一体化膜生物反应器

关键词： 氮磷

一体化膜生物反应器（精选十篇）

一体化膜生物反应器 篇1

关键词：生活污水,一体化折流生物膜反应器 (IBBR) ,效率,氮、磷的去除

0 引言

在很长的一段时间, A2/ O ( 厌氧/ 缺氧/ 好氧) 是生物脱氮除磷的主流工艺, 在此工艺基础上, 衍生出一些连续流的工艺, 包括巴氏生物除磷脱氮法 ( 厌氧/好氧/厌氧/好氧) 工艺, UCT ( 厌氧/缺氧/好氧) 工艺, 以及MUCT ( 厌氧/缺氧/缺氧/好氧) 工艺; A2/ O工艺已经广泛运用于大型污水处理厂, 但是因为其自身缺陷和微生物间的竞争导致不能同时达到较好的脱氮除磷效果, 因此, 该工艺仍需要改进。

目前主要采用厌氧和土地系统处理分散生活污水, 但是, 厌氧处理去除氮磷的效果不佳, 土地处理系统又需占用大量土地, 基于Johkasou在日本处理分散式污水的技术、A2/ O工艺和其他一些研究, 一体化折流生物膜反应器 ( IBBR) 应运而生。该工艺结合生物和化学方法处理氮和磷, 不但解决生物脱氮除磷的局限, 而且克服了集中处置带来的不便。IBBR有其独特的优势, 建造简单, 运行管理方便, 可被运用于不同地形和规模的分散生活污水的处理, 出水可二次利用。

鉴于此, 本文利用学校生活污水作为实验废水, 在IBBR稳定运行阶段, 通过增加回流比和使用化学试剂强化除磷, 来进一步研究化学需氧量 ( CODCr) 、总氮 ( TBD和总磷 ( TP) 的去除效率。

1 材料与方法

1. 1 实验废水

实验废水来源于西南科技大学的生活污水, 水质指标见表1, 主要来包含学生、教职工和周围城镇的排水, 不含工业废水。

1. 2 实验装置

自制一体化反应器, 如图1 所示。

反应器的尺寸为1. 33 m × 0. 5 m × 1 m, 反应器有效容积为0. 5 m3, 缺氧、厌氧、好氧、沉淀的单位体积比是2∶1∶ 2∶ 2, 组合填料分别悬浮在缺氧、厌氧、好氧单元, 在好氧单元的底部有曝气设备, 硝化液从好氧单元的顶部回流到缺氧单元的前部。根据运行工况的不同来调节硝化液的回流比。

1. 3 运行条件

采用IBBR工艺处理生活污水, 启动阶段持续32 d, 当水力停留时间 ( HRT) 为12 h, 出水CODCr浓度低于50 mg/L, 反应器处于厌氧和好氧交替运行状态时, TP的去除效率为20% ~ 30% , TN的去除效率仅为10% ~ 20% , 启动阶段完成后, 在缺氧单位和厌氧单元的填料上形成一层黑色的生物膜, 好氧单元的填料形成一层棕色的生物膜。

启动后, 排出IBBR装置缺氧、厌氧和好氧单元的悬浮活性污泥, 取消污泥回流。这种情况下, IBBR中机物和氮的去除主要归功于生物膜的作用。基于烧杯实验和对IBBR装置启动阶段的研究, 决定在好氧单元之后增加化学强化除磷单元, 采用A12 ( SO4) 3作为絮凝剂。用量为90 mg/L, 工艺流程见图2。

该实验采用污水连续流工艺, 在IBBR启动后, 改变消化液的回流比, 添加A12 ( SO4) 3强化除磷, 观察IBBR中CODCr、TN和TP的去除率。

1. 4 分析项目及方法

根据水和生活污水标准检测方法测定化学需氧量、总氮、总磷和氨氮。

2 结果和讨论

2. 1 CODCr去除率

当IBBR处于稳定运行状态时, 进水CODCr、出水CODCr和CODCr的去除率见图3。

如图3 所示, 从第1 d至第33 d, 硝化液的回流比与启动阶段相同均为100% , 在这一阶段, 进水的CODCr的浓度范围为117. 7 ~ 442. 4 mg/L, 结果出水CODCr的浓度除了第18 d到第27 d外均低于50 mg / L。第18 d到第27 d出水中的CODCr较高可能是由如下两个原因导致的: 一是进水的CODCr浓度比平时略高; 二是由于填料中的生物膜更新脱离, 影响出水水质。从第34 d至第53 d, 硝化液的回流比调整为400% , 进水CODCr的浓度范围为109. 0 ~ 295. 3 mg/L, 在此阶段, 出水CODCr浓度低于50 mg/L, CODCr的去除效率高达91% ; 从第54 d至第66 d增加A12 ( SO4) 3强化除磷单元, 进水CODCr浓度范围为256. 2 ~ 315. 1 mg/L, 出水的CODCr浓度保持在50 mg/L以下, 在此阶段, 进水CODCr浓度比刚开始改变硝化液的回流比时更高, 但是出水CODCr浓度仍维持在50 mg/L, 这说明化学强化除磷不会影响CODCr的去除率, 这也与烧杯实验的结论强化除磷与CODCr去除具有协同作用是一致的。

2. 2 TN去除率, 进出水中TN的组成

在IBBR稳定运行阶段, 由于硝化液的回流比不同, TN的去除率亦不相同, 不同硝化液回流比与TN去除率的关系见图4。

如图4 所示, 从第1 d至第33 d, 硝化液的回流与启动阶段一致为100% , 在这一阶段, 进水的TN浓度为27. 7 ~51. 0 mg / L, 出水的TN浓度为22. 0 ~ 41. 7 mg / L, TN的去除率为15. 9% ~ 25. 1% 。从第34 d至第53 d, 硝化液的回流比调整为400% , 进水的TN浓度范围为30. 7 ~ 66. 4 mg/L, 出水的TN浓度为14. 2 ~ 29. 1 mg / L, TN的去除效率43. 4% ~ 56. 6% , 当进水的TN浓度低于30. 7 mg / L, 出水的TN浓度低于15 mg/L, 因此, 硝化液的回流比对TN的去除有显著影响。从第54 d至第72 d, 增加A12 ( SO4) 3强化除磷单元, 在此阶段, 当进水的TN浓度为44. 7 ~ 70. 4mg / L, TN的去除效率为44. 3% ~ 56. 2% , 添加A12 ( SO4) 3前后TN的去除率几乎没有变化, 这表明添加A12 ( SO4) 3对TN的去除率没有影响。

