浸没式厌氧平板MBR处理酒厂废水的研究.doc

第22卷增刊中国给水排水 V0122 Suppl2006年9月CHINA WATERWASTEWATERSep2006浸没式厌氧平板MBR处理酒厂废水的研究王志伟，吴志超，顾国维，俞国平(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092)摘要： 采用小试规模的浸没式厌氧平板MBR对高浓度酒厂废水进行处理，研究了MBR的 处理效果及膜污染的特性。考察了COD负荷、HRT、VFA和碱度等与污染物的去除特性，同时考察 了阻力分布，并采用离心分离方法研究了污泥的三组分对膜污染的影响。试验结果表明，COD负 荷为5280 ks(md)、水力停留时间为35 d时，MBR对COD的平均去除率为95。正常 运行时的碱度与VFA的比值为2545。当COD负荷超过100 ks(m3d)，系统VFA出现累 积，COD处理效果下降。水力停留时间对厌氧MBR处理效果有重要影响，水力停留时间应大于70 h。膜污染模型的推导也证实了厌氧MBR膜污染属于泥饼阻力模型；膜阻力分布的测定表明，浓差 极化阻力和泥饼层阻力是膜污染的主要部分；污泥组分中污泥悬浮固体颗粒是膜污染的主要因素。关键词：废水处理； 浸没式厌氧膜一生物反应器； 酒厂废水；膜污染 中图分类号：X7031 文献标识码：A 文章编号：10004602(2006)增刊一001206Study on a Submerged Anaerobic MBR for Treatment of Alcohol- distillery WastewaterWANG Zhiwei，WU Zhichao，GU Guowei， YU Guo-ping(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource m嬲e，Tongfi University，Shanghai200092，China)Abstract： A flat-sheet style anaerobic membrane bioreactor was applied to treat high-strength alco- hol-distillery wastewater in order to investigate pollutant removal efficiency and membrane fouling proper- tiesThe relationship between volumetric organic load(VOL)，HRT，VFA，alkalinity and the pollutant removal was studied；in the meantime，membrane resistance distribution and the contribution of three sludge fractions to membrane fouling were also studiedTest results suggested that COD removal efficien cy average was 950，with VOL 5280 ks(m3d)and HRT 35 dDuring steadystate period，ratio of alkalinity with VFA was about 2545When VOL was over 100 ks(m3d)，VFA ofthe system increased acutely and COD removal efficiency decreasedHRT had an important effect on COD removal efficiency and proper HRT for the anaerobic MBR was over 70 hMembrane resistance model of the anaerobic MBR belonged to cake resistance model Membrane resistance distribution analysis suggested that the concentration polarization and sludge cake resistance were the main parts of membrane resistanceThe suspended microbial solids of three sludge fractions were the main contributor to the membrane foulingKey words：wastewater treatment； submerged anaerobic MBR； alcohol-distillery wastewater；基金项目：国家高技术发展计划(863)项目(2002AA601220)12增刊 王志伟，等：浸没式厌氧平板MBR处理酒厂废水的研究第22卷membrane fouling膜一生物反应器(Membrane bioreactor，MBR)是 力。