流对滤膜表面产生冲刷作用,使滤膜处于剧烈紊动状态,避免了凝胶层的增厚和堵塞物的积累。

在8月初进行EFM清洗后,膜压差仍然不能恢复正常。通过对膜组件的检查发现:膜组件没有对准设于MBR底部的曝气口,导致膜曝气不能有效振动滤膜,从而大量污泥粘结在膜丝上,堵塞了膜孔。

为了避免膜组件与曝气口错位,同时为了方便膜组件的安装,创新地设计了膜曝气套筒。该套筒直接安装于膜组件下方,实现了曝气装置与膜组件一体化,极大地方便了膜组件的安装与复位。

由于滤膜已经受到污染,所以必须进行CIP清洗。先用浓度为3 000~5 000 mg/L的次氯酸钠(Na Cl O)浸润膜组件8 h,再用浓度为1%的草酸(C2H2O4)浸润膜组件2 h。清洗过程结束后,发现膜污染现象并未彻底改善。分析原因是由于吴淞厂原水中的钙离子含量高,与草酸形成草酸钙,堵塞了膜孔。针对上述情况,试验改用浓度为1%的柠檬酸(C6H8O7)对滤膜进行再次清洗,发现膜污染情况得到彻底解决。

从9月初开始,进水由初沉池出水改为格栅井出水。在此期间,仍然按每月一次的频率进行EFM清洗。试验结果表明,虽然进水的污染物浓度增加,但膜通量和膜压差都保持在正常的范围内。自10月8日起,处理水量由30 m3/d减少至20 m3/d,膜组件从6支减少至5支,平均膜通量由0.3 m3/(m2·d)降低为0.2 m3/(m2·d)。为了降低膜组件的投资和运行费用,从11月20日开始,MBR池的膜组件由5支减少至2支,平均膜通量增加为0.6 m3/(m2·d)。为了预防膜污染,EFM清洗的频率从每月一次增加至每周一次(图9),清洗剂Na Cl O的浓度由3 000 mg/L降低为1 000 mg/L。

由图9可知,在该EFM清洗模式下,系统稳定运行,膜压差保持在25 k Pa左右。值得一提的是,由于滤膜具有优良的抗药性能,所以虽然EFM清洗频率增加,但滤膜仍然可以保持物理和化学性质。

参考文献

[1]黄瑾,林琳,王建华,等.膜生物反应器在污水深度处理中的技术研究[J].中国市政工程,2009(3):53-56.

膜生物反应器处理造纸废水研究篇9

关键词：造纸废水,膜生物反应器,膜污染

0 引言

近年来, 造纸工业飞速发展, 其排放的废水占全国排放的9.89%。造纸废水若处置不当, 其排放对于全国废水总排放BOD的贡献值超过25%[1]。将生物反应器与膜分离相结合而形成的膜生物反应器被认为是废水处理与回用的新型技术, 并得到广泛研究和应用。膜生物反应器技术有较强的悬浮物去除能力, 可以提高污泥的浓度, 达到强化处理的效果以及较为宽泛的处理浓度范围[2,3,4,5,6]。与传统污水处理厂相比, 生物反应器在体积、处理效果、自动化方面均有优势, 但是需要承担较高的处理费用、膜污染等问题[7,8,9]。

1 材料和方法

1.1 中试MBR系统

中试外置式MBR反应器示意图如图1所示。系统由生物反应池和外置膜池组成, 有效容积为500 L。废水由集水池经进水泵提升至生物反应池, 安装减压阀和气体流量计调节曝气量。生物反应池中设置两个水位传感器控制池内水位, 在线探头分别检测水温、溶解氧浓度和p H。混合液由离心泵输送到膜池内进行泥水分离。膜池内装有三个压力传感器分别测定进口、出口和过滤压力。

膜组件技术参数表见表1。

1.2 试验材料

试验接种污泥为某污水处理厂剩余污泥。该污泥沉降性能良好, 反应器初始接种MLSS=4 830 mg/L, SVI=89 m L/g。系统采取不排泥, 通过进水对接种污泥进行驯化和培养, 污泥浓度逐渐增长。污泥浓度达到10 000 mg/L开始对系统排泥, 使污泥龄保持在30 d左右, 稳定运行后污泥浓度在15 000 mg/L左右。生物池溶解氧浓度维持在2 mg/L~3 mg/L。运行压力介于0.5 bar~1.5 bar。反应器进水为实际造纸废水, 混合造纸废水水样取自集水池出水, 水质指标见表2。