生活污水中的氮主要以氨氮和有机氮的形式存在, 氮的生物去除机理主要通过硝化作用和反硝化作用, 硝化细菌在好氧单元通过硝化作用, 将硝酸氮和有机氮转变亚硝酸盐氮和硝酸盐氮, 然后, 反硝化细菌在缺氧单元通过反硝化作用将亚硝酸盐氮和硝酸盐氮转变成N2O、N2等等, 最后氮以气体的形式排出系统, 当硝化液的回流比400% 的时候, 添加A12 ( SO4) 3强化除磷, TN的去除率几乎没有变化。由于进水TN的波动, 选取第65 d进水和出水TN做相关分析, 在这个时候, 在进水与出水中不同形式的氮的组成见表2, 在进水和出水中不同成份所占比例见图5 ~ 6。

如图5 ~ 6 所示, 在进水中, 硝态氮的比例仅占1% , 但是通过好氧单元的硝化作用, 硝态氮的比例增加到12% , 出水中的TN与进水中的TN相比增加了一些, 可能因为一些有机氮在氨化作用下转变成了氨氮, 但是氨氮没有被硝化作用完全利用, 在这个时候, 如表2 所示, 出水中TN的成分比进水中的TN低一点, 它说明一部分氮能够通过生物作用、硝化作用、反硝化作用以及氨气提取系统中去除, 此外, 在填料中可以观察到小孔, 填料中的生物膜也有一个交替的微生物环境 ( 有氧和厌氧) , 它对TN的去除也有一定的贡献。

2. 3 IBBR对TP去除率的影响

在IBBR装置稳定运行阶段, 在好氧单元后添加A12 ( SO4) 3强化除磷单元, TP的去效率有显著提高, 进出水的TP浓度及TP的去除率见图7。

如图7 所示, 从第1 d至第33 d, 硝化液的回流比与启动阶段一致为100% , 在这一阶段, 进水中TP的浓度有所波动 ( 3. 03 ~ 7. 18 mg/L) , 出水的总磷浓度为2. 09 ~ 5. 84mg / L, TP的去除效率稳定, 保持在18% 左右。从第34 d至第53 d, 硝化液的回流比调整为400% , 进水的TP浓度为3. 54 ~ 5. 05 mg/L, 出水的TP浓度1. 96 ~ 2. 51 mg/L, TP的去除效率为40% ~ 50% , 与前一阶段相比有明显的提高。从第54 d至第69 d, 进水的TP是4. 06 ~ 6. 23 mg/L在生物处理技术的好氧单元之后添加A12 ( SO4) 3强化除磷单元, 此时工艺的生物除磷效果与第34 d到53 d的情况相同, TP的去除效率40% ~ 50% , 出水的TP浓度为2. 04 ~3. 25 mg / L。但是通过增加A12 ( SO4) 3强化除磷后TP的浓度低于0. 5 mg/L。

2. 4 缺氧、厌氧、好氧单元的微生物及生物膜的生长

启动阶段, 在生物单元接种活性污泥以加速启动过程, 在运行阶段生物单元的填料上已经形成生物膜。启动阶段后, 在填料和内壁上形成均匀致密的生物膜, 在缺氧单元和厌氧单元生物膜是黑色的, 在好氧单元生物膜是棕色的, 生物膜的生长情况良好。在这个阶段, 悬浮活性污泥和生物膜对去除污染物发挥了重要作用, 但是在IBBR启动之后, 悬浮活性污泥从系统中排出, 此时生物膜对污染物的去除起主要作用。采用扫描电子显微镜 ( SEM) 观察生物膜的视野如图8 所示。

如图8 所示, 在反应单元中的生物膜有很多孔洞, 它为微生物的生长附着提供了良好环境, 而且在缺氧、厌氧、好氧单元的填料上面附着大量的杆菌, 微生物的存在为废水有效处理提供了条件。

从宏观的角度上看, 在缺氧、厌氧、好氧单元生物膜生长规律不同, 由于厌氧单元与缺氧单元的生物膜相似, 不再单列。只研究了缺氧和好氧单元的生物膜, 在缺氧单元和好氧单元中的生物膜变化见图9。

如图9 所示, 在IBBR启动之后, 缺氧单元填料中的生物膜形成小的孔洞, 填料并未完全被生物膜包裹, 当IBBR稳定运行2 个月后, 填料中形成更多孔洞, 填料完全被生物膜包裹。在好氧单元, 由于曝气对生物膜有一定的冲刷作用, 在好氧单元的生物膜不如缺氧单元致密。

3 结论

采用IBBR处理生活污水, 在稳定运行阶段, 进水的CODCr浓度范围为109. 0 ~ 442. 4 mg/L, 硝态氮的回流比为400% , 出水的CODCr可保持在50 mg/L以下, CODCr去除率能够达到91% , 而且强化除磷时对CODCr的去除有协同作用。

当硝态氮的回流比为100% 时, 进水TN浓度范围为27. 7 ~ 51. 0 mg / L, TN的去除率为15. 9% ~ 25. 1% , 但是当硝态氮的回流比是400% 的时候, 进水TN浓度为30. 7 ~66. 4 mg / L, TN去除率为43. 4% ~ 56. 6% , 与硝态氮回流比为100% 相比时, TN的去除效率明显提高, 因此, 硝态氮的回流是影响TN去除率的重要因素。

当硝态氮的回流比为400% , 进水的TP为3. 54 ~ 5. 05mg / L时, TP的去除率为40% ~ 50% 。当添加A12 ( SO4) 3来强化除磷后, 进水TP为4. 06 ~ 6. 23 mg/L, 出水的TP低于0. 5 mg/L, TP的去除率有显著增加。

在IBBR稳定运行的阶段, 有大量的杆菌和其他微生物附着在生物膜上, 大量微生物的存在为生活污水的有效处理提供了必要的条件。

与A2/ O、厌氧生物处理、人工湿地处理系统相比, IBBR能够克服生物脱氮除磷中污泥龄的问题, 而且更有利于CODCr、TN、TP的去除。该工艺构造简单, 运行和管理方便, 这种一体化的污水处理系统可以运用于处理不同地形和规模的分散的生活污水。