MCAB由沼气循环泵保证活性污泥的均匀混 膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的废水处合，并使膜表面受到冲刷剪切。气体经过排气阀排 理新工艺，近年来已经逐步应用于城市污水和工业放，净化后由气体计量表计量。温度控制仪维持反 废水的处理之中。J。厌氧膜一生物反应器(Mem应器内温度为32，pH控制仪显示反应器内pH， brane coupled anaerobic bioreactor，MCAB)是一种处 通过加入NaHCO，缓冲液维持pH值为6872。 理高浓度有机废水的行之有效的工艺口、41。MCAB在线清洗时，停止出水泵，关闭出水阀，启动清洗泵处理高浓度有机废水已成为国外如WERF(Water进行清洗，清洗完毕后由出水泵排除清洗废液。 Environmental Research Foundation)等协会研究的重试验采用的膜材质为聚偏氟乙烯(PvDF)，膜 点之一5。国内外对厌氧MBR处理高浓度有机废的有效过滤面积均为0059 m2。膜名义截留分子 水进行了研究M曲o，但是这些研究考察的是分置式质量为100 ku。 厌氧MBR运行特性。分置式MBR即膜过滤装置与 12方法 反应器分开设置；浸没式MBR是将膜组件放人反应 121水质监测方法 器中直接对膜进行抽吸，使混合液经膜过滤而得到 主要分析项目为COD、SS、VFA、浊度和色度。过滤出水。与分置式MBR相比，浸没式MBR具有 测定方法采用国家环保局的水和废水监测分析方能耗低、占地更为紧凑的优点。同时，厌氧MBR处法中的标准方法。 理高浓度有机废水能够节省能耗，布置紧凑，同时保 122膜阻力分布测定 证污染物去除效果。而国内外对一体式厌氧MBR膜固有阻力：投入运行前经过NaCl0溶液 研究报道还较少，采用平板膜材质的厌氧MBR的研 (01)清洗后的平板膜，测定清水通量和操作压 究报道还未见到，平板膜优点是抗污染能力强， 力，根据Darcy定律计算得出R。MBR内可以维持较高污泥浓度，能承受较高的有机总阻力：运行结束时在MBR中的膜通量和压负荷，维持较高去除效率。本文对一体式厌氧平板力，根据Darcy定律计算出尺。MBR处理高浓度酒厂废水的特性以及膜污染特性泥饼层阻力：将膜去除泥饼后放于清水中，测定进行研究。膜通量和压力，计算出尺，此值与尺。的差值即为泥1试验装置与方法饼层阻力R，。11试验工艺流程内部阻力：R。与尺。的差值即为内部阻力R；。试验采用一体式厌氧平板MBR，小试工艺流程 123污泥组分的分离见图1。 采用Bouhabila等人1刊的分离方法进行。试验 共测定污泥混合液三种组分的膜污染阻力，即混合液悬浮固体、胶体物质和溶解性物质。先将膜放人 污泥混合液中，固定抽吸压力30 kPa测量膜的通量 值，计算总阻力R。；然后将膜置入含有胶体和溶解 性物质中同样条件下测定R。；最后膜置于仅含溶解1贮液罐2进水泵3McAB 4平板膜组件5沼气循环泵性物质的溶液中测定阻力尺。，尺。与R。的差值即为6真空表7出水泵8量筒9液位控制阀10温度控制仪11pH控制仪12循环进气阀13清洗液贮存罐14清洗泵溶解性物质产生的污染阻力R。R。与R。的差值为15清洗阀16排气阀17湿式气体计量表18出水阀胶体物质产生的阻力尺。，R。与R。的差值即为悬浮图1试验工艺流程污泥颗粒产生的阻力R皓。 贮液罐内的酒厂废水经过进水泵提升进入反应 13MBR操作器，由水位控制阀保证MBR内的水位恒定。出水泵厌氧MBR经过2个月的驯化培养期和2个月 对膜组件抽真空运行，真空表显示膜过滤操作的压的稳定期，而后进行本试验。试验过程中，通过在线13增刊 中国给水排水 第22卷化学清洗维持膜通量为45 L(m2h)长期稳定又根据式(1)可知 运行。试验过程中污泥龄为60 d，污泥浓度为8 000月z：(等)：(8)10 000 mgL。 J2阻力数学模型代入式(7)两边同乘以等A 并变形后可得：p2p膜通量和操作压力之间的关系可用下式(Darcy定理)表示：R(t)：(R：+k1可xAP2t)05(9)p，：等。衄(1)、。 由k，、P和p为常数，因而可令卜膜操作压力，Pa矗2：k1丁AP2(10)托，=广一 式中，二一膜通量，L(m2h)，肛Ir渗滤液动力粘度系数，Pas式(9)可变为：R过滤阻力，m_R(t)2=R：+k2t(11)根据，=上At(2)因而可以作出寺和时间f的关系曲线，并通过式中卜膜透过液体积，LJ(I)线性拟合，图线斜率即为k，同时可以得到不同压A膜有效过滤面积，m2力下的寺一#的数学模型方程式。