一体式膜--生物反应器中膜面污泥沉积速率及其影响因素　.doc

一体式膜-生物反应器中膜面污泥沉积速率及其影响因素 1. 前言 膜污染是影响膜-生物反应器稳定运行的关键因素。膜面污泥的沉积是造成膜污染的主要构成部分。而污泥颗粒在膜面的沉积与否与膜面液体错流流速、膜通透量、污泥浓度和污泥粒径等密切相关。这些操作条件决定着膜面污泥沉积速率的大小，进而对膜污染发展速率有着重要影响。综合研究曝气量、膜通量和污泥浓度对膜面污泥沉积速率的影响，针对不同的污泥浓度，选择适宜的曝气量和膜通量，对减缓膜污染，降低膜-生物反应器的运行能耗具有重要意义，但有关这方面的系统研究尚未见有报道。本研究将以一体式膜-生物反应器为研究对象，通过均匀设计试验，研究膜面污泥沉积速率与操作条件之间的关系，并建立有关数学模型，为一体式膜-生物反应器的优化运行提供依据。2. 试验装置与方法2.1试验装置试验中使用两套相同的一体式膜-生物反应器装置同时运行。生物反应器有效容积为180L，被两块挡板分割成一个升流区和两个降流区。采用的膜组件是中空纤维微滤膜，孔径为0.4m， 膜面积为3m2，置于升流区内，膜下设有穿孔管鼓风曝气。膜组件的运行采用间歇操作模式，抽吸出水15min，停抽5min。2.2试验设计为建立膜间液体上升流速及膜面污泥沉积速率的数学计算模型，本试验采用均匀设计的试验方法，对曝气量（G）、膜通量（J）和污泥浓度（X）分别取10个水平（G：10100m3/(m2.h)；J：4.527 L/(m2.h)；X：220 g/L），然后按照均匀设计表U11（1110）安排10次试验，在每次试验中考察膜间液体上升流速和膜过滤阻力上升速率。膜间液体上升流速采用LS45型旋杯流速仪测定。3. 结果与讨论3.1膜间液体上升流速模型通过均匀设计试验，建立了适于活性污泥混合液（非牛顿流体）条件下的膜间液体上升流速模型：Usr=1.311ULr1.226e-0.0105x式中，Usr和ULr分别为活性污泥混合液中和清水中的膜间液体上升流速。清水中的膜间液体上升流速ULr与曝气强度密切相关，随曝气强度的增加而增大。混合液污泥浓度对膜间液体上升流速起着负面影响。3.2膜面污泥沉积速率模型通过均匀设计试验，测定了不同操作条件下膜过滤阻力的变化（图1为示例）。由该图可知，膜过滤阻力基本上随时间线性增加。因此，可以通过直线拟和，求出膜过滤阻力上升速率(K)，并建立K与操作条件的关系式，如下：K=(8.933107)X0.532J0.376ULr-3.047(2)由此模型可知，污泥浓度及膜通量对污泥沉积速率均有正影响，而膜面流速则表现出显著的负影响。3.3不同条件下膜污染发展速率的预测利用式（2），可以对不同运行条件下的膜过滤阻力的变化，即污染发展速率进行预测。由图2可见，膜过滤阻力上升速率K随膜通量J的增大而增加，随膜间液体流速（即曝气强度）ULr的增大而减小。各污泥浓度下，K随J和ULr的变化曲面形状非常相似：都存在一条JULr临界曲线，当实际采用的J、ULr组合值在该临界曲线以左时，值缓慢增长且随J、ULr的变化不大；反之，值迅速增长且受J、ULr的影响极大。4. 结论(1) 通过均匀设计试验，得到了适用于活性污泥流体的膜间液体上升流速计算模型；(2) 考察了膜通量、曝气强度（膜间液体流速）和污泥浓度对膜过滤阻力上升速率的影响，并建立了膜污染发展速度模型。利用该模型可以预测不同条件下的膜污染发展速率，并指导操作运行条件的优化。一体式平片膜生物反应器处理抗生素废水研究相对于传统的污水处理方法，膜生物反应器（MBR）由于其诸多优势1而备受青睐。而与分置式膜生物反应器相比，一体式膜生物反应器又具有运行能耗低2、不因循环泵的剪切对污泥絮体产生不良影响3等优点。本文采用平片式膜生物反应器对抗生素废水进行了初步研究。 1 材料与方法1.1 试验装置与流程一体式膜生物反应器试验装置与工艺流程如图1所示，该试验装置由生物反应器、一体式膜组件、膜抽吸系统及自动控制等系统组成，其中生物反应器为活性污泥鼓风曝气反应池，有效容积为47 L，反应器中间有一隔板，一侧放膜组件，组件下方设有穿孔管曝气，在供给微生物分解废水中有机物所需氧气的同时，在平片膜表面形成循环流速以减轻膜面污染。抽吸系统采用型号BT01100兰格蠕动泵，对浸没于反应器的膜组件进行抽吸。自动控制部分采用时间控制器对抽吸泵及进水泵进行控制。一体式MBR中的处理水经蠕动泵抽吸进入净水池，净水池的水作为膜冲洗备用。1.2 试验用水试验用水为上海某制药厂抗生素废水，稀释后的废水基本水质情况如表1，进水经100目筛网过滤后进入反应器。表1 实验用水水水质测试项目数据（CODcr）/（mgL-1）25004000（SS）/（mgL-1）4001000（NH3-N）/（mgL-1）3.57.4pH值68水温/9151.3 试验用膜试验用膜为平片膜，由中科院上海原子核研究所膜分离技术研究开发中心提供，膜组件自行研制，平片膜材质为PVDF（聚偏氟乙烯），截留分子量为 14万，膜有效面积为0.05m2。