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中空纤维膜帘式膜与平板膜在使用中的研究

2018/8/5 14:47:08

平板式膜与中空纤维膜组件在浸没式MBR中的对比试用研究
摘要:选取两种不同结构类型的膜组件进行化工废水处理的中试应用研究,对比研究了MBR膜系统的最佳气水比,临界膜通量、膜系统的分离与处理效果以及膜的污染和清洗方式。中试结果表明,在该类废水处理中,中空纤维帘式膜组件的最佳气水比为24,平板式膜组件的最佳气水比为20;在相等曝气强度下,用流量阶梯法测得,中空纤维帘式膜组件的临界膜通量为20L·m-2·h-1,平板式膜组件的临界膜通量为25 L·m-2·h-1;两组膜在处理和分离效果上相差不大;在抗污染性能上,平板式膜组件更具优势,而且平板式膜组件更容易通过物理清洗-空曝气的方式使膜通量得以部分恢复,用次氯酸钠(NaClO)溶液对膜组件进行化学清洗,均能获得较好的通量恢复效果

MBR膜生物反应器(Membrane bioreactor, MBR)是将膜分离技术和生物反应器的生物降解作用集于一体的生物化学反应系统。它以超滤或微滤膜组件替代传统活性污泥法中的沉淀池实现泥水分离。该系统具有处理能力强、固液分离效率高、出水水质好、占地空间小、运行管理简单等特点。目前,MBR工艺在水资源再生利用方面已发挥了巨大的作用,运用MBR膜工艺技术来处理生活污水和工业废水已突显成效。
鉴于目前已商品化的MBR分离膜组件结构形式多样,113彩票首页主要有中空纤维帘式、平板式、管式等几大类,而且其应用也各具特点,这对在实际工程应用中膜组件的选购带来一定困难。本实验运用浸没式好氧MBR工艺技术来处理杭州某化工厂的工业废水,分别选用中空纤维帘式膜组件和平板式膜组件进行对比试验研究,113彩票官网为规模化工程应用的膜组件选型提供设计依据和运行参考标准。
1 试验装置与方法
1.1 实验工艺流程与条件
中试设计规模为1000 L·h-1。试验装置由调节池、好氧池、膜分离装置、清液槽、曝气系统和相关动力及自动控制设备组成。废水由污水泵输送至调节池,然后进入好氧池和膜分离池,混合液在抽吸泵的作用下经膜过滤后形成工艺的产水,大部分泥水混合液则通过回流泵流回至好氧池。
试验中分别采用膜组件A(PVDF,中空纤维帘式,孔径0.2μm,膜面积20m2)和膜组件B(PVDF,平板式,孔径0.08μm,膜面积28m2)来进行试验。
试验进水的COD范围400~700mg·L-1 ,初始接种污泥浓度为1500 mg·L-1左右。
1.2 试验工况与运行参数
膜装置的运行方式为间歇式,抽吸8min,停止2min。整个试验的水力停留时间(HRT)为8h,膜运行初始通量设定为25 L·m-2·h-1. 。系统运行稳定后,反应器内污泥浓度(MLSS)维持在5000~8000 mg·L-1。
2 结果与讨论
2.1 膜系统最佳气水比
在浸没式MBR工艺中,曝气有两个作用:一是提供微生物代谢所需的氧气;二是产生错流,去除或减少膜表面的污泥层,减缓膜的污染速率。Hong SP等观察到在较高曝气量下产生的剪切力会加快污染物脱离膜表面的速度,并指出有临界曝气量存在,当超过该曝气量,膜通量增加就不明显,而且太大的曝气量会提供过量的溶解氧,也不利于反硝化作用。对于浸没式MBR工艺,其能耗主要来自曝气,约占整个系统总能耗的80%~90%,因此确定系统的最佳曝气量是十分必要的。
试验中膜的初始通量均设定为25 L·m-2·h-1,即膜组件A的初始通量为500 L·h-1,膜组件B的初始通量为700 L·h-1。采用不同的气水比(每透过1m3水所提供的曝气量)对膜组件运行,分别考察了两组膜的比膜通量(单位时间、单位操作压力下每平方米膜面积所透过的水量,L·m-2·h-1·KPa-1)和运行时间的相互关系。