把k。值、P和过滤时间，h ，(I)根据方程式(1)和(2)可以求出 弘代入式(9)或求出k：代人式(11)即可求出露(f)2 一t的数学模型方程式。R：AP矿At(3)3结果与讨论根据式(3)可以计算出膜阻力。31MBR运行状况在MBR中，根据泥饼层阻力模型2|：J(t1+器_031。1污染物处理效果(4)厌氧MBR稳定运行的进、出水水质见表1。5表1污染物的去除效果式中J(t)t时刻的膜通量项目平均进水 平均出水 厶起始时刻的膜通量COD(mgL。1) 25 7641 294(95) t过滤时间，minSS(mgL“)300 0(100)矗。泥饼阻力系数浊度NTU 230 15(925)咖。活性污泥混合液中颗粒所占的体积色度倍1 000 200(80)注：括号内为去除率。 比咖。泥饼层中颗粒所占的体积比在反应器的水力停留时间为35 d、COD容积 尺。膜自身阻力，即清洁膜阻力，m一负荷为5280 kg(m3d)时，随机检测一个月 在一个相对较短的时间内，咖。和咖。为常数，因内平均进水COD为25 764 mgL，平均出水COD为而在式(4)中令羔呐1 2945 mgL，平均去除率为950。MBR对ss、浊度和色度都有较好的处理效果。(5)312水力停留时间(HRT)与出水水质 以及由式(1)得 图2描述了对COD去除率随HRT的变化关系。从图2可以看出，水力停留时间70 h时，系统对COD式(4)变形得：的去除率可稳定在90以上；HRT继续增大，系统对COD的去除率缓慢增加。这说明厌氧MBR需要一1：i1+Jj1万j2 5万“-(7)保证一定的HRT，本试验适宜的HRT为70 h左右。14增刊 王志伟，等：浸没式厌氧平板MBR处理酒厂废水的研究第22卷1 2861 980 mgL，平均为1 592 mgL。碱度与邃VFA比值为2545。褂畿 稍露瞥罩oo耋U螽攥图2 COD去除率与HRT的关系313容积负荷对出水水质以及产气量的影响检测天致d容积负荷对出水水质以及产气量的影响见图图5正常运行时VFA与碱度的关系3。在厌氧MBR中，有机酸累积的量和二氧化碳有 关，此外，还要考虑水的离解平衡。根据化学质量作用定律，可得下列三个数量关 系：K1：坚黑警盟觞：罢掣=二彳赢丁一旦(12)(12)z 2可面r(13)纠民=H+OH一(14)图3容积负荷与去除率的关系根据许保玖43推荐在常用温度下的K。、K 从图3可以得知容积负荷对去除率有一定的影值，采用内插法得出32时的K。=47910，恐 响，当容积负荷达到100 kg(1T13d)以上时，系统=531 x 10。11，民=17210-14 0与墨值相比，恐VFA严重累积，系统对COD的去除率严重下降。 和K可以忽略不计。因而仅考虑K，级电离，方程容积负荷与产气量的关系见图4。 式(12)可以转化为：pH=pKl+19哥(15)因而可得出碱度与pH值的关系：碱度pH=pKl+lg哿(16)1，鲫扩牝弘如筋挎m，O式中50 000碱度(mgL)转化为moVL除以的系数图4容积负荷与产气量的关系由图4可见，产气量随容积负荷的增加而增加；妊亨利常数，32时的亨利常数采用内但是当容积负荷过高时，产气量并未增加，主要是由插法可得285 MPaI_mol列于系统内VFA累积而使处理效果严重下降，影响系 CO：沼气中CO：的分压，根据贺延统的产气量。龄n41采用的液体置换系统测定314碱度、VFA和pH与MBR运行性能出沼气中CO：含量，得出CO：分 图5为本MBR正常运行时的碱度与VFA的变压为0029 MPa化情况。VFA(以醋酸计)浓度为284588 meL，实际监测的pH值与采用化学计量关系计算的 平均浓度为4547 mgL；碱度(以碳酸钙计)为 pH值较为吻合。因而在实际应用时，可以通过实测15增刊 中国给水排水 第22卷一一的pH值及所需达到的pH值通过式(16)反算得出 的膜污染阻力。计算得出的三种污泥组分对膜污染系统需要补充的碱度。 的阻力情况列于表3。32膜污染特性表3三种污泥组分形成的膜阻力321膜污染的模型分析膜阻力阻力fflO”比例MBR膜通量与时间的变化关系如图6所示。悬浮颗粒 451 70胶体物质 139 216溶解性物质 5484，号厌氧MBR的污泥组分中，污泥悬浮颗粒所形成弋的阻力占到了70左右，这与其他研究者进行好氧jMBR得出的研究结果不同，两者的比较列于表4。表4污泥组分形成膜阻力的比例好氧MBR 厌氧MBR污泥组分 Bouhabila Wisniewski(本研究) 图6膜通量与时间的变化关系等人等人151悬浮固体 70 24 23根据式(7)的分析，以寺一作图，如图7所示。胶体物质 22 50 25溶解性物质 8 2652为进一步考察污泥特性，对好氧MBR和厌氧q-拿MBR污泥进行了颗粒粒径分析(Accusizer 780分析生毛仪，美国Santa Barbara公司)。两种污泥混合液颗晕S粒粒径分析结果如图8,9所示。