双功能陶瓷膜生物反应器处理废水的研究.doc

双功能陶瓷膜生物反应器处理废水的研究利用膜生物反应器（Membrane Bioreactor， MBR）处理废水正在受到人们的关注。而无机膜生物反应器（Inorganic Membrane Bioreactor， IMBR）则是在MBR基础上兴起的。IMBR的核心是采用无机膜，与有机膜比较，无机膜具有化学稳定性好、热稳定性高、机械性能优异、通量大、寿命长、容易清洗等优点，但也存在着制造成本高，运行费用大等问题，特别是容易堵塞的问题。本研究针对上述陶瓷膜容易堵塞的问题。提出了一种新的膜生物反应器的设计方案。即将陶瓷膜设计成U型管状，并置于反应器内，成为内置式膜反应器。该陶瓷膜既可以曝气，又可以进行抽滤，形成一种具有双重功能的陶瓷膜，在处理废水的同时不断地进行曝气/抽滤的切换。而曝气的同时又是对陶瓷膜的反吹，以解决陶瓷膜容易堵塞的问题，从而提高反应器处理废水时的效率。这一设计目前在国内外尚未见报道。 1.实验方法1.1 生物反应器和陶瓷膜图1所示是双功能陶瓷膜生物反应器的示意图，其有效体积约2.5L。反应器内部装有2组U型管状陶瓷膜，在反应器的底部有陶瓷膜的接口，可分别接上曝气和抽滤装置。在处理废水的时候可定时地进行曝气/抽滤的切换。反应器内另装有可拆卸的蜂窝状的陶瓷载体，该载体的作用是使微生物能附着生长在其上，以提高生物相浓度。反应器中间安装有一挡板，可使废水在反应器内形成内循环以强化气液传质。U型管状陶瓷膜的微孔孔径为60100mm，每个陶瓷膜过滤面积为40.69cm2。1.2 废水在降低水样浊度试验时，选用两种浊度的水样。低浊度的水取自池塘水，内含有细小的胶体悬浮物。而高浊度的水样，是在取自池塘水样中加入一些泥土，以提高其浊度。在降解废水时，在取自池塘的水中添加适量的葡萄糖及氮、磷等元素配制的模拟废水。1.3 生物膜的形成 当采用生物膜方法处理废水时，首先用肉汤培养基，接入少量菌种。摇瓶培养48h，待微生物生长到一定浓度后，将该菌液加入到反应器中，使微生物吸附在多孔陶瓷载体上，经过一段时间的培养形成生物膜。1.4 陶瓷膜通量的测试为了考察陶瓷膜通量随抽滤时间的变化情况。分别用前述的高、低2种浊度的水样进行试验。 每隔一定时间用型号为WGZ-1数字式浊度仪（上海产）测定抽滤后出水的浊度，并和同类废水在自然沉降情况下进行比较。此外还在1h内分为6个阶段考察陶瓷膜通量的变化规律以及经过曝气反吹之后，膜通量的恢复情况。1.5 废水的生物处理试验在反应器中安装陶瓷载体，待形成生物膜之后，分别进行间歇和连续生物处理模拟废水的试验。此时每隔0.5h进行一次曝气/抽滤的切换，以保持陶瓷膜的通量，并定时从抽滤膜处取样并测定水样的COD和浊度。2.结果和讨论2.1 出水浊度的变化 分别用两种浊度的水样，经过陶瓷膜的过滤考察其浊度的变化情况。图2是采用浊度为47的水样，经过陶瓷膜抽滤后其浊度的变化情况。从图中可以看出，经过陶瓷膜抽滤后其浊度下降至平均23左右，平均浊度下降率为51%。分析图中浊度变化曲线可以看出，抽滤后水样的浊度有一定幅度的变化，这说明陶瓷膜对浑浊水的过滤主要是通过在陶瓷表面形成的过滤层进行的。由于反应器内循环水流的搅动，过滤层的形成尚不稳定，所以出水浊度便有一些波动。从图中还可以看出，在抽滤的前期，是过滤层形成阶段，出水的浊度比后期的浊度要高。从5h以后，浊度稳定在20左右，总的趋势是浊度逐渐下降，平均浊度下降了57%。 图3是采用浊度为320的水样经过陶瓷膜抽滤后其浊度的变化情况。从图中可以看出，在前20min，出水浊度逐渐下降，此时是过滤层的形成过程，20min之后，出水的浊度就降低至120左右，废水浊度的下降率为62%，并且稳定在这个范围。 分析两种浊度的水样的下降情况，由于低浊度水中主要是细小的悬浮物，所形成过滤层的孔径就比较小。因而出水浊度相对就比较小。而高浊度的水中主要含有的是较大颗粒的泥土，所形成的过滤层的孔径相对较大，因而出水浊度也就较高。