一体式膜生物反应器处理屠宰废水 篇2

摘要：用一体式膜生物反应器经过90 d的连续运行对屠宰废水的处理进行研究.试验结果表明,出水CODCr和BOD5稳定,平均去除率均达95%以上;NH3-N的.去除率高达93.7%;对TSS、浊度、SS及动物油脂的去除率分别>99.0%、99.3%和95.8%,在工艺运行的90 d里未发生膜污染现象.作 者：李志东 李娜 张洪林 魏丽 张令戈 酒井裕司 中尾真一 作者单位：李志东(辽宁石油化工大学环境与生物工程学院,抚顺113001;大连市环境科学研究设计院,辽宁116023)

李娜,张洪林(辽宁石油化工大学环境与生物工程学院,抚顺113001)

魏丽,张令戈(大连市环境科学研究设计院,辽宁116023)

酒井裕司,中尾真一(东京大学工学系研究科,日本国113-8656)

一体化膜生物反应器 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

一种新型一体式膜生物反应器的设计 篇4

膜生物反应器在废水处理中具有独特的技术优势,特别在废水回用和占地有限的场合更是一项极具潜力的技术。膜生物反应器工艺由生物反应器和膜分离组件组成。按照膜组件的设置位置,可分为分置加压式和一体抽吸式两类。根据膜在反应器中所起的作用分为分离膜生物反应器、萃取膜生物反应器和无泡曝气膜生物反应器[1]。由于一体式膜生物反应器具有设备简单、操作方便、耐冲击负荷、出水好等优点,因此备受关注。

然而,一体式膜生物反应器具有其与生俱来的缺点,比如氧利用率低、膜污染严重、通量下降、需要定期清洗等问题,严重妨碍了一体式膜生物反应器在工程中的推广普及,也制约了其处理能力的进一步提高。因此,膜生物反应器的推广应用关键在于解决膜污染和经济上是否可行的问题。当前人们主要从膜的制备、工艺运行以及生物处理技术等方面进行改进。通过研究总结目前防治膜污染、提高氧利用率等方面的措施,从膜生物反应器的优化设计方面对膜生物反应进行了改进,为膜生物反应器的改进提供一个新的途径。

1 当前一体式膜生物反应器存在的问题

1.1 膜污染严重、通量下降的问题

膜污染是指与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶质分子与膜存在物理、化学作用或机械作用,在膜面或膜孔内吸附、沉积,造成膜孔径变小或堵塞,使膜的透过流量与分离特性下降的现象。

膜污染主要来源于三个方面。其一是凝胶层,即滤饼,主要是水透过膜后被截留下来的部分活性污泥和胶体物质,没来得及送走在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面,形成膜面污染,这是一种可逆污染,水力清洗一般可消除。其二是溶解性的有机物,它可以透过凝胶层,被膜内的微孔表面所吸附或结晶,堵塞孔道,使膜通量减小。其三是微生物污染,膜面和膜内的微孔中存在微生物所需的营养物质,因而不可避免地有大量的微生物滋生,刘锐等通过电镜对中空纤维膜的内表面进行观察,发现膜内的微孔中有大量的丝状菌、球状菌和短杆状菌[2]。

1.2 氧利用率低、能耗高的问题

反应器中污泥浓度大、需要量高,采用传统的鼓风曝气方式供氧存在氧利用率低、能耗高的问题。由于一体式膜生物反应器中膜组件的高效截留作用提高了反应器中的混合液浓度,将水力停留时间与污泥停留时间相分离,大大延长了污泥龄,使大量弱势菌种得以浓缩,从而提高了对有机物的降解能力。也正是一体式膜生物反应器的特点决定了其需要极大的溶解氧才能满足反应器中众多微生物的需求。然而,现有膜生物反应器由于采用鼓风曝气的大气泡供氧方式,大部分气体以气泡方式进入液体随出水带出,大大增加了氧的用量和消耗;存在能耗高、氧利用率低的不足,使一体式膜生物反应器的好氧处理能力大打折扣。

1.3 化学方法清洗膜组件存在的问题

膜污染、通量下降是当前膜生物反应器在运行过程中不可避免的问题,清洗膜组件是膜生物反应器运行周期的一个必需环节。尤其是在采用化学清洗的过程中应用酸或碱对膜组件浸泡,不但会造成膜的损伤,而且还存在化学清洗废水的处理问题。

2 一体式膜生物反应器的改进思路

针对一体式膜生物反应器采用泡式供氧存在能耗高、氧利用率低以及膜污染严重等不足,在总结目前提高氧气利用率、防治膜污染、恢复膜通量的措施的基础上,对一体式膜生物反应器形成如下改进思路:

(1)在供氧方式上,借鉴无泡曝气膜生物反应器的优点,采用无泡供氧方式来提高氧的利用率并降低能耗。

(2)摒弃能造成二次污染的化学液处理膜组件的方式,采用环保的反冲洗方式减缓、防治膜污染并恢复膜通量。

基于以上考虑,把无泡曝气原理和反冲洗原理相结合对一体式膜生物反应器进行改进,设计了一种新型的一体式膜生物反应器。新型膜生物反应器由两组膜组件构成,采用气体反冲洗的方式,反冲洗气体同时作为无泡曝气的供氧气体;无泡供氧气体也即是反冲洗气体,在无泡供氧的同时,对膜组件进行了反冲洗。二者做到统一的原理是,无泡曝气气体和反冲洗气体都是在低压的条件下在膜腔中运行的,因此无泡曝气气体和反冲洗气体可作为同一种气体成为可能。反冲洗气体只有在低压下运行才可避免对膜面(膜孔)的物理损伤;气体也只有在低压条件下运行才能保证不会因气压高造成膜损伤而由无泡变成有泡气体。对膜的反冲洗可减缓微细颗粒和微生物体在膜微孔内的吸附和沉积,从而能够有效地减缓膜污染。改进型膜生物反应器采用两组帘式膜组件交替运行(交替出水、曝气)的方式,即一组出水,另一组微曝气,曝气气体同时作为反冲洗气体,达到充氧和反冲洗一气两用的目的。这样在运行过程中始终保持着氧的高效利用,同时膜组件每隔一段时间就会得到反冲洗,因此,膜污染得到延缓、膜通量得以恢复。

