MBR系统运行条件对膜污染影响研究

随着城市规模的不断扩大和现代化工业迅猛发展，城市生活污水和工业废水排放不断增加，水环境日趋恶化，水资源危机日渐严峻。根据再生水协会的一项统计，仅在美国，市政污水处理厂处理的污水就以每年15%的速度增长。此项数据还未计算工厂内部废水再生处理，但是根据设备供应商的估计，世界污水处理正以每年15%～20%的速度增长。膜生物反应器（MBR）是一种新型高效的污水处理工艺，它巧妙融合生物处理技术和膜分离技术，与传统活性污泥法相比，该技术省掉二沉池，占地面积小，同时，活性污泥浓度可以大大提高，水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）可以分别控制，操作简便。因此，MBR技术在市政污水和工业废水回用再生处理中得到广泛应用。但是，MBR系统运行过程中存在的膜污染问题会导致膜通量下降，膜寿命缩短，甚至影响产水水质。有研究表明，膜污染问题还会导致MBR运行能耗上升，很大程度上限制了MBR的应用[1-5]。本文结合自身实际，在江苏某市政污水处理厂MBR中试项目中有针对性的探究若干膜污染控制方法。由于膜材料性质和污泥混合液性质等参数已经设定，本文主要从曝气强度和抽停时间比等运行条件着手研究，探究合理的曝气强度和抽停时间比，减缓膜污染速率。该污水处理厂为当地生活污水回用处理服务，现有处理能力达到6万t/d。该厂进水水质：MLSS质量浓度为6000～8000mg/L；COD为150～400mg/L；NH3-N质量浓度为20～30mg/L；TP质量浓度为20～30mg/L；pH为6～8。为了尽可能真实的模拟该厂MBR系统运行环境，实验所用原水及污泥混合液均由该污水处理厂提供。实验分为曝气强度优化实验和抽停时间比优化实验两项进行。采用如图1的实验装置，反应器有效容积为0.8m3。该装置能模拟MBR产水运行和反冲洗过程，产计根良1，郑宏林2，周勇2（1.上海沛杰过滤技术有限公司，上海200335；2.杭州水处理技术研究开发中心，浙江杭州310012）膜生物反应器（MBR）是一种新型高效的污水处理工艺，但MBR中膜污染问题限制了该技术的大规模推广应用。从MBR系统运行条件入手，通过实验方式定性分析了曝气强度强弱、抽停时间占比与膜污染的关系。实验得出对应工况下，最佳曝气强度为0.4m3/(m2·h)和最佳抽停时间比4:1。最后，将优化的运行条件应用于工程实际，经过3个月的正常运行，该MBR系统膜污染控制效果显著。MBR；膜污染；影响因素；曝气强度；抽停时间比TQ028.8A1000-3770(2014)06-0090-003收稿日期：2014-04-02作者简介：计根良（1980－），男，博士，研究方向为膜与膜材料；电子邮件：[e-mail]图1实验装置Fig.1Schematicdiagramoftestdevice鼓风机流量计反洗泵产水箱产水泵产水电磁阀真空表进水箱膜生物反应器反洗电磁阀第40卷第6期2014年6月Vol.40No.6Jun.,2014902014-06-2309:33水电磁阀和反洗电磁阀采用PLC自动控制。实验所用MW10b型膜组件采用上海沛杰过滤技术有限公司自主研发生产的PVDF复合型中空纤维超滤膜作为膜材质，膜孔径为0.03～0.05滋m，膜内外径为椎2.2/椎1.9mm，单个膜组件有效过滤面积10m2，采用两端集水方式，2个膜组件并行排列，总过滤面积达20m2。反应器内设置曝气管路，曝气强度可调节。曝气强度优化实验采用恒流量运行方式，通过检测跨膜压差（TMP）指标来反应膜的污染状况。参照该厂中试系统设计通量20L/(m2·h)，实验装置运行通量设定为0.4m3/h，设置5组不同的曝气强度（见表1）。经过相同运行时间之后，TMP随曝气强度变化情况如图2所示。对图2中5条曲线进行线性回归得到其斜率，即TMP上升速率，结果如图3所示。由图3可知，当曝气强度在0.12～0.4m3/(m2·h)之间变化时，TMP上升速率逐渐减低；当曝气强度在0.4～0.68m3/(m2·h)之间变化时，TMP上升速率逐渐升高。曝气量的增加能提升膜面错流速率，加快污染物从膜表面脱离。但曝气强度过高产生过强的剪切力会导致污泥絮体颗粒破碎、尺寸变小，并释放EPS到混合液中，使混合液中细小污泥颗粒增多，从而导致膜孔堵塞。实验数据印证了曝气强度强弱关系对膜污染的影响。对于该污水厂MBR系统的实际情况，曝气强度应该设置为0.4m3/(m2·h)左右，能降低TMP上升速率，有效控制膜污染。抽停时间比优化实验同样采用恒流量运行，运行通量设定为0.4m3/h。实验以15min为一个周期，设置不同的抽停时间，使MBR系统持续运行2d，期间不进行反冲洗，通过检测TMP指标反应膜污染状况。为保证前次实验不影响后次实验运行结果，每次运行结束后对膜组件进行物理和化学清洗以恢复初始通量。为简化实验过程，仅记录运行开始时的TMP1和运行结束时的TMP2，并近似认为压差上升与时间呈线性关系，结果见表2。由表2可知，相同运行周期情况下，抽停时间比对TMP上升速率影响很大。工况1连续出水，TMP上升速率高达5.25kPa/d，膜污染十分严重。随着停抽时间占比增大，TMP上升速率逐渐降低。工况4～6，TMP上升速率变化已经趋于平缓。因此从工程经济考虑，工况4的抽停时间是最合理经济的，即该系统工况下，抽停比约为4:1。对江苏某污水处理厂污染严重的新增MBR膜组件进行物理清洗和化学清洗恢复通量后，将实验研究得出的最佳曝气强度0.4m3/(m2·h)和最佳抽停时间比4:1应用于该厂MBR系统，经过3个月正常表1分组曝气强度参数Tab.1Aerationintensityparametergrouping工况曝气量/(m3·m-2·h-1）123450.120.260.400.540.68图3不同曝气强度下压差上升速率Fig.3Pressureriserateunderdifferentaerationintensity123450.