分体式膜生物反应器在污水处理中

杭州凯宏膜论文库SMBRTEL：0571-8896317913518199769王先生分体式膜-生物反应器在污水处理中工艺条件的研究*吕红徐又一**朱宝库徐志康谢柏明（浙江大学高分子科学与工程学系,杭州310027）摘要：对分体式膜-生物反应器(RecirculatedMembraneBio-Reactor，RMBR)处理污水进行了研究。进水CODcr：312~584mg/L，RMBR的出水CODcr在运行4d后15mg/L并稳定。向生物反应器添加0.5g/L（混合液）的粉末活性碳(PowderedActivatedCarbon,PAC)后出水CODcr4.22mg/L。膜侧污水流速在0.9~1.9m/s范围内，临界膜通量随膜侧污水流速的增大而增大。添加PAC，组合添加PAC和Al2(SO4)3·18H2O均可有效提高临界膜通量。在膜侧流速1.9m/s的条件下，临界膜通量从72L/(m2•h）分别增至76L/（m2•h）和81L/（m2•h）。在22~30˚C范围内，每升高1˚C可提高膜通量1.9%。在连续运行100天中，RMBR可在无任何物理，化学清洗的条件下运行14天而透膜压力无增大，膜通量不降低。对于已污染的膜，水清洗、水碱共同清洗、水碱酸共同清洗可分别恢复至新膜膜通量的47%、83%、94%。关键词：分体式膜-生物反应器；污水处理；膜污染；临界膜通量AStudyontheProcessingConditionsofRecirculatedMBRforWastewaterTreatmentLuHong,XuYouyi,ZhuBaoku,XuZhikang,XieBoming(DepartmentofPolymerScienceandEngineeringZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)ABSTRACT:Inthispaper,wastewaterwastreatedwithRecirculatedMembraneBioReactor(RMBR)andeffluentqualitybecamestableafterfourdaysrunningcontinuously.Critical*基金项目：国家自然科学基金资助项目(59833120)。**通讯联系人作者简介：吕红（1972～），男，硕士研究生，工程师，主要从事污水处理与高分子材料方面的研究。membranefluxwasincreasedwithincreasingcrossflowvelocitybetween0.9~1.9m/s.Undercrossflowvelocityof1.9m/s,criticalmembranefluxwasenhancedfrom72L/(m2•h)to76L/(m2•h)or81(L/m2•h)respectivelywhenpowderedactivatedcarbon(PAC)orbothPACandalumwereaddedtothesystem.Between22~30˚C,thefluxwaselevated1.9%per1˚Cincreased.Foulingmaterialswereremovedefficientlythroughcleaningphysicallyor/andchemicallywithfluxrecoveryof47%~94%.KEYWORDS:recirculatedmembranebioreactor;wastewatertreatment;membranefouling;criticalcriticalmembraneflux污水处理是环境问题中的一个重要方面。传统的活性污泥污水处理法有出水水质不稳定、生化效率不高、操作复杂、占地面积大等不足。探索高效、经济可行的污水处理工艺一直是环保工作者的一个努力方向。膜-生物反应器(MembraneBio-Reactor，MBR)是将膜和活性污泥相结合的一种污水处理技术。