影响MBR处理效果及膜通量的因素研究

影响MBR处理效果及膜通量的因素研究膜生物反应器(MBR)由于使用了膜分离技术，可在HRT较短而SRT很长的工况下运行，延长了废水中难生物降解的大分子有机物在反应器中的停留时间，最终将其去除［1、2］。目前，国内对MBR处理生活污水的研究较多，而对处理难降解工业废水却少有报导。毛纺印染废水由于含多种染料等难降解有机物，传统生物处理技术对毛纺印染废水的处理效果往往不理想，因此用MBR处理毛纺印染废水的研究具有重要的意义。试验就采用MBR处理毛纺印染废水时，溶解氧、污泥浓度、污泥负荷、容积负荷和水力停留时间等因素对处理效果的影响以及温度和污泥浓度对膜通量的影响进行了探讨。1试验材料与方法1.1试验装置与流程试验在北京某毛纺厂污水站进行。废水经过0.5mm筛板过滤后进入系统，其工艺流程见图1。其中厌氧池容积为4.5m3，主要作用是通过水解酸化破坏染料等有机物的分子结构以利进一步降解；曝气池容积为3.0m3，曝气量控制在8～15m3/h。膜材料为聚丙烯氰(PAN)中空纤维超滤膜，截留相对分子质量为5×104，膜总面积为12m2。1.2分析项目与方法试验分析项目有pH值、温度、MLSS、DO、NH3-N、COD、色度、浊度等，测定方法均采用《水和废水监测分析方法》(第3版)的标准方法。1.3原水水质及运行参数原水水质与运行参数如表1、2所示。表1原水水质温度(℃)pHCOD(mg/L)BOD5(mg/L)NH3-N(mg/L)色度(倍)浊度(NTU)24～386.3～7.8179～35844.8～2060.51～1.7450～24034～98表2曝气池运行参数统计值温度(℃)pHDO(mg/L)容积负荷［g/(m3·d-1)］污泥负荷［g/(kg·d-1)］MLSS(g/L)HRT(h)Q(m3/d)最大358.210.4244758502.829.413.4最小96.50.28315680.325.47.7平均24.97.42.8132014781.55710.32结果与讨论2.1处理效果系统出水水质的平均值见表3。表3MBR出水水质与CJ25.1—89的比较项目COD(mg/L)BOD5(mg/L)浊度(NTU)NH3-N(mg/L)色度(倍)进水256.594.845.651.0564出水20.21.60.510.5625去除率(%)92.498.498.94774《生活杂用水水质标准》(CJ25.1—89)a5010102030b501051030注：a.城市园林绿化；b.洒水、扫除。经MBR处理后水质良好，COD、BOD5、浊度都很低，出水虽有一定色度，但已达到或优于建设部生活杂用水水质标准(CJ25.1—89)，可直接作为城市园林绿化、洒水、扫除、消防等用水。2.2影响MBR处理效果的因素2.2.1溶解氧(DO)DO对COD去除效果的影响见图2。试验结果表明:当DO＞1mg/L时对COD有良好的去除效果,其去除率可达90%以上,且DO再增加对COD的去除效果不再有明显影响。在短期缺氧条件下，即DO在0.5～1mg/L时系统也能获得较好的去除效率。但是严重缺氧时间较长，如DO＜0.5mg/L时膜出水会出现异味，其COD可达60mg/L左右，COD的去除率降至80%～87%。由此可见，在MBR中一般应保持DO浓度＞1mg/L。为了减少工艺的曝气能耗，DO宜控制在1.5～2mg/L。2.2.2污泥浓度(MLSS)原水有机物浓度较低且含有难生物降解性物质，因此好氧生物单元污泥浓度在较低的范围内(0.32～2.8g/L)波动。运行初期，MLSS在0.32～1.3g/L的范围内,COD的去除效果比较理想，17个出水COD数值中仅有4个偏高：如42.7mg/L(MLSS为0.66g/L)、36mg/L(MLSS为1.28g/L)、44.9mg/L(MLSS为0.7g/L)、36.5mg/L(MLSS为0.8g/L)，另外13个均低于25mg/L。当MLSS＞1.3g/L、系统进入运行稳定期后，只要没出现DO不足(DO＜0.5mg/L)的特殊情况，MBR的出水COD值均较低且稳定(见图3)。对好氧生物单元上清液COD的同步监测结果表明：MLSS与上清液COD存在明显的负相关关系。