为了与陶瓷膜过滤进行比较，对同类废水进行自然沉降的比较试验。图4和图5分别是采用浊度为58和390的2种水样经过自然沉降，其浊度下降的情况。从图4可以看出，低浊度废水经过10h的自然沉降后，其浊度下降到25，而24h后，浊度降到18。从图5可以看出，高浊度的废水经过4h的自然沉降，废水浊度的下降率为60%，此后浊度缓慢下降。从上述试验结果可以看出，采用池塘水，由于水中含有较多的悬浮物，主要是一些浮游性的胶体物质，其自然沉降速率较慢，在此种情况下，陶瓷膜过滤的效果就相当于其自然沉降1024h的结果。而高浊度的水，由于是在水中加入了泥土，其沉降速率较快，同时也会吸附悬浮的胶体物质共同沉降，所以陶瓷膜过滤的效果就相当于其自然沉降4h的结果。2.2 陶瓷膜通量的变化用陶瓷膜连续进行抽滤时，其膜通量会逐渐下降。下降的幅度是进行废水处理时的主要工艺参数。图6所示是用低浊度水进行的膜通量恢复性能的试验。进水浊度:47，出水浊度:23。试验时，在60min内每隔10min测定一次膜通量，考察其膜通量的变化情况。每次测试之后，均曝气10min，从实验结果可以看出，经过短时间曝气均能基本恢复到原来的水平。最后膜通量可稳定在180200 (l/hm2)之间。图7是用高浊度水进行的膜通量恢复试验。连续进行了3次试验，每次抽滤45min，然后曝气8min。从图7可以看出，经过短时间的曝气，膜通量也基本恢复到原来的水平。2.3 处理废水的试验在反应器内安装蜂窝陶瓷载体，让微生物附着生长在陶瓷膜上形成生物膜，用该方法处理模拟废水时，分别进行了间歇和连续处理模拟废水的试验，以考察用该反应器处理废水时的效果。图8是间歇处理模拟废水时COD降解的曲线。图9是连续处理废水时COD降解的曲线。连续处理时，平均水力停留时间约113min。从图8中可以看出，经过3h的间歇处理，废水的COD就降解了92%，COD负荷约为1.1kgCOD/(m3d)。从图9可以看出，连续处理时，经过6h之后，废水COD的去除率就稳定在90%以上，此时的COD负荷约为1。5kgCOD/(m3d)。用生物膜法处理模拟废水时，每0.5h进行一次曝气/抽滤的切换，使膜通量保持在290320 l/(hm2)其出水的浊度从47下降到19。由于采用陶瓷作为生物膜的载体，有效地避免了污泥过多堵塞陶瓷膜，造成陶瓷膜通量下降。3.结论根据试验结果分析，陶瓷膜的过滤作用主要是通过在陶瓷膜表面形成过滤层实现的。用双功能陶瓷膜生物反应器处理废水时，由于可以进行抽滤/曝气的切换，从而有效地解决了一般膜反应器中普遍存在的膜容易堵塞的问题，提高了膜反应器处理废水的效率。此外，在该反应器中增加陶瓷载体，既可以增加生物相浓度，又可避免悬浮的微生物堵塞陶瓷膜。废水经过陶瓷膜的过滤，其出水浊度较低，与传统的废水处理方法相比，由于出水的浊度较低，可以缩短废水的沉清过程，从而提高废水处理的效率。因此双功能陶瓷膜生物反应器具有很大的应用价值。双极膜填充床电渗析技术应用试验窗体顶端双极膜由阴离子交换树脂层(AL)、阳离子交换树脂层(CL)及中间界面亲水层组成，在直流电场作用下，它能将水直接离解成H+和OH-1。利用双极膜与其他阴、阳离子交换膜组合成的双极膜电渗析系统，能够在不引入组分的情况下将水溶液中的盐转化和分离成相应的酸和碱，用此原理对混床离子交换树脂电再生的试验研究显示了良好的技术可行性2，现将双极膜和填充床电渗析技术相结合，组装成三隔室BPMEDI装置，应用于复床离子交换树脂的电再生。 1原理将阳离子交换膜、双极膜、阴离子交换膜按一定的顺序排列，并在双极膜两侧分别填充阴、阳两种离子交换树脂，就组成了双极膜三隔室填充床电渗析装置，其原理如图1所示。在一定电压下，双极膜能把水直接离解成OH-和H+。