60年代中期，美国Dorr-Oliver公司首次将MBR用于城市污水处理。同传统的活性污泥法相比，MBR具有以下优点：占地省，不需要二沉池、污泥浓缩池等；出水水质好，毋须对出水进行杀菌处理；污泥产量少，处理污泥的费用大大降低；不用考虑污泥的沉降性能和担心污泥的流失问题；操作要求低，运行稳定，管理方便等[1~4]。但MBR的发展不仅取决于工艺本身，还取决于经济可行性。随着膜材料价格的降低，能耗成了一个重要的研究课题，而膜污染是造成能耗较高的主要原因[5]。按膜和生物反应器的位置关系可将MBR分为分体式和一体式2种。分体式膜-生物反应器(RecirculatedMembraneBio-Reactor，RMBR)是将膜组件与生物反应器分置，由泵将混合液加压送至膜组件，浓缩液循环回生物反应器，滤过液作为出水；一体式膜-生物反应器(SubmergeredMembraneBio-Reactor，SMBR)是将膜组件浸没于生物反应器中，通过负压抽吸或虹吸得到过滤液。在RMBR中，为了延缓膜污染，膜侧污水流速一般为2~5m/s，导致其能耗较高(4~12kW•h/m3(出杭州凯宏膜论文库SMBRTEL：0571-8896317913518199769王先生水))，应用受到限制[1,2,6,7]。本文研究了RMBR的运行条件，临界膜通量及提高膜通量的方法。1试验装置RMBR试验装置见图1，主要由生物反应器和膜组件两部分组成。生物反应器是活性污泥曝气池，有效容积25L。膜组件为内压式聚丙稀中空纤维微滤膜(杭州浙大凯华膜技术有限公司生产)，纤维内径300μm，壁厚40μm，平均孔径0.02~0.2μm，有效膜面积0.087m2。污水从原水箱进入生物反应器，泥水混合液从生物反应器经循环泵送入膜组件，浓缩液循环回生物反应器，滤过液作为出水。1.原水箱2.生物反应器3.曝气泵4.混合液循环泵5.膜组件6~8,16.压力表9~11.流量计12.旁路13.膜出水管路14.混合液循环管路15.浮球液位阀2试验用水试验用模拟污水，由奶粉、可溶性淀粉、Na2HPO4•12H2O、CO(NH2)2、Na2CO3等配制而成，CODcr：312~584mg/L，NH3-N：16~40mg/L。3试验方法本试验从2002年2月25日开始污泥曝气培养(污泥取自杭州中策啤酒厂废水处理车间)，3月13日开始连续运行。试验主要工艺参数见表1。表1RMBR主要工艺参数Table1RMBRrunningparameters水力停留时间(HRT)/h污泥龄(SRT)/h透膜压力(TMP)/kPa悬浮污泥浓度(MLSS)/g·L-1溶解氧(DO)/mg·L-1循环比*pH温度/˚C5.52570-1402.1-3.63-425-606.4-7.522-34*循环比指经过膜组件的循环流量与膜通量之比。试验共分4个阶段。第1阶段(3月13日~4月3日),考察RMBR运行效果及温度对膜通量的影响。第2阶段(4月4日~5月7日)，考察各膜侧流速条件下的临界膜通量及不同清洗方法对受污染膜的清洗效果。第3阶段(5月8日~6月2日)，考察添加PAC对临界膜通量，临界循环比及COD去除效果的影响。向生物反应器中添加粉末活性碳(PowderedActivatedCarbon,PAC)(120目)的量为0.5g(PAC)/L(混合液)，操作中损失的PAC都及时补充以维持混合液中PAC的浓度不变。PAC在加入生物反应器以前用混合液进行了曝气培养。第4阶段(6月3日~6月19日)，考察同时添加PAC及硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)对临界膜通量，临界循环比及COD去除效果的影响。PAC加入生物反应器中，添加量同第3阶段；硫酸铝加入原水中，添加量为0.1mmol(硫酸铝)/L(原水)。4结果分析与讨论4.1RMBR处理效果及添加PAC和硫酸铝的影响RMBR出水在运行4d后达到稳定(图2)，COD去除率在第四天已达96.5%。