3 新型一体式膜生物反应器的设计

3.1 新型MBR所用膜材料

新型MBR选用天津膜天公司研制的两组PF系列帘式膜组件。型号为:PF—T(实验型)聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜,膜孔径0.2μm,膜壁厚150μm。基本参数如表1,膜组件实物图见图1(组件照片来自供货商)。

3.2 新型膜生物反应器的装置及流程

新型MBR,其结构如图2。其有效容积为26.25L,尺寸为0.35 m×0.136 m×0.65 m。在运行时,进水来自预处理池。本装置在处理废水运行阶段采用膜曝气和曝气头联合曝气。此处用曝气头曝气的目的主要是防止污泥下沉,同时起到混合搅拌的作用,若用搅拌器可同样起到此作用。图中符号如下:

3.3 新型MBR的运行操作方法

新型膜生物反应器采用其中一组出水(膜过滤);另一组膜曝气(无泡供氧)。本实验采用静压出水的方式,通过调节出水管高度来控制,也可用泵抽吸的方式。具体操作方法如下:

(1)开始打开阀门(4),同时关闭阀门(5),关闭阀门(6),打开阀门(7)。膜组件2进行微孔无泡曝气,气量大小由气量表(2)调节;膜组件1出水。

(2)运行一段时间后,关闭阀门(4),同时打开阀门(5),打开阀门(6),关闭阀门(7)。膜组件2出水;膜组件1进行无泡曝气,此时由空气吹洗使得部分膜堵塞微粒去除,通量恢复。

(3)上述(1)、(2)步骤切换循环,组件1、2交替曝气、出水。根据膜污染的情况,确定切换循环周期。

3.4 新型膜生物反应器的运行条件

新型膜生物反应器反冲洗(供氧)时应在低压条件下操作,以免损伤膜面而导致出水恶化[3]。因此实验启动前,应对膜组件进行泡点测试,确定曝气(反冲洗)运行压力,新型膜生物反应器必须在该压力以下工作,才能避免膜损伤。方法是:剪一段膜一端用胶水封死,另一端通氮气。观察浸没在水中的这段膜,当其表面刚出现气泡时记录气压表指示的气压。结果发现当氮气压力低于0.08 MPa时,其表面刚能出现气泡。保险起见,本装置的运行工况,定在曝气压力0.07 MPa以下(也就是反冲洗气体的压力)工作。

4 新型膜生物反应器的优点

4.1 高的溶氧率

变大气泡和小气泡的供氧方式为无泡曝气供氧方式,可极大地提高氧的利用率。在相同供氧条件下,新型一体式膜生物反应器比传统型具有更高的溶氧率。由于新型反应器装置采用了无泡供氧的方式,在运行过程中,气体进入污水中不产生气泡,氧直接以分子态扩散进入液体,几乎百分之百被吸收,可以满足各种需氧要求[4]。其次,中空纤维膜组件与混合液的接触面积很大,混合液中氧的溶解效率很高,因此该种新型反应器的处理效果也会很好,此结论已在与传统型的实验对比中得到证实。

4.2 低能耗

新型膜生物反应器具有能耗低的优点。新型膜生物反应器由于采用了无泡供氧技术,供氧压力低,氧的传质效率高,因此,新型膜生物反应器是节能的。

4.3 小的膜阻力

新型一体式膜生物反应器比传统型就有更小的膜阻力。由于两组膜组件交替出水、反冲洗(曝气),交替的频率比一般的一体式膜生物反应器的清洗周期要短地多;其次,在一组膜组件(出水的组件)污染程度还不严重时(这时的膜污染是可逆的),就开始变换为曝气膜组件(气体反冲洗),通量恢复也较为容易。因此,膜阻力要比传统型要小。通过试验发现,新型的过滤压力明显低于传统型,说明气体反冲洗是非常有效的。

4.4 在延缓、防治膜污染方面的独特优势

新型一体式膜生物反应器在延缓、防治膜污染方面具有其独特的优势。该种新型膜生物反应器由于反冲洗的频繁发生,使得污染物质在膜表面的沉积时间变短,因此,膜污染较轻,膜通量的恢复也相对容易。其次,由于膜组件在冲洗过程中(供氧过程)膜表面的氧浓度大,膜表面的生物膜始终处在富氧状态,因此微生物凝胶层更替、脱落的周期也会缩短。再次,由于水力和气体的交替,传质方向的频繁改变,膜表面、孔径及膜腔中的污染物质容易被冲刷去除。因此这种新型膜生物反应器在抗拒膜污染方面具有一定的优势。

5 新型膜生物反应器存在的问题及建议

新型膜生物反应器具备了无泡曝气膜生物反应器优点的同时,应用气体反冲洗的方式减缓膜污染、恢复膜通量。在提高氧利用率、降低能耗和处理效果方面具有其独特的优点。但也存在以下问题:

(1)这种新型膜生物反应器用了两组膜组件。在MBR工艺中,膜组件的费用占很大的比例。因此,多一组膜组件就会提高反应器的成本费用。

(2)无泡曝气作为反冲洗气体对于延缓膜污、恢复膜通量意义重大,但不能完全地(100%)恢复膜通量,因此运行时间足够长时,也需要适当地进行化学清洗。这是所有膜过滤反应器的通病。

对这种新型膜生物反应器的建议:

(1)膜组件的昂贵和在使用过程中膜污染和通量下降问题仍是膜生物反应器改进所要解决的问题。深入对膜污染机理的研究解决膜污染问题,开发廉价的过滤膜和膜组件是膜过滤技术应解决的重点。

(2)将膜过滤技术与其他分离技术和废水处理技术相结合(如与化学絮凝、沉淀技术相结合以减少膜污染、提高效率,以及将不同级别孔径的过滤膜相结合的分级过滤器等),完善膜分离工艺。充分发挥各自优势和协同效应,以得到最佳处理效果和最佳经济效益。这也是所有膜生物反应器改进的方向。

6 结论

通过对现有膜生物反应器存在的问题及解决措施的研究总结,利用无泡曝气和气体反冲洗膜组件均是在低压条件下工作的特点,把两者结合起来,设计了一种新型一体式膜生物反应器,这种新型反应器采用两组膜组件(一组过滤、一组曝气)交替运行的方式,不但具有无泡曝气膜生物反应器的全部优点:氧利用率高、能耗低;同时具有低的膜阻力,在延缓、防治膜污染方面具有的独特的优势;该反应器还具有操作方便的特点,在处理不同的废水时,可根据具体条件(膜污染的严重情况),确定反冲洗周期的长短,在反冲洗和出水之间进行切换,易于实现运行的自动控制。这种新型反应器对废水的处理效果明显高于一般的一体式膜生物反应器(已经在与传统一体式膜生物反应器处理同质、同量的废水对比试验中得到证明,实验部分将在下一篇中论述)。虽然,这种膜生物反应器多用了一组膜组件,但随着生产廉价膜技术的成熟,这些问题一定能够得到解决。