阴树脂室内，在电场作用下阴树脂对水中阴离子起到吸附传导作用，使阴离子最终通过阴膜而进入浓水室，而双极膜对水离解产生的OH-在其他阴离子解吸时被阴树脂吸附，从而使树脂又具有了吸附和传导阴离子的活性，即得到再生；同理在阳树脂室内，阳离子在电场作用下，通过阳树脂的吸附传递最终通过阳膜进入浓水室，而双极膜对水离解产生的H+在其他阳离子解吸时被阳树脂吸附，使树脂得到再生。当所用原水含盐量较低时，在一定的电压下(大于装置极限电流的操作电压)，双极膜以及阴、阳膜和树脂颗粒界面层都发生不同程度的极化，而双极膜将更高效地将水离解为H+和OH-，使树脂室内的树脂得到更好的再生。2试验装置与方法2.1装置双极膜三隔室EDI装置如图2所示，为三级三段组装。双极膜为上海化工厂特制；阴、阳离子交换膜采用上海化工厂生产的3361BW和3362BW；离子交换树脂采用南开大学化工厂生产的0017阳树脂和2017阴树脂；树脂室隔板为硬聚氯乙烯板，规格为400 mm150 mm5 mm，加工成无回路暗道式进出水隔板，以便填充树脂；电极分别采用钛涂钌(阳极)和不锈钢板(阴极)；0100 V可控硅整流器；DDS11A型电导仪；PHS2C型酸度计。2.2方法在阴、阳树脂室内装入已用化学法再生的阴、阳树脂，通以自来水使其失效，其流程是先经阳树脂室，再进入阴树脂室，每510 min测定一次阴树脂室出水电导率，直到树脂失效。试验以新树脂经三酸三碱处理后初次通水所得交换容量E0为基准，而通电再生后树脂的交换容量为E，E/E0即为再生度。为了简化试验和计算，先确定树脂再生目标值，再取相同条件下树脂的失效时间T与新树脂失效时间T0进行比较。3试验结果与分析首先进行新树脂的失效试验，原水电导率为550 s/cm，水量为50 L/h，水温为16 ，试验结果见图3。以出水电导率90 s/cm视为失效，处理时间(T0)为80 min。以下试验以出水电导率90 s/cm为再生目标值。3.1操作电压与电流的关系原水为经电渗析预处理的水，电导率为20 s/cm，水温为16 ，各室流量为5 L/h，以10V为一档，从0100 V逐步升高操作电压，测定不同电压时的电流强度，结果如图4所示。图4表明，当操作电压30 V时，电流随电压升高增长较慢，说明此时电压还不足以使双极膜发生水的离解；当电压30 V时，电流随电压的升高增长较快，表明此时已有水分子离解为H+和OH-来充当传递电流的介质，同时浓水室出水电导率急剧增大。在运行过程中，随电压升高，阳树脂室pH值有所降低(由5.27降至4.01)，阴树脂室出水pH值有所升高(由5.98升至7.81)，这说明随着操作电压的升高，双极膜对水的解离作用增强。浓水室与极水室pH值变化不大，在4.725.69范围内。3.2电压对再生效果的影响确定通电时间为50 min。试验过程中，浓水室的水直接排放，其他室的水回用。测定不同操作电压下的再生效果如图5所示。由图5可以看出，电压20 V时几乎无再生效果，当电压增加到40 V时有明显的再生效果，电压为60 V时的失效时间已接近化学再生的失效时间，电压为80 V以后变化不大，说明操作电压需增高到某一值，使水离解产生足够的H+和OH-离子，才可对树脂进行较彻底的再生，此试验装置再生电压设定为60 V为宜。3.3通电时间对再生效果的影响 以60 V为操作电压，分别测定不同通电时间的再生效果，结果如图6所示。图6表明通电时间越长，再生效果越好。通电时间在2060 min之间，与失效时间几乎成线性关系；通电时间60 min以后失效时间变化趋于平缓，表明再生时间设定为60 min为宜。3.4其他因素对再生效果的影响树脂室内水流的流速大小直接影响水离解产生的H+和OH-与树脂的接触时间，从而影响再生效果。流速越小，水离解产生的H+和OH-与树脂的接触时间越长，越有利于树脂再生；但流速过小又不利于盐类离子向浓水室的迁移，且室内产生一定的紊流有利于树脂的再生，因此有一个最佳的流速，据混床离子交换树脂电再生的试验结果2，以0.51.0 cm/s为宜。再生用水的水质越好，越有利于再生。试验采用电渗析预处理水达到了预期效果，在生产上采用离子交换树脂