操作条件对粗内径外置式中空纤维膜生物反应器性能的影响

操作条件对粗内径外置式中空纤维膜生物反应器性能的影响陈健波,陈浩(浙江四通环境工程有限公司)孙余凭(江南大学化学与材料工程学院)摘要试验结果表明,用内径为Zmm聚醚矾(PE)S中空纤维膜制作的RMBR,能长期稳定运行而不出现堵塞。增加跨膜压差(TM)P可以增加膜通量,当TMP超过适宜值后表现为通量与TMP无关的特性。提高膜面流速可以削弱污染层的形成,当超过适宜流速后也表现出通t与流速无关的特性。不同的污泥浓度(MLS)S存在适宜的TMP和适宜膜面流速。反冲洗和化学清洗可分别使膜的通量恢复至新膜的78%和89%。关锐词粗内径中空纤维膜,RMBR;操作条件;膜污染MBR在运行过程中,极易受到生物体的污染,由于细胞和菌胶团以及胞外聚合物(ES)P的积累而形成的泥饼或生物膜lj[吸附于膜的分离层表面,导致膜通量降低。如何削弱MBR过程的污染,是国内外研究MBR过程最重要的课题之一。人们在探索削弱膜污染的途径方面,一般采用促进流体与膜表面污染层的剪切作用、膜面反向冲洗作用及化学清洗作用等方式。根据膜组件和生物反应器的位置,MBR可分为浸没式(SMB)R和外置式(RMBR)两种。从膜组件的特性方面看,内压式RMBR具备实现这些措施的条件,但是由于内压式中空纤维膜的内径一般在0.8一1.0mm,用内径较小的中空纤维膜制作RMBR时,随着污染层的增加,动力消耗增大,甚至会导致膜流道堵塞,制约了RMBR的工业应用。在克服RMBR弱点方面,操建华等〔2〕研究聚丙烯中空纤维膜制作的RMBR,通过控制膜面流速在0.9~1.gms/范围内,添加粉末活性炭和硫酸铝使膜组件反置运行等措施,膜面生物污染得到有效改善;Taoijang等[’」研究管式超滤膜RMBR,认为最佳膜面流速为0.75~lm/s,高于此值,膜污染增加迅速。本文采用自制内径为2mm的中空纤维膜制作的RMBR,研究操作条件对RMBR性能的影响,并试图在削弱过程污染方面探索出可行的途径。1试验部分1.1试验装t及流程试验采用流程如图1的RMBR以连续方式运行,模拟废水通过计量泵控制进人生物反应器,泥水混合液通过泵送人膜组件,浓缩液循环,透过液收集于罐中,部分用于膜的反冲洗,部分排放。膜组件为自制的内压式聚醚矾(PE)S中空纤维超滤膜,截留分子量4.5X10`Dalotn,纤维内径2.0mm,纤维长度lm,壁厚0.3mm,有效膜面积lm,。表1RMBR主要工艺参数水力停留时间/h泥龄/d悬浮液固体浓度/(g·L一’)温度/℃20~251.2试验用水试验用模拟废水由葡萄糖(C。H,206)、尿素(H:NCONH:)、磷酸二氢钾(KH:PO;)、蛋白陈、牛肉膏等按一定比例配成,主要水质指标为:COD,450~700mg/I矛,NH。一N,14~18mg/IJ,pH,7.0~7.5,温度,20~25℃。2结果与讨论2.1温度对RMBR出水通,的影响201……’’’’’图1RMBR试验流程图1、空压机;2、真空版力表;3、真空泵;4、气体流量计;5、进水箱;6、计童泵;7、生物反应器;9、混合液循环泵;8.10.13,19,21、阀门;12,15,16,18、压力表;11.17、流量计;14、超滤膜组件;20、反冲洗泵;22、出水罐兼反冲洗罐温度对膜通量的影响主要是:随着温度升高,泥水混合液粘度降低;流体的雷诺数(Re)增大,混合液的湍动增大,减小了阻力;浓差极化作用减弱,导致膜通量增大。图2所示为混合液温度对RMBR通量的影响。由图2可见,温度升高1℃,通量增加2.5%。但过高的温度不利于生物的生长。605648“403632。已谈12162024温度/℃283236图2温度对RMBR出水通量J的影响2.2跨膜压差对RMBR通t的影响图3为不同膜面流速下,跨膜压差(TM)P对纯水通量的影响。由图3可见,纯水通量仅与TMP相关,而与膜面流速无关。.二0.18n公s砂二0.3!耐.`司.44mls`司.56ml.J.匆751的l乃150TMPkIaP11O5L|oot|玛ǎ一铸t飞·1í、图3不同膜面流速下膜的纯水通量与TMP的关系试验在温度25℃,膜面流速为0.36ms/,MLSS分别为2.29/L、3.19/L、4.69/IJ的状况下,考察三种202不同污泥浓度下TMP对通量的影响。图4的结果显示,在TMP较低时,随着TMP增加,通量也随之增大;当TMP增大到一定值时,则通量趋于平缓;随着MLSS增加,通量则随之下降。这是由于RMBR处理的是活性污泥悬浮液,膜面滤饼层阻力为过程控制因素。