摘要：针对目前一体式膜生物反应器在应用过程中存在能耗高、氧利用率低以及膜污染严重、通量下降等一系列问题,利用无泡曝气膜生物反应器的优点和反冲洗原理,对一体式膜生物反应器进行了改进,设计了一种新型反应器,并对这种反应器的优点进行了详细的分析说明。分析发现该反应器不但具有无泡曝气膜生物反应器的全部优点:氧利用率高、能耗低、出水好;同时在运行中具有低的膜阻力、保持高的膜通量,在延缓、防治膜污染方面具有独特的优势。

关键词：膜污染,无泡曝气,反冲洗,改进设计

参考文献

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[3]吴自强,刘志宏,曹刚,等.膜生物反应器处理废水技术研究的进展.工业水处理,2001;21(6):1—3

一体化膜生物反应器 篇5

在不排泥的条件下,SMBR系统表现出对CODCr、NH3-N、TN、TP等指标良好且稳定的去除效果,其中TN、TP在较高的污泥浓度下才表现出较好的`去除效果.通过对SMBR系统处理效果影响因素的考察,发现污泥浓度对系统的处理效果及反应器内的生物处理都有影响,因系统不排泥,随着污泥浓度的增加,系统出水的有机物含量下降,而反应器中的有机物浓度呈现先升高而后下降的趋势.

作 者：吴建 李秀芳 WU Jian-kun LI Xiu-fang 作者单位：吴建,WU Jian-kun(徐州规划设计院,江苏,徐州,221000)

李秀芳,LI Xiu-fang(徐州工业职业技术学院,江苏,徐州,221000)

刊 名：化学与生物工程 ISTIC英文刊名：CHEMISTRY & BIOENGINEERING 年，卷(期)： 24(11) 分类号：X703.1 关键词：膜生物反应器   城市污水   特性

膜生物反应器中膜污染形成机理分析 篇6

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

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一体化膜生物反应器 篇7

(一) 膜污染简介

广义的膜污染是指因在膜外表面、孔间及在膜内部结构之间发生的固态悬浮物和不溶性物质的沉积导致的膜性能的降低。膜污染最直观的表现就是膜通量持续降低, 其造成因素一般认为是浓差极化和狭义的膜污染, 前者是由于膜的固液分离作用, 使较大的溶质被膜截留, 溶质颗粒在膜表面不断的积累, 其在膜面的浓度超过主体溶液的浓度, 在界面上就形成了溶质浓度梯度, 溶质颗粒在梯度力的作用下, 经过界面向主体溶液扩散, 最后堆积在膜表面, 引起渗透压的增加, 使膜通量减少的现象。这是一种可逆污染, 可通过降低料液浓度或改善膜面附近料液侧的流体力学条件, 如提高流速、采用湍流促进器和设计合理的流道结构等方法, 来减小浓差极化的影响。后者是指被处理物料中的微粒、胶体粒子和溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的膜表面或膜孔内吸附、堵塞使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化的现象。根据污染物的颗粒大小和多孔膜的孔径之间的关系将污染分成膜面堆积、全孔堵塞、部分孔堵塞、孔内吸附四种情况。污染物可大致分为有机沉淀 (大分子、生物物质等) , 无机沉淀 (金属氧化物、钙盐等) , 颗粒沉淀三大类。

膜通量的下降严重影响处理进程和出水水质以及膜的使用寿命, 间接增加了处理成本, 所以膜污染的防治在膜生物处理工艺的运行研究中就显得非常重要。膜污染的防治方法和研究主要围绕3个方面展开:膜材料与结构的开发、反应器运行条件的优化及活性污泥混合液性质的调控。超声波防护技术属于对反应器运行条件进行优化范畴, 是一种过程中处理工艺。

(二) 超声波在膜污染防治中的应用

超声波应用于膜分离技术中主要是用超声波来强化膜分离与清洗提高膜通量。研究表明, 超声技术应用于大分子的膜错流过滤过程, 可以有效提高渗透通量, 控制膜污染的发展;对于膜清洗过程, 超声可以有效提高清洗效果。

1. 作用机理

关于超声波强化膜分离与清洗的机理比较复杂。一般认为超声引起膜面的高频振动、超声空化、声流以及热效应是主要机理。

当超声波在液体中传播时, 超声波与液体的作用会产生非热效应, 表现为液体激烈而快速的机械运动与空化现象。超声空化是指液体中的微小泡核在超声波的作用下被激活, 表现为气泡的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列的动力学过程。空化现象和它的各种效应的基本特点都和液体中空穴和空化泡的形成、猛烈闭合有关。当气泡崩溃时, 在极短时间内, 在泡内产生5000K以上的高温和大约5×107pa的高压, 并伴生强烈的冲击波和速度达110m/s左右的极小“微射流喷嘴”, 把水射到膜的表面上, 产生的高能冲击液对污垢层直接反复冲击, 破坏污物与清洗件表面的吸附;引起污物层的疲劳破坏而脱离。加之超声音频振动的协同作用, 气泡还能“钻入”裂缝作振动, 使污垢脱落。同时超声波在清洗液中传播时产生正负交变的声压, 由于非线形效应在固体和液体界面上会产生高速的声流和微声流, 一方面微声流和声流会把新鲜溶液带到膜表面。溶解膜表面的颗粒, 同时空蚀去除不溶解的污染物, 减少膜表结垢。另一方面产生声流和微声流能够直接破坏污物、除去或削弱边界污层、增、加搅拌、扩散作用。

另外, 由于空化泡破裂的瞬间会释放出巨大的能量, 使氢氧键断裂产生氧化能力极强·OH, 同时空化泡内爆时产生的冲击波亦可破坏溶剂结构, 并通过改变活性元素的溶剂化作用而影响其反应活性。所以超声空化在一定程度上可降解反应器中的污染物质, 有助于膜分离的进行。