COD, MLSS, 色度等指标均采用标准方法测定。

1—集水池;2—进水泵;3—生物反应池;4—空气压缩机;5—中间水泵;6—膜池;7—出水水池;8—温度探头;9—p H探头;10—DO探头;11—压力传感器;12—水位传感器注:

2 结果与讨论

2.1 COD生物降解效果

试验期间系统进水与出水COD浓度变化如图2所示。由于系统进水取自造纸厂废水集水池实际废水, 进水COD在2 487 mg/L~5 905 mg/L内波动, 变化较大。但系统仍表现出良好的COD去除能力。稳定运行阶段, 进水COD浓度为3 900 mg/L左右, 出水COD为250 mg/L左右, COD平均去除率为93.7%。系统对COD去除效果稳定, 表现出较强抗冲击负荷能力。

Dufresn·R等发现:对于COD和悬浮固体的去除而言, MBR方法更占优势, 去除率可以分别达到99%和90.0%[10]。韩怀芬等[11]发现要提高污泥浓度使得COD降低至100 mg/L以下, 水利停留时间18 h比较合适。然而水利停留时间为40 h的活性污泥法, 其COD仍然无法降至100 mg/L以下。

2.2 色度去除效果

试验期间系统对色度的去除效果如图3所示。测定色度的波长设定为436 nm。试验期间进水色度变化较大, 在10 m-1~80 m-1范围内波动。出水色度在试验初期波动较大, 到试验后期, 能稳定维持在10 m-1以下。色度平均去除率为79.2%。

研究表明单独MBR工艺对造纸废水色度去除效果有限。需要后续处理工艺或者组合工艺进一步降低出水的色度。Roozi等人采用纳滤技术能有效地将造纸废水色度降低到1 m-1以下[12], 而在一份与光催化相结合的膜生物反应器处理研究中, 研究者发现该方法对于浊度、色度、COD均有较高的去除率[13]。

2.3 污泥浓度变化

试验期间系统内污泥浓度变化如图4所示。启动运行初期, 采用不排泥, 通过进水对接种污泥进行驯化和培养, 污泥浓度逐渐增长。经过100 d左右的运行, MLSS由接种时的4 850 mg/L逐步增加至10 000 mg/L左右。考虑到高污泥浓度和长污泥龄会加快膜污染速度, 降低膜寿命, 此后将系统SRT控制为30 d, 远长于传统活性污泥工艺。由于采用膜组件进行混合液泥水分离, 试验期间系统内污泥浓度呈缓慢增加的趋势。到达稳定阶段后, MLSS维持在15 000 mg/L左右。第75天和第200天, 系统发生运行事故, 造成系统内污泥浓度的降低。

2.4 膜通量和跨膜压差变化

进水水质、膜材料、膜组件形式和操作条件等因素都能影响膜组件渗透通量。对于特定的膜组件, 膜通量的变化主要取决于进水组分在膜内部和膜表面积累造成的膜污染。试验期间膜通量和跨膜压差的变化如图5所示。接种污泥开始运行后到实验的第150天, 膜组件跨膜压差增长缓慢, 与此同时膜通量缓慢下降。150 d以后, 跨膜压差迅速增加, 膜通量急剧下降。

随着膜生物反应器的运行, 膜污染问题开始逐步显现出来。若不进行有效的清洗, 将降低膜处理效率, 增加电费成本。比较常见的处理方式除膜更换之外还有利用化学、物理方法等清洗[14,15]。本实验中, 启动运行后到第150天, 膜通量下降缓慢, 此后跨膜压差有一个明显的上升, 伴随膜通量的显著下降。继续运行到第240天, 跨膜压差急剧升高, 此时膜通量已降低到最低并趋于不变。表明此时膜污染已非常严重, 需要进行清洗以恢复过滤能力。而从保持系统较高产水量的角度, 在第150天左右就需对膜组件进行清洗, 以避免膜通量的显著下降, 同时减少膜污染对膜的使用寿命的影响。

3 结语

1) 膜生物反应器能高效处理造纸废水, 稳定运行阶段, 进水COD浓度为3 900 mg/L左右, 出水COD为250 mg/L左右, COD平均去除率为93.7%;出水色度在试验初期波动较大, 到试验后期, 能稳定维持在10 m-1以下, 色度平均去除率为79.2%。

