处理污水时膜污染问题的试验研究

收稿日期:2005-04-30;修回日期:2005-05-24作者简介:况家瓒(1970-),男(汉族),江西南昌人,主要从事工程给排水与污水处理方面的研究,工程师。处理污水时膜污染问题的试验研究况家瓒1朗东锋2赵高菲3(1宁波布利杰针织集团有限公司;2宁波甬绿环境保护技术工程有限公司;3宁波市南方建筑设计有限公司,浙江宁波,315010):根据膜生物反应器中膜污染的几种类型,分析了膜污染形成机理及影响因素,并总结了几种防止和处理膜污染的方法。:膜生物反应器;膜污染;污水处理:TQ0288/X703:A:1671-8550(2005)05-0046-020引言膜生物反应器(MBR)是膜技术和生物反应器技术相结合的产物,与传统活性污泥法相比,具有污泥浓度高、出水水质好、污泥产量低、结构紧凑等优点。目前此项技术虽然已成功地应用于废水处理系统,但却存在着膜易污染、能耗大、污泥容易丧失活性等问题,限制了它的进一步广泛应用。膜污染是其中最重要的因素,严重时膜的分离功能被破坏,依靠更换膜组件来恢复反应器的运行,这样势必会增加反应器的造价及运行周期的中断[1]。因此,分析膜污染的形成机理、建立适当的数学模型并采取相应的防治措施就显得十分必要,膜污染已成为MBR研究中的一个热点问题。1膜污染机理及影响因素广义的膜污染不仅包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的污染(不可逆污染),而且包括由于可逆的浓差极化导致凝胶层的形成(可逆的污染)。两者共同造成运行过程中膜通量的衰减。当溶质不透过膜(或只有少量透过)而溶剂却透过膜发生迁移时,在溶液与膜的界面上,溶质逐渐积累。当其浓度超过主体液浓度时,产生了界面与主体液间的浓度梯度,引起溶质从界面向主体液扩散,其结果会引起渗透压增加,这就使有限的操作压力减少,引起透过通量减少。但是浓差极化产生的作用是可逆的,一般可以通过提高主体溶液的流速,或增加其湍流程度,以减轻浓差极化现象的影响。膜的污染是指与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理、化学或机械作用,而引起的膜面或膜孔内吸附、沉积,造成膜孔径变小或堵塞,使膜产生透过流量与分离特性不可逆变化现象。由于膜污染是亚微细粒子或小分子溶质吸附、积累在膜表面或在膜孔中结晶沉积所致,所以膜污染是不可逆的,只有靠改进膜组件结构、性能或优化膜系统设计来减轻[2~3]。浓差极化和膜污染都能引起膜性能的变化,使膜的实用性能变坏,而膜污染是膜通量和分离性能下降的主要原因。目前,水处理工作者把主要精力放在研究不可逆污染方面。影响膜污染的因素很多[4],如溶质大小、膜结构、膜的物理特性、膜-溶质-溶剂之间的相互作用(静电作用力、范德华力、溶剂化作用、空间立体作用)。2膜污染的数学模型根据标准的Darcy定律过滤模型,膜的溶剂透过速率:Jv=P(Rm+Rg+Rc)(1)式中Jv膜通量,m3/m2s;P膜两侧压力差,Pa;滤液粘度,Pas;Rm纯膜阻力,1/m;Rg膜污染阻力,1/m;Rc泥饼阻力,1/m。当产生凝胶层时,膜的透过速率:Jv=Vw1+Rg/Rm(2)式中Jv水的膜透过速率,m3/m2s;Vw纯水的膜透过速率,m3/m2s;Rs凝胶层对流动产生的阻力,N;Rm膜对流动产生的阻力,N。3膜污染问题的解决措施31首先要根据其膜材料和膜分离特点,从设计、工艺流程到设备操作运行等各个环节加以考虑,使浓差极化和膜污染减少到最低程度。国内外在理论研究和应用实践的基础上,积累了不少行之有效的经验和方法:1)对料液(原水)采取有效的预处理,以达到膜组件进水的水质指标,如预絮凝、预过滤或改变溶液pH值等方法,以脱除一些能与膜相互作用的溶质;2)改善膜面附近料液侧的流体力学条件,如提高进水流速或采用错流等方法,减少浓度差极化,使被截留的溶质及时地被水流带走;3)适当提高料液水温,加速分子扩散,减少粘度,增大滤速;4)适宜的操作运行条件;5)开发新型膜生物反应器。