2. 超声波防治膜污染的国内外研究现状

(1) 国外研究现状

国外将超声波应用于膜污染的防护也限于最近十年, 研究比较系统;我国这方面的研究也就在最近几年, 大量的研究都证实了超声波能够显著提高或恢复膜通量。Takaomikobayashi等设计了三种方式来考察超声波传播方向对葡聚糖溶液渗透通量的影响:方式一膜平行于水平面, 料液位于膜的下方, 小分子物质向上透过超滤膜, 超声波以垂直于膜面的方向向上辐射料液;方式二膜垂直于水平面料液自下而上输送, 超声波位于膜的下方, 其传播方向与膜面平行, 并均匀辐射料液和渗透液;方式三膜平行于水平面, 料液位于膜的上方, 小分子物质向下透过超滤膜。超声波以垂直于膜面的方向向上辐射透过液。结果显示:三种方式超声波辐射强化膜过滤, 其渗透通量均比未经辐射的有显著提高。当超声传播方向与透过液穿过膜的方向一致时, 膜通量提高最大。Xijuncai等利用相同装置研究了低频 (45KHz) 的超声波辐射对1%葡聚糖溶液透过PAN膜的错流超滤性能的影响。发现超声处理对分子量较高的葡聚糖溶液有较大的影响, 渗透通量显著提高;而对水和小分子量的葡聚糖则影响较小。他们还利用GPC凝胶渗透色谱法考察了超声波对葡聚糖分子的影响, 发现若将超声波探头直接放置于溶液中, 可导致葡聚糖的降解;若超声波是穿过超滤装置外壁而辐射到超滤组件中, 则葡聚糖分子量几乎不变。

(2) 国内研究现状

芮延年、郭旭红等在对染料废水的膜分离实验中主要探讨了超声振动对膜反洗周期的影响, 同时就振动频率、频幅和声压与透水率之间的关系进行了研究。试验表明, 当超声频率较低时, 对提高膜的反洗周期影响较小, 而当超声频率超过15k Hz时, 反洗周期成线性增长。声强达到80W/m2时透水率达到最大值。当再提高声强透水率反而下降, 声压过高时膜分离试验装置出现颤抖现象。另外, 通过频率对膜的破坏性试验发现, 适当的频率是可以提高膜的透水率, 当频率过高时反而影响膜的透水率。当频率>50k Hz时, 膜体出现破裂迹象。迪莉拜尔·苏力坦、莫罹、黄霞等在膜法水处理技术中, 对超声波清洗以减少膜污染, 快速恢复膜比通量进行了初步的研究。由于超声波能在清洗溶液中形成极大的扰动, 并伴有强大的冲击波和微射流, 能与污染膜充分接触和作用, 较常规的物化清洗方法效果更好, 可使膜比通量恢复54%。

(三) 存在的问题与展望

1. 研究中存在的问题与不足

空化和空蚀现象对物体的破坏作用是十分强大的, 空泡溃灭还同时产生强烈的振动和噪声, 对水力机械的工作效率和寿命也有很大的危害作用。Masselinlsabelle等通过47k Hz超声波对聚合膜聚矾膜 (PES) 、聚丙烯脂膜 (PAN) 与聚乙烯氟膜 (PVDF) 进行清洗实验, 考察了超声波清洗后膜的通量恢复和损伤情况。研究发现在超声波作用下, PES膜的扩散曲折率参数的变化率值从150%至500%, 显示膜已受到广泛的破坏。扫描电镜来观察PES100膜, 可见多处邻近的膜孔之间相连通, 形成长条的裂纹, 膜的孔径分布也向孔径增大的方向移动。张国俊、刘忠洲等考察了超声波清洗对平板超滤膜的损伤, 研究发现超声波对膜的损伤程度与超声波的功率大小密切相关, 超声波功率大于30W后, 超滤膜的截留率下降明显, 特别是在超声波功率大于50W后, 实验中可用肉眼观察到膜表面的针孔现象。因此, 在采用超声波来清洗超滤膜或用超声波作为强化渗透的一种手段时, 超声波对膜的损伤作用是一个不可忽视的问题。

从现今的研究来看, 单纯采用低功率超声波对污染严重的超滤膜进行直接物理清洗, 通量恢复并不完全。超声波清洗主要还是起到对化学清洗的协同作用。张国俊、刘忠洲等通过超声波和次氯酸钠协同作用清洗超滤膜, 清洗时间从20~30min缩短到5min左右。黄霞等在对膜处理工艺中污染的膜进行清洗, 将化学清洗与超声波相结合进行清洗2h后, 膜过滤性能在常规化学清洗基础上继续提高约20%。

将超声波应用于对膜污染进行防治, 是对超声波声空化效应应用于机械清洗的一种借鉴。但是机械体与膜在结构、性能上有着很大的差异, 声空化效应确实可以通过振动振荡、水力剪切、剥离等作用改变膜附近流体的水力状况, 对膜面污染进行很好的防治, 但是这种可逆污染运用其他传统的污染防治手段同样可以实现, 而且传统的方法经济效果更优, 负效应更小, 所以这种方式在膜污染的防治中作用的机理还需要更深入的研究、其作用效应还需要进行更全面的评估。而对于不可逆膜污染, 运用传统的方法却不能很好地进行防治, 超声波声空化效应得作用能否深入膜孔, 有效消除膜孔堵塞物需要加以考证。

超声波声空化效应是一种能够产生非常规环境条件和作用的效应, 发挥作用的同时伴随着巨大的能量、压力还有机械作用的产生, 这些效应是否会对膜生物反应器中的生物造成不良的抑制乃至致死作用同样值得深究。

直接利用超声波的声空化效应降解处理污水中的污染物质是高级氧化技术中的常规使用方法之一, 对超声波发生器进行一些改性研究, 在实现其防治膜污染的功能的同时强化其氧化降解污染物的功能可以使设备的利用率得到提升, 污染物也能得到更深度的处理, 在基础研究中有必要对这种方式的可行性进行探讨。

2. 研究展望

国内外的超声波强化膜分离与清洗研究大多还只限于实验室阶段, 如要真正用于规模清洗中, 仍有大量的基础性研究工作亟待进一步开展。如何将超声波声场参数 (频率、声强) 、操作参数 (温度、压力、流速等) 、膜材料与结构等因素的优化组合;如何减轻超声波清洗污染膜对于膜化学稳定性、力学性质的损伤;如何将超声波和化学清洗相结合;如何在膜法水处理过程中实现空纤维膜组件的超声清洗等将是今后研究的重点。当然超声波在膜污染防治中的作用机理仍然并不是十分明朗, 超声波防治工艺的设计、与其他工艺联用的设计方面还有许多工作要做, 它们也都是需要进一步深入探讨的问题。

参考文献

[1]隋鹏哲, 文湘华, 黄霞.厌氧膜—生物反应器中超声控制膜污染研究.环境污染治理技术与设备, 2006, 7 (4) :25-29.