2) 系统稳定后, MLSS维持在15 000 mg/L。较长的污泥停留时间和高污泥浓度使系统有机负荷低, 污泥产量少。同时试验期间跨膜压差增长缓慢, 综合考虑膜组件清洗周期为150 d。

参考文献

膜生物反应器及相关技术研究综述篇10

由于膜处理的特殊优势和设备化的特征, 膜生物反应器 (membrane bioreactor, M B R) 相比于常规废水处理工艺 (conventional treatment process, CTP) 具有以下优点:对COD、氮、磷、氨、悬浮固体和微生物具有较高的处理效率, 能够满足三级处理的需要, 排放符合更高要求的出水;稳定的污泥浓度, 可以保证生物处理的稳定进行;对复合废水能进行有效处理;设备紧凑, 占地少[1];工艺参数易于控制;较少的剩余泥量, 可以减少污泥的处理费用;可以保证寒冷季节的持续使用。而在中水回用处理领域则也有工艺简单的优势。另一方面, 由于其具有较高的污泥浓度和污泥粘度, 容易造成膜的污染, 而膜污染造成的膜通量下降造成昂贵的膜清洗、更换费用, 较高的能耗和管理上的不便又影响了它的推广。对这个问题的解决成为业界研究的难点和重点。

1 MBR的分类及特点

膜生物反应器的应用相当广泛, 为了适应不同的场合、条件和目的, 膜生物反应器也有相当繁复的种类。从功能上讲, 目前的研究中包括三种膜生物反应器[2,3]:

(1) 膜分离生物反应器 (Membrane separation bioreactor) :利用膜截留和分离固体, 用于污水处理中的固液分离。膜在此处的作用相当于二沉池。

(2) 膜曝气生物反应器 (Membrane aeration bioreactor, MABR, 亦称膜充氧生物反应器) :用于无泡曝气, 提高好氧生物反应的氧传递效率和接触时间, 适用于需氧量较高的废水处理。

(3) 萃取膜生物反应器 (Extractive membrane bioreactor, EMBR) :用于工业废水中优先污染物的处理, 选择性透过膜被用于萃取特定的污染物, 可防止高酸碱度或对生物有害物质与微生物直接接触。

目前, 膜分离生物反应器已在废水处理中投入使用, MABR和EMBR两种反应器还处在实验室研究阶段, 因此, 业界对MBR分类方式的研究主要针对膜分离生物反应器而言。根据不同的方式, 进行污水处理的MBR可以进行以下几种不同的分类:

(1) 根据膜组件与生物反应器的组合方式分为分置式MBR (Recirculated Membrane Bioreactor, RMBR) 和浸没式MBR (Submerged Membrane Bioreactor, S M B R)

RMBR将膜组件与生物反应器作为两个独立的单元, 生物反应器的混合液经泵作用 (增压或者打入高位水箱) 后进入膜组件, 透过膜后得到出水, 活性污泥则作为浓缩液中的溶质被截留, 并随浓缩液回流到生物反应器内。在RMBR中, 膜组件作为二沉池的替代单元。由于流程中仍利用了循环泵回流的过程, 会带来较高的能耗和设备磨损, 因此也把RMBR称为是第一代MBR。目前RMBR多用于工业废水的处理[3]。

SMBR则将膜组件直接置于生物反应器内。进水有机污染物质在生物反应器中分解与转化后, 利用膜进行污水的固液分离。SMBR中水力停留时间 (HRT) 和污泥停留时间 (SRT) 完全分离, 占地省、能耗少, 使得MBR在大型污水厂的应用成为可能, 亦称为第二代MBR。但它也存在单位膜的处理能力小, 膜污染较重, 透水率较低的缺点[3]。较长的污泥停留时间也使世代时间较长的硝化菌等得以繁殖, 提高了硝化能力。

(2) 根据生物处理方式分为好氧MBR和厌氧M B R

好氧MBR一般用于生活污水的处理, 使出水达到回用要求。也有人将好氧膜生物反应器分成活性污泥-膜生物反应器、生物膜-膜生物反应器、复合式膜生物反应器三种。现有膜生物反应器的工艺多为活性污泥-MBR, 付婉霞等人的实验也认为活性污泥-MBR膜污染较小[4]。由于MBR中污泥浓度较高, 一般要求有较高的气量。曝气造成的紊流和剪切力都使污泥难以积聚。