1.4 试验方法1.4.1 水通量的测定水通量的测定由下式得出：J=V(At)（1）式中：J下所测定的实际膜通量；V下在 t时间内实际过滤液体积；A平片膜有效面积。在测定膜水通量时，为了便于比较试验的不同阶段水温所带来的差异，该试验将不同温度测得的数据换算成20下的通量值，换算公式为：J20J（w/w20） （2）式中：J20换算成20时的通量；w下纯水的粘度；w2020 时纯水的粘度。注：下文中的通量J皆经上式转换为20下的通量值。1.4.2 阻力分析方法膜污染可以分为物理污染、化学污染及生物污染，对于不同的反应器形式、生物的不同生长阶段、不同的组件形式及不同的运行方式，占主导地位的污染形式不同。在本试验中，膜污染阻力可以分为三部分：一部分为膜固有的阻力（Rm）；一部分为泥饼阻力（Rc），包括浓差极化、膜表面的吸附及沉积等形成的阻力，可以采用水冲洗。海棉擦洗等方法将其除去；另一部分为膜孔的吸附及堵塞阻力（Rf），这部分阻力可以采用化学清洗等方法全部或部分去除。通过试验测定的有关通量数据，用RIS（resistance一in一series）阻力模型计算出各部分阻力及其所占比例。表达式如下：Rt p（1J1）RmRcRf （3）Rmp/（0J0）（4）Rfp（0J0）Rm （5）Rcp（1J1）RmRf（6）式中：0纯水在2O时的粘度（0=1.005010-3PaS）；1膜过滤液粘度。测定过程如下：在不同的抽吸压力下，用新膜对纯水过滤，通过公式（4）计算出膜固有阻力；用该膜对反应器混合液进行过滤，利用公式（3）可以得出运行过程中膜总阻力的瞬时值；一定时间后，把膜组件从反应器中取出，清水无压力清洗，并用柔软的海绵擦去膜面吸附物，然后对纯水过滤，由公式（5）得到膜孔吸附及堵塞阻力；由公式（6）可得膜表面的泥饼阻力。2 结果和讨论2.1 处理效果用前述工艺流程和试验方法，使用该制药厂的废水处理站的污泥接种半个月后，直接把PVDF平片膜浸没于反应器中以 46的周期运行（4 min抽吸6 min停抽），反应器的运行参数列于表2。表2 膜生物反应器运行参数测试项目数据水温/1520pH值6.07.6泥龄/d500水力停留时间/d1.5曝气量（m3h-1）1.4从图2可以看出在此运行过程中反应器中MLSS的质量浓度经过一段时间后基本维持在15g/L左右，出水CODcr去除率为86。可见，水中悬浮和溶解的CODcr并没有在MBR中累积。但运行至1月中旬膜出水CODcr与上清液CODcr相比，并没有多大差别，由此可知，PVDF膜所起的作用主要是截留水中悬浮物，使MLSS维持在较高浓度，从而达到高效降解水中有机物的目的。2.2 过滤过程中的阻力分析2.2.1 膜固有阻力的测定新膜粘结后，放入纯水中浸泡24 h以消除环境对膜性能的影响，调节抽吸压力，连续测定5次对应压力下的通量，取其平均值，由公式（4）可以得出，膜固有阻力Rm为 1.082 1012m-1。2.2.2 PVDF膜放入反应器后总阻力的变化为了考察PVDF膜在尽量长时间内运行中阻力的变化，我们把膜组件在设定压力 30 kPa，（MLSS）为13.8 gL，曝气量为 l.45 m3h的条件下放入反应器中进行连续抽吸运行，由图3可知，总阻力经大约 25 min渐趋稳定，从开始 2.811012m-1逐渐上升至 5.291012m-1。也就是，膜固有的阻力从开始占总阻力的98.6逐渐降低至52.4。可见，尽管反应器曝气冲刷对减弱悬浮固体向膜面吸附迁移有一定作用4，由于很高的悬浮固体浓度，导致较高的粘度（实测粘度高达6.310-3PaS），膜污染随时间加剧。同时，我们也考察厂PVDF膜在设定周期（4min抽吸6 min停抽）下运行，其间不进行任何清洗，总阻力的变化规律如图4所示。可见，间歇运行 27 d，阻力达到 5.34 1012m-1。把连续抽吸的25 min内阻力变化延长至 27d，充分体现了一体式膜生物反应器中间歇运行中曝气冲刷膜面的效果。2.2.3 PVDF膜水力清洗及海绵擦洗后的阻力比较长期运行过程中，泥饼阻力是导致膜通量下降的主要因素。表3所示，在1d的连续运行过程中，泥饼阻力占总阻力的比例从开始的35.87上升至 94.01。新开发的 PVDF平片膜组件其优点在于能够通过简单便捷的在线海绵擦洗的方法，消除泥饼阻力，如图4，从而使水通量迅速恢复接近初始通量。表3 运行过程中阻力分布的分析运行时间/h阻力/（1012m-1）RmRcRfRtRc：Rt/%11.0821.010.722.8135.871012.670.8514.6086.772435.211.1637.4594.01在一体式MBR中，泥水混合液处于循环流动状态，在运行过程中，膜表面泥饼层处于一种动态的相对稳定状态，形成膜过滤的主要阻力，并且由于膜的长期使用，形成阻力的因素也具有累积效应5；而且，由于化学清洗价格昂贵、操作复杂且不可能完全恢复膜通量6。因此，海绵定期在线擦洗对于膜通量的增强非常有利。再者，从长期运行的角度来看，在线擦洗至少可以减弱各种阻力因素的累积，从而具有积极的实践意义。3