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[4]吴金玲, 黄霞.膜—生物反应器混合液性质对膜污染影响的研究进展.环境污染治理技术与设备, 2006, 7 (2) :16-23.

膜生物反应器中膜污染防治技术研究 篇8

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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[6]陈斌, 王海峰, 吴明铂.膜生物反应器中的膜污染及其再生[J].工业水处理, 2011, 31 (8) :16-19.

膜生物反应器设计参数探讨 篇9

关键词：MBR,生物处理工艺参数,膜技术参数

膜生物反应器 (MBR) 是较理想的污水回用处理工艺。虽然在各个方面都取得了大量成果, 但膜污染、高能耗问题始终是制约该工艺推广应用的瓶颈。到目前为止, 该工艺还没有成文的设计规范和制约膜污染、降低能耗的一套较合理的设计计算参数、操作参数及运行条件等参数。这种现状也无形中使得MBR工艺一直处在实验研究阶段而无法向实用领域迈进。因此需要对MBR设计计算参数进行全面探讨与研究。

1 生物处理工艺参数

MBR对有机物及氮磷的去除主要靠活性微生物系统。膜分离单元只起截流作用, 而且其运行效果的好坏与微生物系统的处理能力直接相关。所以, 合适的工艺参数是MBR保持良好污泥活性的关键因素。

1.1 污泥浓度 (MLSS)

常规活性污泥曝气池中的MLSS为3~5 g/L, MBR的污泥浓度是常规的3~5倍[1,2], 而且其浓度应不低于4 000 mg/L。污泥浓度太高 (>13 000 mg/L) , 会使污泥负荷过低, 微生物由于营养缺乏而进行内源呼吸或死亡。结果一方面可能会加剧混合液中胞外聚合物 (EPS) 的释放和溶解性微生物产物 (SMP) 的溶出与积累, 影响反应器上清液水质, 导致不可逆膜污染。污泥浓度过高或过低时, 膜污染发展速率均较快;另一方面SMP的累积会对硝化细菌产生抑制作用, 使出水NH3-N升高[3]。不过TN的去除效果随MLSS的增加而增加[4]。

另外, MLSS越高, 传质效率越低, 需要更高的曝气强度。MLSS浓度还与膜的产水量呈线性负相关, 和膜过滤阻力也存在相关性[4,5,6], 随着污泥浓度增大, 膜过滤阻力增大, 产水量减小。

1.2 生物固体停留时间 (SRT)

SRT对污泥的活性影响较大。研究表明, 随SRT的延长, MLSS不断增加, 污泥的活性先上升后逐渐下降, 但当MLSS增大到很高后会带来一系列不利影响而加剧膜污染[3]。所以膜生物反应器若要保持良好的污泥活性, 不宜控制过长的SRT。具体应根据实际运行情况, 结合污泥活性、污泥减量和膜通量下降情况综合考虑[7,8]。研究推荐值为:5~35 d。

1.3 污泥负荷和容积负荷

MBR的污泥负荷一般较低, 介于0.1~0.25 kg COD/ (kg MLSS·d) 之间;体积负荷率较高, 介于1.2~3.2 kg COD/ (m3·d) [6]之间。在一定范围内, 有机物负荷越低, 越有利于提高COD和NH3-N的去除效率。但过低的污泥负荷 (<0.1 kg COD/kg MLSS·d) 会使膜生物反应器内微生物由于营养缺乏而死亡或进行内源呼吸而产生过多的EPS和SMP, 污泥负增长, 降解活性变差, 最终导致不可逆膜污染。

1.4 水力停留时间 (HRT)

普通活性污泥法中曝气池的HRT越长, 处理效果越好。在MBR中, 处理水质主要由膜决定, 与HRT关系不大, 但HRT的长短在一定范围内会影响混合液中溶解性有机物的积累程度, 从而引起膜通量下降[9]。根据MBR的不同运行特征, 封莉等推导出了HRT计算式[10]。此外, 根据曝气池容积公式V=QT, 说明HRT还反映了生物反应器容积的大小。所以HRT的确定, 应以维持系统内溶解性有机物的平衡为主, 同时考虑曝气池容积有一定的调节容量即可, 不应过大而影响到工程的基建投资。

1.5 溶解氧浓度 (DO)

溶解氧是曝气池正常运行的主要影响因素。DO不足或过量都会导致微生物生存环境恶化, 影响出水水质。当DO浓度较低时硝化菌首先受到抑制, 使氨氮去除效果不佳;同时易造成混合液中有机物累积和膜污染[11,12]。在2~5 mg/L范围内, DO的变化对COD的去除效果影响不明显, 对氨氮去除率随溶解氧浓度的上升而略有下降, 对TN去除效果不佳[13,14,15]。所以在MBR的设计运行中, 可通过控制DO浓度, 促进MBR发生同步硝化反硝化或短程硝化反硝化。

1.6 气水比、曝气强度、曝气方式

气水比是反应器中每小时气体量和污水量的体积比。通常在曝气池中用气水比的数值来表达曝气强度的大小。气水比越大, 曝气强度越高, 能耗也越大。强烈的曝气紊动度会破坏污泥絮体, 使菌胶团解体, 过多释放EPS和SMP[16], 加剧膜不可逆污染, 缩短膜过滤周期。当曝气强度过低时, 膜表面剪切作用减小, 同样会导致上述问题。所以, 理论上应存在某个经济曝气强度范围, 在保证处理效果、有效控制膜污染的同时能耗较低。经济曝气强度的确定较为复杂, 可通过试验, 综合考虑去除效果 (包括BOD、NH3-N、TN等) 、膜污染和能耗来确定。不同的污泥浓度均存在一个经济曝气强度, 经济曝气强度随污泥浓度的增加呈指数递增[3]。