这说明系统中由于膜的截留作用弥补了MLSS变化造成的生物反应器处理性能的不稳定，在0.32～2.8g/L的污泥浓度范围内MLSS变化对出水COD影响不明显。2.2.3COD污泥负荷和容积负荷MBR的污泥负荷与容积负荷的变化见图4、5。由于MBR出水水质稳定，所以其动力学参数COD污泥负荷和容积负荷随进、出水的COD浓度变化而变化，MBR中COD容积负荷、COD污泥负荷的变化分别为0.83～2.45kg/(m3·d)、0.568～5.85kg/(kg·d)。在系统运行初期MLSS仅为0.32g/L，污泥负荷高达3.71kg/(kg·d)，系统出水COD在15～45mg/L之间，对COD的平均去除率达90%左右。系统运行10d后，MLSS升至0.9g/L，COD污泥负荷降至1.40kg/(kg·d)。系统进入稳定运行期，COD污泥负荷一般在0.60～1.80kg/(kg·d)之间，此时出水的COD值＜25mg/L,对COD的平均去除率达92%。在系统的稳定运行期，由于进水COD的波动而污泥负荷曾一度升至5.85kg/(kg·d)，但出水水质和各项指标的去除率并无大的变化，表明MBR系统具有较强的抗冲击负荷的能力。从图4、5可看到出水水质随污泥负荷与容积负荷而变化的情况，即一般随污泥负荷与容积负荷增高，相应的出水COD略有增加。MBR的污泥负荷与容积负荷是普通活性污泥法的3～5倍，这表明处理同样的印染废水，MBR体积将比常规活性污泥法缩小3～5倍，可大大节约占地和投资。2.2.4水力停留时间(HRT)水力停留时间对COD去除效果的影响见图6。当HRT在5.5～8h时，HRT对COD的去除效果无明显的影响；当HRT＞8h时,出水COD浓度随HRT的延长略有降低。在实际工程设计中，用膜生物反应器处理毛纺废水或类似废水，HRT可控制在6～9h。2.3影响膜通量的因素2.3.1温度水温对膜通量的影响见表4。表4水温对膜通量的影响试验日期水温(℃)温差(℃)膜通量［L/(m2·h)］膜通量增值率(%)备注1999年11月1日171155.11-0.76运行53d未化学清洗1999年11月2日2854.691999年11月8日18550.000运行60d未化学清洗1999年11月9日2350.001999年12月5日14844.440运行87d未化学清洗1999年12月6日2244.441999年12月13日12941.94-5运行95d未化学清洗1999年12月14日2139.782000年1月3日71737.3621.7化学清洗后9d2000年1月4日2445.502001年1月11日1730.3541.2化学清洗后1d2001年1月128842.85日水温直接影响有机膜的孔径、膜的阻力和污水的粘度，从而影响膜通量。一些MBR小试研究表明：在一定的温度范围与压力条件下，温度每升高1℃，膜通量增加1%～2%［3］。本研究却发现，随着运行时间的延长、膜污染的增加、污泥在膜面的沉积以及凝胶层的增厚，水温升高后并没有发现膜通量有相应明显增加的现象；但对膜组件进行化学清洗后，发现水温的升高会引起膜通量明显增加。分析这一现象可能的原因是：污泥在膜表面的沉积以及凝胶层的增厚导致膜过滤阻力的增加，降低了温度对膜通量的影响。2.3.2污泥浓度(MLSS)污泥浓度的增加往往伴随着混合液粘滞度、溶解性有机物及惰性物质等的变化，它们同样会对膜通量产生影响。在一定条件下污泥浓度越高膜通量愈低，但也有研究表明，在较高的膜面流速下MLSS为2g/L与6g/L时的膜通量几乎无差别，本试验在120d以上的运行中也得出了类似的结果。图7表示在膜面流速为(2.95±0.3)m/s、膜面操作压力为(62±10)kPa的条件下MLSS对膜通量的影响。从图7可以看出，当污泥浓度＜3.0g/L并且膜面流速较高时，污泥浓度对膜通量没有显著影响。3结论①采用MBR工艺处理毛纺印染废水能得到优质而稳定的出水：COD为20.2mg/L、BOD5为1.6mg/L、浊度为0.51NTU、色度为25倍，完全符合建设部颁布的《生活杂用水水质标准》(CJ25.1—89)。②溶解氧是影响处理效果的一个关键因素，污泥浓度、污泥负荷、容积负荷和水力停留时间等因素对处理效果的影响不明显。③随着运行时间的延长、膜污染的增加，温度对膜通量的影响降低。④当污泥浓度较低且膜面流速较高时，污泥浓度对膜通量没有显著影响。