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030TMP上升速率/(kPa·min-1)工况工况抽吸时间/min停抽时间/min123456151413121110012345TMP1/kPaTMP2/kPaTMP上升速率/(kPa·d-1）192020.520.521.5223027262425255.253.52.751.751.751.5表2不同抽停时间对跨膜压差上升速率影响Tab.2Theeffectofdifferenton/offratiotimeontransmembranepressureriserate图2TMP随曝气强度变化Fig.2TMPchangingwithaerationintensity010203040506019.019.520.020.521.0TMP/kPa时间/min工况12345计根良等，MBR系统运行条件对膜污染影响研究91运行，系统运行数据如图4所示。目前膜组件通量维持在30m3/h，由图4可知，TMP由初始19kPa上升至22kPa。由此可见，优化曝气强度和抽停时间比对控制MBR系统膜污染效果显著。结果表明，在一定范围内，曝气强度的增加，TMP上升速率逐渐减低；但过高的曝气强度反而导致TMP上升速率逐渐升高，膜污染加速。实验对应工况下，最佳曝气强度应该设置为0.4m3/(m2·h)左右。相同运行周期情况下，抽停时间比对跨膜压差上升速率影响很大。停抽时间占比增大，TMP上升速率逐渐降低。从工程经济考虑，停抽时间占比不能无限制增大。实验对应工况下，最佳抽停比约为4:1。将实验得出的最佳曝气强度和最佳抽停运用于江苏某污水处理厂MBR系统，经过3个月正常运行，系统TMP由初始19kPa上升至22kPa。说明优化的MBR系统运行条件对膜污染控制效果显著。[1]OvenG,BandiM,HowellJA,etal.Economicassessmentofmembraneprocessesforwaterandwastewatertreatment[J].MembSci,1995,102:77-91.[2]DefranceL,JafrlnMY,GupmB,etal.Contributionofvariousconstituentsofactivatedsludgetomembranebioreactorfouling[J].Bio-resourceTechnology,2000,73:105-112.[3]黄霞,莫罹.MBR在净水工艺中的膜污染特征及清洗[J].中国给水排水,2003,19(5):8-12[4]BuissonH,CoteP,PraderieM,etal.Theuseofimmersedmembraneforupgradingwastewatertreatmentplants[J].WatSciTechnol.,1998,37(9):89-95.[5]WitzigR,ManzW,RosenbergerS,eta1.Microbiologicalaspectsofabioreactorwithsubmergedmembranesforaerobictreatmentofmunicipalwastewater[J].WatRes.,2002,36:394-402.图4系统运行数据Fig.4Systemrunningdata01020304050607080901012141618202224262830TMP/kPa时间/dJiGenliang1,ZhengHonglin2,ZhouYong2渊1.ShanghaiPeijieFiltrationTechnologyCo.Ltd.,Shanghai200335,China;2.HangzhouWaterTreatmentTechnologyDevelopmentCenter,Hangzhou310012,China冤MembraneBioreactor(MBR)isanewandefficientwastewatertreatmentprocess,butthefoulingrestrictsthelarge-scalepopularizationandapplicationofthetechnology.ThispaperqualitativelyanalyzetherelationshipbetweenthemembranefoulingandtheoperationconditionsofMBRsystemsuchastheaerationintensityandon/offratiothroughtheexperiments.Theexperimentsputforwardthebestaerationintensityis0.4m3/(m2窑h)andthebeston/offratiois4:1.Finally,theoptimaloperatingconditionisappliedtotheengineeringpractice.Afterthreemonthsofnormaloperation,theeffectofmembranefoulingcontrollingisremarkable.MBR;membranefouling;influencefactors;aerationintensity;on/offratio第40卷第6期5月24至26日，中国海水淡化与水再利用学会联合中国膜工业协会海水及苦咸水淡化膜分会、浙江大学膜与水处理技术教育部工程研究中心在杭州成功举办“2014全国膜法水处理技术高级培训班”。来自全国各地的五十多家科研院所、高等学校及企事业单位的科研人员、大学老师、企业老总、技术骨干等近110名行业从业人员参加培训。本届培训班以“膜法水处理技术”为主题，师资力量雄厚，培训内容丰