1.7 运行方式与能耗

运行方式与能耗息息相关。研究发现, 改变曝气方式也可降低能耗[17,18,19]。将连续曝气运行方式改为间歇曝气方式运行及间歇曝气与间歇出水配合运行, 不仅能大大降低能耗, 减轻膜污染, 还有利于反硝化的进行。另外, 采用间歇出水方式也有助于减缓膜污染[20,21]。因为间歇运行减少了混合液中胞外聚合物 (EPS) 的释放和溶解性微生物产物 (SMP) 的溶出, 能有效控制膜污染, 降低能耗。

研究推荐, ①连续曝气:气水比30∶1~40∶1;②间歇曝气:膜出水时气水比为20∶1, 停止抽吸时气水比为40∶1;③间隙出水间隔时间:抽吸时间≤12min、停抽时间≥3 min。

2 膜技术参数

膜组件是膜生物反应器截留污染物的核心部件, 膜的运行效果直接影响MBR的处理能力。膜污染程度决定膜的寿命, 膜污染的程度又取决膜的技术参数、微生物系统的的工艺参数等因素。所以应以减少膜污染或者优化工艺参数等目标来决定膜材料和膜组件形式。

2.1 膜材料与孔径

处在污水中, 膜需要耐受化学、微生物腐蚀, 污染物质污堵, 外界冲击力等。除了考虑价格与制造工艺外, 应该选择物理化学性能较强的膜材料, 同时还要考虑高通量、高分离率、低过滤压差等特点。从理论上讲, 出水水质主要由膜有效孔径决定, 所以可根据出水水质的要求选定膜的孔径, 要求越高, 膜的有效孔径越小。在确保水质达标的情况下, 理论上选择孔径大的膜可提高膜通量。但试验发现, 选用较大的膜孔径, 反而加速了膜污染, 膜通量下降很快[20]。

2.2 膜性能

高性能的膜是优质膜元件的关键。研究发现, 膜表面越粗糙就越容易引起膜污染。亲水性膜和疏水性膜出水水质几乎没有差异, 但亲水性膜比疏水性膜具有更优良的抗污染特性。此外, 膜材料的电荷与主要污染物电荷相同的膜也较耐污染[21]。

2.3 膜组件的形式[22]

膜元件使用寿命一般是3年左右, 这就意味着在设计时就要考虑运行中更换膜组件的可能性。膜组件通常是装了若干个并联的膜元件的单元, 配有曝气装置和进出水管。高品质膜组件一般具有以下特点:①膜面积/膜体积最大;②进料侧具有高的湍流度以促进传质效果;③模块化单元设计, 便于组装、拆卸、更换维修;④单位体积产水量能耗低;⑤单位膜面积造价低;⑥拓展性好, 做工精细、耐腐蚀性好, 易于清洗等。

2.4 膜通量与水动力学条件

许多研究者认为MBR运行中存在一临界通量, 当膜通量小于这个值时, 膜污染与膜自清洗处于动态平衡状态, 膜污染不发生或者发展非常缓慢;一旦膜通量超过临界值, 膜过滤压差 (TMP) 明显上升, 膜污染急剧发展[6,19]。设计压力驱动膜时, 一般都采用固定膜通量然后再确定膜驱动压力的值[6]。外置式MBR在较高的压力下运行, 所以比浸没式的膜通量要大。其操作压力的变化范围为0.1~0.5 MPa, 浸没式膜组件在负压下工作, 其TMP较小, 膜通量不会超过临界值。报道的浸没式系统的操作压力范围为0.003~0.03 MPa。

2.5 膜污染及其控制[21,22,23]

膜污染影响机理错综复杂, 膜污染的程度取决膜的技术参数、微生物系统的的工艺参数等因素, 而膜污染程度大小又决定着膜的寿命。所以在设计中应优化设计计算参数, 最大限度地减缓膜污染和能耗。增设预处理设施, 控制原水中的颗粒物或大分子有机物的污堵问题。选择高质量的亲水性膜组件, 提高膜的污染自制能力。优化MBR内水动力学条件, 包括水流紊动度、曝气强度和曝气运行方式。优化MBR反应器的结构, 如在反应器中使用单侧曝气产生的升流紊动冲刷, 形成气升循环流动的水力条件, 既可有效控制膜污染又能降低运行能耗。优化膜分离操作模式, 标定膜临界通量, 控制膜通量值, 同时采用间歇出水方式。

3 设计计算难点

3.1 排泥问题[24,25]

虽然MBR理论上可以不排泥, 但研究发现, 污泥长期滞留对MBR污泥系统的活性和膜污染中膜堵塞问题影响较大。随着运行时间延长, 污泥浓度逐渐升高, 污泥对COD的降解速率先升高然后逐渐降低, 即污泥的活性随着不排泥时间的延长先上升而后逐渐下降。所以要保持高活性, 应定期适量排泥, 将污泥浓度控制在一定的范围内, 防止污泥老化。排泥时间的确定应结合污泥龄, 综合优化各项工艺参数, 同时考虑膜的最佳运行工况。研究推荐值为20~36 d。排泥方式可由曝气池快速沉淀后直接排浓缩混合液[9]。

3.2 污泥量计算

剩余污泥量可利用monod方程式和LawrenceMc Carty方程式中动力学关系进行计算。一是采用普通活性污泥法, 特别是SBR法的污泥量的计算式;二是利用Lawrence-Mc Carty方程式中对“生物固体平均停留时间”的定义式进行计算。两种方法计算结果相差不大。

3.3 空气量计算

MBR中曝气的能耗可占运行总能耗的98%以上, 合理确定空气量是MBR工艺的关键环节。曝气除为膜生物反应器中微生物提供足够的氧气外, 还能对膜表面的污泥沉积层 (可逆污染) 进行剪切和吹脱以缓解膜污染和保持膜通量。另外, 曝气还是处理水在池内保持完全混合流态或循环流动的原动力。所以, 空气量计算应包括生化反应需氧量、对膜进行冲刷以减轻膜污染和保持处理水循环流动的耗气量。计算时可考虑在满足生化反应的前提下, 适当增大气水比, 以减缓膜污染和满足循环流动的需求, 同时充分考虑降低能耗的可能性, 因为实际需氧量比理论需氧量多33%~61%[26]。结合实际情况, 在MBR中可取最大比进行计算, 这样可大大简化计算过程。

4 结论

膜生物反应器处理造纸废水研究 篇10

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