在膜过滤设备设计中,还应注意减少设备结构中的死角和死空间间隙,以防止滞留物在此变质,扩大膜污染。为防止微生物、细菌及有机物的感染,常使用消毒剂,如氯试剂等。如果膜停用(5天以上)或长期保养时,在设备中需用05%甲醛溶液浸泡。膜的清洗保养中的最主要原则是不能让膜变干。膜的保存也要针对不同的膜采取不同的方法,如聚砜中空纤维膜须在湿态下保存,并以防腐剂浸泡[2]。另外,根据46矿业工程MiningEngineering第3卷第5期2005年10月水质和水处理要求,注意选择膜材料。32即便采取各种措施维护和预防,但膜污染还是不同程度的客观存在。因此,必须及时地对膜污染进行处理,才能保证过滤工作正常进行,并取得预期效果。321物理方法反冲洗法。通过最佳反冲洗周期测定公式确定最佳反冲洗周期,从而可以避免以往完全通过试探性实验方法确定最佳反冲洗周期既费时又不准确的作法:1)采用水和空气混合流体。混合流体在低压下冲洗膜表面5分钟,对初期受有机物污染膜的清洗是有效的;2)去除污染物。对内压管膜的清洗可采用海绵球,球的直径比膜管的直径大一些,在管内通过水力控制海绵球流经膜表面,对膜表面的污染物进行强制性地去除。但去除硬质垢时,易损伤膜表面;3)近年来,电场过滤、脉冲清洗、脉冲电解及电渗透反冲洗研究十分话跃,具有很好效果。322化学方法化学清洗通常是用化学清洗剂,如稀酸、稀碱、酯、表面活性剂、络合剂和氧化剂等。对于不同种膜,选择化学剂要慎重,以防止对膜的损害。选用酸类清洗剂,可以溶解除去矿物质及DNA,而采用NaOH水溶液可有效地脱除蛋白质污染;对于蛋白质污染严重的膜,用含05%蛋白酶的1%NaOH溶液清洗30分钟可有效地恢复透水量。在某些应用中,如多糖等,湿水浸泡清洗,即可基本恢复初始透水量[7]。4膜污染试验研究[8~10]41毛细管膜组件材质是聚砜(PS),膜丝内径155mm,165根膜丝套装在48cm透明有机管内,膜丝总面积018m2,管内过流面积约11cm2。42控制过流量10m3/h,膜面流速080m/s,实验结果如图1。清洁膜阻力Rm=PJv=1171012m-143从某厂取来活性污泥(MLSS)3200mg/L,用毛细管组件进行泥水分离试验,控制管内的过流量为10m3/h,膜面流速080m/s。测定渗透通量的变化,计算膜污染阻力Rg,结果见图2。12运行期间膜污染阻力迅速上升,分析1/J2v随时间变化情况(图3)。31/J2v1/J2v随运行时间呈线性增长,可以判断水通量的下降是由泥饼控制的。拟合数据得线性方程1/J2v=210-5t+00039,得渗透通量随时间变化。Jv=1210-5t+0003910-6m/s44冲刷清洗。用清水取代污水,循环冲刷清洗膜组件20分钟,测水通量。过流量10m3/h,膜面流速080m/s,膜渗透压差40kPa,渗透通量255m/s。按公式计算冲刷清洗后的膜阻力1541012m-1。扣除清洁膜阻力1171012m-1,清水冲刷不能去除的阻力为0371012m-1。水通量恢复率C=Rm/R=117/154=76%。反冲清洗。清水反冲压005MPa,反冲5分钟,测清水通量。过流量10m3/h,膜面流速08m/s,膜渗透压差505kPa,渗透通量389m/s。冲刷清洗后的膜阻力R=1271012m-1。扣除清洁膜阻力1171012m-1,清水冲刷不能去除的阻力为0101012m-1。水通量恢复率C=Rm/R=117/127=92%。5结语在污水处理中,膜污染是膜生物反应器中普遍存在的问题,严重影响到系统的正常运行,并大大缩短了膜的寿命。从膜本身性质、料液性质等方面总结了几种防止和处理膜污染的方法,并通过试验结合膜污染的数学模型得出了膜污染过程中渗透通量、膜污染阻力等变化规律。随着MBR理论研究的不断深入、成膜材料的不断优化以及工程实践经验不断丰富,膜污染的控制方法将会不断推陈出新,则MBR的应用前景将十分广阔。