膜生物反应器次临界通量运行的膜污染特性研究

1、第一作者:黄圣散,男,1981年生,硕士研究生,研究方向为水污染控制工程。膜生物反应器次临界通量运行的膜污染特性研究黄圣散吴志超(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092摘要膜生物反应器(MBR 是将膜分离与生物反应相结合的污水处理新工艺,近年来已引起广泛的关注,但不可避免的膜污染限制其更广泛的应用。临界通量在膜污染控制中是个非常重要的概念。本试验研究平板膜生物反应器在次临界通量运行下的膜污染状况,并结合膜污染模型进一步表征膜表面的污染特性。试验结果表明,该平板膜生物反应器在次临界通量运行的情况下,膜污染可分为膜污染缓慢发展阶段(第阶段和膜污染迅速发展阶段(第阶段,可分别用

2、膜孔堵塞模型和泥饼阻力模型表征膜阻力与时间的变化关系。同时,对运行后的膜阻力分布进行分析,表明泥饼阻力和孔道吸附堵塞阻力是膜污染的主要组成部分,分别占到总阻力的73%和24%,而膜本身阻力仅占3%。关键词膜生物反应器临界通量膜污染Study on membrane bioreactor fouling in sub 2critical flux operation H uang S hengsan ,W u Zhichao.(S tate Key L abo 2ratory of Poll ution Cont rol and Resource Reuse ,Tong j i Universi

3、t y ,S hanghai 200092Abstract :Membrane bioreactors (MBRs ,in which membranes are applied to biological wastewater treatment ,have been greatly developed recently ,but membrane fouling in MBRs restricts their widespread use.Critical flux is an important parameter to control membrane fouling.This stu

4、dy investigates the change in membrane fouling in a flat membrane bioreactor operating at a sub 2critical flux.The previous theoretical models are used to simulate the mem 2brane fouling characteristics.Experimental results show that membrane fouling can be divided into two stages :the first period

5、during which fouling gradually occurs and the second period in which fouling rises rapidly.The pore bloc 2king resistance and cake resistance models can be used to simulate resistance with time in different periods.The analy 2sis of membrane resistance distribution shows that resistance arising f ro

6、m cake formation is 73%of total resistance ,resistance due to pore blocking is 24%,and clean membrane resistance is only 3%.K eyw ords :Membrane bioreactor (MBR Critical flux Membrane fouling膜生物反应器(MBR 是将膜分离与生物反应相结合的污水处理新工艺,近年来已引起广泛的关注,并逐步应用于城市污水和工业废水的处理13。由于传统生物处理技术二沉池固液分离性能的限制,使得反应器的微生物浓度不能太高,而MBR

7、 能成功代替二沉池进行高效固液分离,大大提高反应器的污泥浓度,同时具有出水水质好、耐冲击负荷强和污泥产率低等优点。尽管MBR 有许多其他污水处理技术所不具备的优点,但不可避免的膜污染限制其更广泛的应用4,5。临界通量的概念最早由Field 在1995年提出,此后国内外很多学者对此开展广泛研究68。MBR 临界通量即保持一个恒定的膜通量低于此值运行时,污泥颗粒不能在膜表面聚集沉积,操作压力保持稳定,没有显著的膜污染产生;而当控制膜通量高于此值运行时,操作压力急剧升高,膜污染随之迅速上升,导致MBR 系统的崩溃。所谓次临界通量运行,就是在一定的操作条件下,使膜通量维持在临界通量以下以获得MBR 的

8、稳定运行。本文针对膜生物反应器在次临界通量运行下的膜污染状况进行试验研究,并结合膜污染模型进一步表征膜表面的污染特性。1试验装置和方法1.1试验工艺流程试验用水为某城市污水处理厂沉砂池出水,为强化脱氮效果,采用缺氧池-好氧膜生物反应器工艺,工艺流程如图1所示。贮液罐内的污水经过进水泵提升进入反应器,通过进水槽的溢流和止回阀保证反应器内的水位恒定,溢流废水回流至贮液罐。进水经缺氧池重力自流进入好氧膜生物反应器内,通过出水泵对膜组件抽真空运行,真空表显示膜过滤操作的压力,同时由回流泵进行内循环。缺氧池和好氧膜生物反应器的有效容积分别为215环境污染与防治第27卷第7期2005年10月6、12L ,