在一定曝气强度范围内,随着气水比的提高,比膜通量也随之提高,跨膜压差(TMP)的增加速率减缓,即膜污染发展速率随曝气强度增加而降低。但当曝气强度上升到一定程度时,比膜通量增加不再明显。分析原因可能是:当曝气强度较低时,错流流速产生的水力剪切作用不能有效防止大量污泥絮体在膜表面沉积,膜污染主要是以污泥层阻力为主;而当曝气强度过高时,污泥絮体被强大的剪切力所破碎,细小污泥颗粒和胶体类物质增多,这些物质更容易引起膜孔的吸附和堵塞,从而使膜污染加剧。因此当曝气到达一临界值后,再继续增加曝气量对MBR系统已没有实际意义,Jungmin等也报道了与本试验类似的研究结果。经测定,试验中A、B两组膜的最佳曝气量分别为12.0m3·h-1和14.0 m3·h-1,即在此类废水处理中,膜系统的最佳气水比分别为24和20。
2.2 临界膜通量
最初提出的临界流量假设(Field等,1995)仅仅断言,在低于临界流量的条件下运行的分离膜不会出现膜污染。虽然当初这一假设只是包含了水力学引起的膜污染因素,但是毋庸置疑,临界流量的假设仍然是膜生物反应器工艺长期运行的指针。实践也证明,绝大多数浸没式膜生物反应器工艺能在亚临界通量区长期稳定地运行。
本试验采用流量阶梯法分别对两组膜的临界膜通量进行了测定。在同等曝气强度(均为0.5m3·m-2膜面积)条件下,经试验得出,膜A的临界膜通量为20L·m-2·h-1,膜B的临界膜通量为25L·m-2·h-1。试验结果也与以上得出的气水比试验结果具有较好的吻合性。
2.3 出水水质
膜反应器好氧池内的泥水混合液经膜过滤后形成工艺的出水。通过对产水水质分析,结果表明该处理工艺具有较好的生化、物理去除效果。经与该化工厂用传统活性污泥法处理后的水质比较,本试验得到的产水水质要明显好于传统方法处理后的产水水质。
膜反应器内较高的污泥浓度使得生化处理效果十分理想,有机物的去除率明显提高,再加上精密的膜过滤,使得产水水质更加优化。本试验中,MBR系统对有机物(COD)的去除率均在90%以上,对氨氮(NH3-N)的去除率也基本维持在80%以上。而运用传统方法处理后的产水COD和NH3-N的去除率变化幅度较大,这可能由于传统方法处理时水的温度、pH、DO等条件的波动,引起水体污泥膨胀,造成沉淀效果不佳,大部分污泥流失,最终导致生化处理效果直线下降。本试验应用的MBR工艺克服了传统处理方法的以上不足之处,这也是该工艺得以应用推广的因素之一。通过对比试验还发现,采用不同孔径的MBR分离膜,对实际产水水质影响不大,这与膜运行中污泥在膜表面形成的沉积层也起了一定的分离作用有关。
2.4 膜污染与膜清洗
膜污染是膜运行中一系列增加膜阻力因素的总称。MBR膜在运行一段时间以后,膜表面和膜孔内会不可避免地被污染物堵塞,导致膜通量逐渐下降,直至不再出水。膜污染缩短了膜的使用寿命,直接导致泵的抽吸水头和曝气量的增加,这也是造成MBR能耗增加的主要原因。
为了维持膜系统长期正常运行,当跨模压差(TMP)上升到一定程度时,必须对膜组件进行清洗。膜清洗的目标是清除膜表面的污染层,恢复或提高膜的水通量。本试验中当膜运行的跨膜压差超过60KPa时,装置停止运行,对膜组件进行清洗,清洗分为物理清洗和化学清洗。
物理清洗:物理清洗主要通过停止产水,对膜系统空曝气,使得沉积在膜表面的污染物在高错流速率的气、水剪切力作用下得以去除,从而使膜通量得到一定程度的恢复。试验结果表明,平板式膜组件通过空曝清洗后,通量恢复效果要比中空纤维帘式膜好。
化学清洗:由于实际水体中污染物主要以有机物为主,因此采用次氯酸钠溶液作为清洗液,pH为10~11左右。清洗方法:配置300~500mg·L-1次氯酸钠溶液,调节pH,浸泡膜组件10h,重新启动运行,通量都恢复在90%以上。
3 结论
试验表明,浸没式MBR技术可成功用于化工废水的处理。对于本文的试验废水,MBR膜系统A、B两组膜的最佳气水比分别为24和20;在同等曝气强度条件下,测得A膜的临界膜通量为20L·m-2·h-1,B膜的临界膜通量为25L·m-2·h-1。
通过上清液与膜产水水质分析比较发现,膜反应器中有机物的去除主要依靠生化降解过程,膜对有机物(COD)具有一小部分的截留去除作用,但是采用不同孔径的分离膜对产水水质影响不大。
中空纤维帘式膜组件的清洗周期为2个月左右,平板式膜组件的清洗周期为3个月以上,且平板式膜组件更容易通过物理清洗的方法使膜通量得到恢复,化学清洗对两组膜的通量恢复均在初始通量的90%以上。
对比试验表明,在同等工况运行条件下,用平板式膜组件处理该类废水具有比膜通量更高、跨膜压差更小、膜清洗周期长等特点。因此,对于本试验所处理的废水,选用平板式膜组件更具优势。