厌氧M B R一般用于高浓度或难降解有机废水的处理, 传统的厌氧生物处理技术希望通过维持较高的污泥浓度、较短的水力停留时间 (HRT) 和较长污泥停留时间 (SRT) , 以实现降低投资与运行费用的目的, 较高的产酸菌浓度和较长的污泥停留时间也能加强对难降解有机物的降解能力。由于厌氧膜生物反应器没有曝气气泡的搅拌作用, 为使污泥处于悬浮状态, 反应器一般采用分置式;王志伟等人则通过利用污泥循环泵来保持污泥悬浮[5]。

有时为达到特定的处理目标, 也会将厌氧和好氧方式结合 (如A/O) , 再配以膜组件一起使用。

2 膜生物反应器的结构

膜生物反应器主要由膜组件和生物反应器构成, 根据类型可配有抽吸泵、出流泵、高位水箱、曝气单元等。

2.1 膜组件

与普通膜材料不同, 膜生物反应器为了防止生物降解, 一般要求膜具有不易降解的特性。有机膜制造工艺成熟, 造价便宜, 膜孔径和形式也较为多样, 应用广泛, 但运行过程易污染、强度低、使用寿命短。目前在MBR中使用的无机膜多为陶瓷膜, 膜污染问题较轻, 可长期保持较高通量, 能耗相对较低, 适用于高浓度工业废水处理中, 但它造价昂贵、不耐碱洗、弹性小影响膜的装填密度, 这又限制了它的使用。

同时, 对于膜孔径的选择也有一定的范围。Masaru Uehara认为MBR处理污水在选择膜孔径时, 通常选择0.1～0.4μm孔径的微滤膜[6]。膜孔径过小, 膜易堵塞, 影响膜通量;膜孔径过大又会带来出水水质下降。

2.1.1 膜组件构造

主要包括:管式、平板式、卷式、微管式以及中空纤维等膜组件形式。RMBR多采用平板式和管式, 目前主要应用于工业废水的处理;SMBR多采用中空纤维膜和平板式膜组件, 用于城市污水的处理和水回用项目[7]。相对而言, 平板膜膜通量大, 水力阻力较小, 且水力条件较易控制, 不易污染, 可以清洗, 但填装密度较小;中空纤维膜填装密度较大, 它的使用使膜成本大大下降, 但膜丝易断裂, 膜易堵塞, 有曝气死区。目前这两种膜应用最多, 对它们的改进也时有报道, 如德国迈纳德公司的BIO-CEL膜片就是一种改进型平板膜。

2.1.2 膜组件的布置

在进行膜组件布置时要根据具体情况权衡考虑。如:中空纤维膜膜组件的布置方式可分长边和宽边布置, 两种布置方式要达到对膜组件相同的冲刷强度, 长边垂直布置比宽边布置需要更大的曝气面积和更多的曝气管, 但作用水头小, 整个膜面压差大[8]。同时, 也可从轴流和穿流的角度来描述膜组件的布置方式。

2.2 生物反应器

由于MBR处理水量小, 其生物反应器宜设计成底部锥形的圆形池, 有利于反应器内混合液处于良好的紊动、使污泥颗粒保持悬浮状态、减小因剪切造成的破解、提高曝气设备的充氧速率、利于混合液旋转并防止死角、减小水头损失[9]。在反应器内可加入内循环导筒, 以加大剪切力, 减少膜污染[10]。同样也可以设置挡板来促进循环。

对于好氧MBR, 曝气可为生物反应器提供好氧降解所需的氧气, 对生物反应器中的反应进行搅拌, 也在膜面制造湍流, 产生剪切力, 减少膜污染。

在生物反应器中加入填料可使悬浮态中活性污泥保持相对较低浓度, 有利于改善膜的通量、降低膜阻力、克服MBR能耗大的缺点。

3 膜污染及其解决方法

3.1 膜污染

造成膜污染主要是两类物质[11]:颗粒物质和溶解性大分子物质。颗粒物质主要是污泥絮体, 这类物质在膜表面沉积形成污泥层, 形成可逆污染。溶解性大分子物质即生物质包括溶解性微生物产物 (soluble microbial products, SMP) 和胞外聚合物 (extracellular polymeric substance, EPC) , 这类物质会被吸附到膜表面形成凝胶层, 甚至占据膜孔内表面, 造成不可逆污染[12]。膜污染初期的通量下降是由浓差极化引起的;长期的膜污染是溶质吸附、颗粒沉积和生物质污染造成的[13]。膜污染的形成降低了处理效率、缩短了膜的寿命、增加了膜生物反应器的运行费用[11]。