:[1]崔峰,李勇膜生物反应器运行中的膜污染问题[J]《石油化工环境保护》,2000(3):24~26[2]尹国,刘振华膜生物反应器中膜污染研究进展[J]《环境保护科学》,2000(5):10~13472005年第5期况家瓒等处理污水时膜污染问题的试验研究[3]李明波,金奇庭膜生物反应器中膜污染问题讨论[J]《四川环境》,2004(3):13~17[4]胡玉平,姜超膜生物反应器膜污染机理及其防治[J]《净水技术》,2004(1):26~29[5]殷峻,陈英旭膜生物反应器中的膜污染问题[J]《环境污染治理技术与设备》,2001(3):62~68[6]张树国,顾国维,吴志超膜生物反应器中污泥特性对膜污染的影晌研究[J]《工业水处理》,2003(12):8~12[7]许坚,许振良膜生物反应器污水处理过程中膜生物污染的研究进展[J]《水处理技术》2002(3):125~128[8]赵奎霞,张传义MBR中膜污染的全过程控制方法[J]《河北工程技术高等专科学校学报》,2003(1):12~15[9]王志良,吴志超等膜生物反应器中膜污染的研究[J]《污染防治技术》,2003(4):4~6,34[10]张颖,任南琪等一体式膜生物反应器膜污染现象及清洗试验研究[J]《化学工程》,2004(2):57~60Experimentalresearchofmembranepollutionofmembranebiologicalreactor(MBR)usedtoclarifywastewaterKUANGJia-zan1,LANGDong-feng2,ZHAOGao-fei3(1NingboBulijieKnittingCoLtd.;2NingboYongluEnvironmentalProtectionTechnology&EngineeringCo.Ltd.;3NingboNanfangArchitecturalDesignCo.Ltd.,Ningbo315010,China)Abstract:BasedonanalysisofseveralkindsofmembranepollutionofMBR,themechanismofmembranepollutionoccurrenceanditsinfluencesarestudied.Somemethodstoavoidandtreatmembranepollutionarerecommended.Keywords:membranebiologicalreactor(MBR);pollutionofmembrane;treatmentofwastewater收稿日期:2005-05-23作者简介:张立昌(1959-),男,山西孝义人,主要从事采矿生产技术工作,工程师。矿区生态环境动态修复在孝义铝矿的实践张立昌(中国铝业公司山西分公司孝义铝矿,山西孝义032303):孝义铝矿采用剥离-采矿-复垦一体化先进模式,使开采与复垦工艺有机结合,达到了缩短土地破坏时间和复垦周期,使矿山开发更加科学、合理,其成功经验值得同类矿山借鉴与推广。:矿区生态环境;动态修复;现场实践:TD991:B:1671-8550(2005)05-0048-021概况矿区生态环境修复是指对各种因采矿造成客观生态破坏和环境污染的区域因地制宜地采取治理措施,使其恢复到期望状态的活动或过程,其目的是保证在开采矿产资源的同时,保护区域生态环境。矿区生态环境修复是一个涉及多学科的系统工程,并具有显著的工程技术特征,属于多学科交叉的综合性应用科学,它与矿山的规划设计和生产密切相关。我国矿区环境修复工作大多停留在先破坏、后修复的模式,该模式往往出现矿区环境修复整体规划不合理,生产期间矿区生态环境破坏严重;环境修复期间人力、物力投入巨大,治理效果也不尽人意[1~3]。孝义铝矿在开采过程中,改变过去的传统模式,采用了剥离-采矿-复垦一体化的先进模式,使开采与复垦工艺有机结合为一体,成功实现了矿区生态环境的动态修复。2矿区生态环境的动态修复21孝义铝矿是我国最大的露天铝矿,生产规模为215万t/a,矿区总