MBR是膜分离技术与生物处理法的高效结合,其起源是用膜分离技术取代活性污泥法中的二沉池,进行固液分离。这种工艺不仅有效地达到了泥水分离的目的,而且具有污水三级处理传统工艺不可比拟的优点:
1、高效地进行固液分离,其分离效果远好于传统的沉淀池,出水水质良好,出水悬浮物和浊度接近于零,可直接回用,实现了污水资源。2、膜的高效截留作用,使微生物完全截留在生物反应器内,实现反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离,运行控制灵活稳定。
3、由于MBR将传统污水处理的曝气池与二沉池合二为一,并取代了三级处理的全部工艺设施,因此可大幅减少占地面积,节省土建投。
4、利于硝化细菌的截留和繁殖,系统硝化效率高。通过运行方式的改变亦可有脱氨和除磷功能。
5、由于泥龄可以非常长,从而大大提高难降解有机物的降解效率。
6、反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行,剩余污泥产量极低,由于泥龄可无限长,理论上可实现零污泥排放。
7、系统实现PLC控制,操作管理方便
膜生物反应器(MBR)是一种由膜分离单元与生物处理单元相结台的新型水处理技术,以膜组件取代二沉池在生物反应器中保持高活性污泥浓度减少污水处理设施占地,并通过保持低污泥负荷减少污泥量。与传统的生化水处理技术相比,MBR具有以下主要特点:处理效率高、出水水质好;设备紧凑、占地面积小;易实现自动控制、运行管理简单。80年代以来,该技术愈来愈受到重视,成为研究的热点之一。目前膜生物反应器己应用于美国、德国、法国和埃及等十多个国家,规模从6m3/d至  13000m3/d不等。
结语
MBR综合了膜分离技术和生物处理技术的优点,超、微滤膜组件能替代CAS中的二沉池,更有效地进行泥水分离,并延长SRT,提高微生物对污水中有机物的处理能力。经超、微滤膜处理后出水水质好可以直接用于非饮用水回用。系统占地面积小,几乎不排剩余污泥,具有较高的抗冲击能力。
MBR具有一定的实用性,但膜污染仍是制约MBR推广应用的最主要因素。因为MBR中膜材料既要面临活性污泥、污水中固体颗粒的污染,又要面临活性污泥中微生物的侵蚀。虽可以通过控制抽停时间、曝气量等工艺参数以及采用适当的清洗技术来减少膜面的污染,但最有效、最根本的方法是研制出一种抗污染、耐微生物侵蚀的新的膜材料及对膜进行适当的改性。
在应用MBR技术处理市政、生活污水并实现中水回用时,113彩票网页还要考虑另外一个关键因素,即运行成本。因此,在研究中要始终将运行成本。作为考虑试验方案和确定试验结果的主要出发点。



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