9、试验中控制内回流比为2,反应器内污泥质量浓度78g/L ,除正常取样分析外,不排泥。试验采用平板膜式组件,膜材质为聚偏氟乙烯(PVDF ,上海应用物理研究所提供,膜的有效过滤面积为0.1m 2,截留分子量100ku 。次临界通量运行时采取间歇抽停出水的方式(8min 开,2min 停,并控制曝气量为0.6m 3/h 。图1试验工艺流程1-贮液罐;2-缺氧池;3-好氧MBR ;4-进水泵;5-止回阀-回流泵;7-搅拌器;8-真空表;9-出水泵;10-膜;11-空压机1.2临界通量的测定方法临界通量采用通量阶梯式递增法进行测量7,8。即在一定的操作条件下,控制MBR 在恒定的低通量下连续运行,观测

10、操作压力P 在一定时间段T (至少15min 内的变化,若P 保持稳定,可认为此时的通量低于临界通量,再使膜通量增加一个阶量,重复上述试验。通过逐步提高膜通量,当MBR 刚好高于某个通量运行时,P 急剧变化,不能稳定运行,可认为此时的通量已高于临界通量。1.3膜污染表征膜通量和操作压力之间的关系可用式(1表示9,10:J =P R =P(R m +R c +R p (1式中:J 为膜通量,L/(m 2h ;P 为膜操作压力,Pa ;为渗滤液动力粘度系数,Pa s ;R 为过滤总阻力,m -1;R m 为膜本身的阻力,m -1;R c 为膜表面泥饼层所产生的阻力,m -1;R p 为膜孔堵塞与吸

11、附所产生的阻力,m -1。膜过滤操作中的膜孔堵塞模型和泥饼阻力模型的膜通量与时间的变化关系11:膜孔堵塞模型:J =J 0exp (-K p t (2泥饼阻力模型:J 2=J21+J 20K c t(3式中:J 0为初始时刻的膜通量,L/(m 2h ;K p ,K c分别为膜孔堵塞模型和泥饼阻力模型的常数值。将式(1分别代入式(2、(3变形后,得到膜孔堵塞模型和泥饼阻力模型的膜阻力与时间的变化关系:膜孔堵塞模型:ln R p =ln R 0+K p t(4泥饼阻力模型:R 2c =R 20+Kt(5式中:K =K c ×P 22;R 0为初始时刻的膜阻力,m -1。根据上述公式可以对

12、不同形式的膜污染进行评价和表征。2结果和讨论2.1临界通量的测定在曝气量为0.6m 3/h ,污泥质量浓度为8g/L 时,膜通量为4L/(m 2h ,以后每20min 将通量提高3L/(m 2h ,直至出现操作压力急剧升高,膜污染迅速加剧为止。临界通量测定结果如图2所示,可知当运行通量不高于16L/(m 2h 时,在20min 的连续抽吸间隔内操作压力能稳定为一个数值;而当通量高于19L/(m 2h 时,操作压力随抽吸时间变化非常显著,尤其控制通量为28L/(m 2h 时,操作压力急剧升高,导致系统迅速崩溃。因此,可认为该平板膜在上述操作条件下的临界通量为1619L/(m 2h 。图2临界通量

13、的测定2.2次临界通量运行情况根据临界通量的测量结果,在同样的操作条件下,当膜通量低于16L/(m 2h 时,可视为次临界通量运行。本试验控制通量为13L/(m 2h ,考察MBR 在次临界通量运行时的压力和阻力变化情况,结果如图3所示 。图3次临界通量运行时压力和阻力随时间变化由图3可知,膜污染可分为2个阶段:(1膜污染缓慢发展阶段(第阶段。由于315黄圣散等膜生物反应器次临界通量运行的膜污染特性研究MBR 以次临界通量运行时,在开始阶段操作压力较 低,溶液中的大分子物质和颗粒物质在低压力的驱动作用下缓慢在膜表面吸附、沉积,逐渐造成膜孔径变小或堵塞。该阶段大致为MBR 运行的前336h ,膜

14、阻力以平均4.55×109m -1/h 的速度增长,导致操作压力也随之逐渐变大,但压力的增长率(P /t 非常小,为0.02kPa/h 。(2膜污染迅速发展阶段(第阶段。随着前一阶段膜孔的不断吸附和堵塞,膜对混合液的过滤性能也不断发生改变,导致膜的新临界通量比投入长期运行前膜的临界通量小12。当污染积累到一定程度后,原先加在膜上的通量超过此时膜实际的临界通量,因而膜污染加速,操作压力迅速变大,直至污泥絮体在膜表面不断沉积形成一层致密的泥饼层,此刻即使控制再大的压力也不能维持膜的恒通量运行。该阶段大致持续了144h ,膜阻力以平均3.56×1010m -1/h 的速度增长,增