这是由于膜的截留作用使微生物在反应器中富集，同时膜表面凝胶层的形成也起到了一定的截留作用。在长期运行中，即使进水CODcr在312~584mg/L，膜通量在35~85L/（m2•hr）的范围内变化，出水COD数值也较稳定，始终低于15mg/L，表现出良好的稳定性和抗冲击负荷能力(图3)。杭州凯宏膜论文库SMBRTEL：0571-8896317913518199769王先生添加PAC后出水COD降低，CODcr4.22mg/L，COD去除率增至98.9％~99.9%(图3)。这一方面是由于PAC的吸附作用；另一方面，添加PAC后，污泥出现膨胀现象，难以沉降，也可能造成COD去除效果的增强。但同时添加PAC和硫酸铝对COD去除效果的提高却不明显。同时添加PAC和硫酸铝时，污泥不再膨胀，污泥沉降比(SV)降至36%~54%。COD去除效果虽然下降，但仍然比未添加时高。4.2NH3-N、浊度和SS的去除RMBR对NH3-N具有良好的去除效果，这得益于膜的截留使世代周期长的硝化菌得以富集。出水无色、无味，SS未检出，浊度也很低(表2)，显示出膜对胶体和微生物的完全截留。但硫酸铝的加入使出水NH3-N增至2.46~3.23mg/L，这可能是硫酸铝的加入抑制了硝化作用。表2RMBR对NH3-N、浊度和SS的去除情况Table2NH3-N、turbidityandSSineffluent项目NH3-N/mgL-1浊度/NTU悬浮固体(SS)原水16~4099/出水0~1.53(未加硫酸铝)2.46~3.23(添加硫酸铝)0.10~0.42未检出4.3临界膜通量及添加PAC和硫酸铝的影响临界膜通量（CriticalMembraneFlux,CMF）指不随时间下降的平衡膜通量[8]。在该条件下，粒子脱离膜表面的速率与沉积速率相等，达成动态平衡。本试验中，每次考察临界膜通量时，先让清洗过的膜在该流速下以低膜通量运行2~3h，稳定后调节至考察的膜通量，连续运行1d，如果透膜压力不增大，膜通量下降不大于2.5%，则把该通量作为膜的平衡通量，其最大值即临界膜通量。从图4可见，临界膜通量随膜侧污水流速的增大而增大。添加PAC后，膜侧流速在0.9~1.9m/s的范围内时，临界膜通量比未添加时高出约4~10L/（m2·h）。添加PAC，组合添加PAC和硫酸铝可有效提高临界膜通量。在1.9m/s的膜侧流速下，临界膜通量可从72L/(m2•h)分别增至76L/(m2•h)和81L/(m2•h)。添加PAC后，PAC粒子增强了循环液对膜表面的剪切、擦洗作用，延缓了膜污染的形成。另外，PAC的吸附作用不仅减少了微生物对膜的污染，而且作为有机大分子胶粒（团）和微生物的载体，也使微细粒子的数目减少，而小粒径粒子比大粒径粒子更易造成膜孔堵塞[9]，这在一定程度延缓了污染物在膜表面的形成，提高了临界膜通量。同时添加PAC和硫酸铝时，由于硫酸铝的絮凝作用，体系中的小粒径粒子数目进一步减少，膜污染得到进一步的延缓，临界膜通量也进一步增大。4.4临界循环比及添加PAC和硫酸铝的影响定义临界循环比为经过膜组件的循环水量与临界膜通量之比，它反应了膜的透水能力与体系的能耗，循环比值越低，能耗也越低。在临界循环比下，体系的能耗已降至最低程度。杭州凯宏膜论文库SMBRTEL：0571-8896317913518199769王先生添加PAC及组合添加PAC和硫酸铝时临界循环比比未添加时分别低约10%和20%(图5)。4.5温度对出水通量的影响随着温度的升高，泥水混合液粘度降低，膜通量随之升高(见图6)。在温度22~30˚C，透膜压力70kPa，膜侧流速1.3m/s的条件下，每增大1˚C，膜通量增大1.9%。4.6膜的清洗经过一段时间运行，透膜压力升高，膜通量下降，这表明膜已污染。膜污染是由于微粒，胶体粒子或溶质大分子在膜表面和膜孔吸附、沉积，造成孔径变小或堵塞。本试验用3种方法对已污染的膜进行清洗：水洗，水+碱洗，水+碱洗+酸洗。水洗是