在一定流速下,在TMP较低时,由于通量较低,膜面污染层形成慢,滤饼的压密性较弱,通量大小表现出压力推动型特征;当污染层形成趋于稳定后,增大TMP虽然能增大通量,但是滤饼的厚度也随之增大,对滤饼的压密性也增强,从而阻力增大,两者的作用相互抵消,维持通量近于稳定。试验结果表明,滤饼的压密性是不可逆的。当MLSS增加时,滤饼层的形成较快,通量降低明显。综上所述,RMBR运行时存在适宜TMP。在本试验的三种MLSS下,其适宜TMP分别为100kPa、80kPa、60kPa。由此可见污泥浓度越大,适宜操作压力越低。如36322824201612ǎ.公。二油。已诱2040印匆1001201401印1即抽即kPa图4不同污泥浓度下TMP对通量影响2.3膜面流速对RMBR通l的影响图5给出了TMP为100kPa,MLSS为2.29/L时,不同膜面流速条件下,稳定通量随时间的关系。由图5可见,随着流速增加,稳定通量增加。这是由于流速增大,流体的Re增大,对膜面污染的扰动增加,从而削弱了滤饼层的增厚,导致通量增大。图6为TMP为100kPa下,对三种不同MLSS,考察膜面流速对稳定通量的影响。由2.2讨论可知,压力越大,推动力越大,但对滤饼层的形成和压密性越强,产生的阻力越大,两者作用交互影响,导致通量增加趋于平缓;若将曲线转折点的流速称为适宜流速v。,则不同的MLSS,vc不同,较高的MI.SS不宜采用过高的流速,否则不仅不能增加通量,反而会造成能耗过高。这与Dveereux[`〕的研究结果相同。本试验的适宜流速为0.6~0.gm/s。图5不同流速下膜的通t随时间衰减图2.4污泥浓度对RMBR稳定通,的影响控制反应器内活性污泥混和液中有机物浓度基本不变的条件下,在不同流速下考察活性污泥浓度对膜的稳定通量的影响,结果见图7。203口画瀚留位一s`吕)图6膜面流速对膜通量的影响图7不同流速下膜的稳定通量随污泥浓度而变化图7为不同膜面流速下,污泥浓度对膜稳定通量的影响。由图可见,增加膜面流速,有利于通量的提高,但是,在同一流速下,随着MLSS的增加,膜通量有所降低。当流速为1.lm/s,MLSS为59/L时,即使在不反冲洗的情况下,稳定通量仍可达到33L/(m之·h)。2.5膜的污染与清洗用内径为2.0mm的PES中空纤维超滤膜制作的外置式膜生物反应器,在本试验条件下,较长时间运行而未进行任何反冲洗和化学清洗,即能获得较理想的膜通量,且不会导致膜管堵塞。RMBR运行时,反冲洗虽然能使膜通量的衰减得到有效的改善,但要保持一定的通量仍然必须对膜进行有效的化学清洗。试验在运行10Oh后,采用1%的Na0H溶液对膜进行化学清洗,清洗效果如图8所示。由图8可见,对膜进行反冲洗和化学清洗都能使膜通量得到较好的恢复,反冲洗和化学冲洗分别能使膜的通量恢复至原来的78%和89%。连续三个周期的运行结果表明,通量的恢复性能基本相同,说明反冲洗和化学冲洗是保持RMBR较高通量运行的重要措施。50209012(.-q.2泊八U八U`11ù己UO口。已、r图8各种膜清洗效果比较2043结论对于用内径为2.0mm的PES中空纤维超滤膜制作的RMBR,用模拟废水进行的试验表明:(1)TMP既可以成为滤液透过的推动力,也可以对污染层产生压密作用而成为阻力,因而存在适宜TMP,大于此值膜通量表现为与TMP无关,污泥浓度越大,适宜TMP越低。(2)膜面流速增大可削弱污染层的形成,但是也会使膜轴向压差增大,导致污染层因压密而产生的阻力增大,两者交互作用,使得当超过适宜的流速以后,膜通量表现为与流速无关的特性。(3)污泥浓度对膜污染有很大影响,膜的稳定通t随污泥浓度增加而减小。(4)反冲洗和化学清洗是防止膜污染的有效手段。参考文献〔lj梁红英,金奇庭.膜生物反应器生物污染及其控制〔J〕.工业水处理.2006,37(5):7一10.【2〕操建华,朱宝库,徐又一外t式中空纤维膜一生物反应器处理污水的研究【J].膜科学与技术.2006,26(4):48一56.〔3〕JiangTao.Controllingsubmieronpartieledepositioninaside一streammembranebioreaetor:Atheoretiealhydrodynamiemodellingapproaehin。orporatingenergyconsumption[Jj.JMemb:Sei,2007,297:141一151.[4〕DavieswJ.Intensifiedaetivatedsludgeproeesswithsubmergedmembranemierofiltration〔J〕.WatSeiTeehnol,1998,38(4一5):421一428.205