15、长率大约是第阶段的8倍,同时操作压力的增长率(P /t 也很大,为0.16kPa/h 。根据膜污染的阻力表征模型(4和(5,分别以ln R -t 和R 2-t 对第阶段和第阶段作图,结果如图4和图5所示。 图4第阶段ln R与时间的变化关系 图5第阶段R 2与时间的变化关系由图4、图5可知,第阶段较好地符合膜孔堵塞模型,膜污染的产生主要是由于溶液中的大分子物质和颗粒物质吸附到膜表面,进而堵塞膜孔,发展比较缓慢;第阶段较好地符合泥饼阻力模型,污泥絮体在膜表面的不断沉积最终导致污泥层的形成,膜污染急剧发展。2.3膜阻力分布情况各部分阻力的测定方法:R m 为膜投入运行前在清水中测得;R p 为膜以

16、次临界通量运行时第阶段的总阻力减去R m ;R c 为第阶段的总阻力减去第阶段的总阻力。测定结果如图6所示,可知泥饼阻力和孔道吸附堵塞阻力是膜污染的主要组成部分,分别占到总阻力的73%和24%,而膜本身阻力仅占3%,相比可忽略不计。图6膜阻力分布比例3结论(1该聚偏氟乙烯(PVDF 平板膜的操作条件为曝气量0.6m 3/h ,污泥质量浓度8g/L 时,临界通量为1619L/(m 2h 。(2平板膜生物反应器在次临界通量运行的情况下,膜污染可分为2个阶段:膜污染缓慢发展阶段(第阶段和膜污染迅速发展阶段(第阶段。(3第阶段较好地符合膜孔堵塞模型,污染阻力模型方程为ln R =26.47535+0.

17、0045t ;第阶段较好地符合泥饼阻力模型,污染阻力模型方程为R 2=-1.304×1026+3.655×1023t 。(4泥饼阻力和孔道吸附堵塞阻力是膜污染的主要组成部分,分别占到总阻力的73%和24%,相比而言,膜本身阻力仅占3%可忽略不计。参考文献1Tansel B ,Bao W Y ,Tansel I N.Characterization of fouling kinet 2ics in ultrafiltration systems by resistances in series model.De 2salination ,2000,129:7142Tat su

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20、or.Journal of Membrane Science ,2003,216:217227(下转第522页415日上午1030,西北风向,平均风速取8m/s (风力45级,总云量为5,低云量取1,大气稳定度为D 类条件下分别对闵行区的吴泾化工、宝山区的吴淞工业区、杨浦老工业集中地区、普陀区的桃浦工业区所在地,污染源叠加情况下计算所得污染物的浓度贡献,得到的地面污染浓度分布图示例,计算网络大小为1km ×1km 。表31998年上海市各区县工业污染源情况行政区面积/km 23煤燃烧量/(t a -1工业点源个数/个黄浦12 5893839卢湾81263611徐汇5532242257

21、长宁38192819.846静安83604818普陀55308806.974闸北2910063246虹口2363314.432杨浦611176814105闵行3728064713126宝山41513287708122嘉定459446851.9124浦东新区5234884530188金山586264661260松江605132433.455青浦676148256.150南汇688195188.776奉贤687339145.873崇明1041697499.448全市634133645814.41320注:3资料来自中国行政网站6结论通常,大气扩散模型要求输入多项参数,对每一像元手动输入参数是件非常

22、繁琐的事,本文将高斯扩散与相关数据整合,模拟工业点源污染对区域大气质量的影响,有效地解决了模型参数输入、模拟结果可视化等问题,实现了模式与GIS 功能的完全集合,真正实现了人机交互。结果显示,高架源排放的大气污染物在一定的气象条件下完全可以影响到城市的空气质量。从全市1300多个工业点源的模拟扩散结果可以分析上海市SO 2污染的地域分布特征:污染浓度较高的区域由分散的若干个高浓度中心组成,这些中心分别位于宝山区的吴淞工业区、杨浦老工业集中地区、普陀区的桃浦工业区、闵行区的吴泾化工业区等。这是由于这些工业区多大型钢铁厂、发电厂、水泥厂,污染排放量大、排放高度高。本文只是一次初步尝试,该模型有待进

23、一步改进,在今后的工作中笔者将会扩充子模块(如排放模型、线型/面型污染扩散模型和风险评价模型等等,最终开发一个城市大气质量管理系统。参考文献1陈国海.上海环境空气污染类型的定位.上海环境科学,2003,22(4:2302332Lu R ,Turco R P 。An integrated air pollution modeling systemfor urban and regional scales , 1.Structure and performance.Journal of Geophysics Research 1997,102D :606360793Kumar A ,Bellman

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