o忒嚣!it 7专与时间f的变化关系 筮 姬躲对图形进行线性拟合可得：i1=188 x 1010 f+1331011可知，k=188 X 1010，根据方程式(6)：R(t)=图8好氧MBR的悬浮颗粒粒径分布(瑶+生圣喾t)。s可得阻力模型为：尺(#)：219p1013(1+014t)o。冰322膜阻力情况嚣试验运行结束后，根据各部分膜阻力的检测方筮 衄法计算出各部分膜阻力列于表2。基表2膜阻力的分布膜阻力阻力I篁1012比例清洁膜阻力 069 04 颗粒粒径trm内部阻力393 23图9厌氯MBR悬浮颗粒粒径分布浓差极化阻力 736 422 从颗粒粒径分布图来看，厌氧MBR的悬浮颗粒 沉积层阻力 960 551 粒径相对较小，主要颗粒粒径为021 p,m，平均粒 为进一步分析混合液中的各种成分对膜污染的径为064恤m；而好氧MBR的粒径范围分布较广， 影响，将污泥混合液进行分离，测定三种组分所形成平均粒径为457仙m。细小的颗粒易在膜面沉积，16增刊 王志伟，等：浸没式厌氧平板MBR处理酒厂废水的研究第22卷形成较为严重的膜污染161 。6郑祥，朱小龙，樊耀波膜生物反应器处理毛纺废水4结论的中试研究J环境科学，2001，22(4)：91947 何义亮，吴志超，李春杰，等厌氧膜生物反应器处理平均进水COD为25 764 mgL，COD容积高浓度食品废水的研究J环境科学，1999，20(6)：负荷为5280 ks(In3d)，厌氧MBR平均出水5355COD为1 2945 msL，平均去除率为95O；对SS、8 Fuchs W，Binder H，Mavrias G，et a1Anaerobic treat-浊度和色度也有较好的处理效果；容积负荷对去除ment of wastewaterlritll hish organic content using a率有一定的影响，当容积负荷达到100 ks(in3stirred tank reactor coupled with a membrane filtration U-d)以上时，系统VFA出现累积，系统的COD去除率nitJWater Res，2003，37(4)：902908下降；产气量随容积负荷的增加而增加，但容积负荷9 Wen C，Huang X，Qian YDomestic wastewater treat-过大时会造成VFA的累积，处理效果下降，产气量ment using an anaerobic bioreactor coupled witIl mem- brane filtrationJProcess Biochemistry，1999，35(3并无明显增大。MBR正常运行时的VFA浓度为284588 4)：335340msL，平均浓度为4547 msL；碱度为1 28610Bouhabila E H，Aim R B，Buisson HFouling charac- terization in membrane bioreactorsJSeparation and1 980 InsL，平均为1 592 IngL。碱度与VFA比值Purification Technology，2001，(2223)：123132为2545。11Wontae L，Seoktae K，Hangsik SSludge characteris-膜污染的阻力模型为R(t)=2191013(1tics and their contribution to microfihration in submerged+014t)n 5，属于泥饼阻力模型。membrane bioreactorsJJournal of Membrane Science，膜阻力分布的测定表明，浓差极化阻力和 2003，216(12)：217227泥饼层阻力是膜污染的主要部分；污泥组分中污泥12 Wiesner M R，Veerapaneni S，Brejchova DImprovement悬浮固体颗粒是膜污染的主要因素。in mierofiltration using coagulation pretreatmentANice Proceedings of the Fifth Gothenburg Symposium on 参考文献： Chemical Water and Wastewater Treatment IICNew 1 Brindle K，Stephenson TApplication of membrane bio- York：France Springer，1992logical reactors of the treatment of wastewaterJBio13许保玖给水处理理论M北京：中国建筑工业出tee Bioeng，1996，49(3)：601610版社，20002Hong S P，Bae T H，Tak T M，et a1Foulin