影響一體式平板膜生物反應(yīng)器臨界通量的因素

1、文章編號:1007-8924(200706-0013-04影響一體式平板膜生物反應(yīng)器臨界通量的因素華娟,吳志超3,劉江峰,黃圣散(同濟大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海200092摘要:利用階梯式通量遞增法測定了一體式平板膜-生物反應(yīng)器中的臨界通量,對不同操作條件下測定值的差異進行了考察.通過正交試驗設(shè)計,研究了曝氣強度、污泥濃度(MLSS 和濾液COD (SCOD 三個因素分別在0.8,1.2,1.5m 3/h;10,20,30g/L 和50,100和150m g/L 水平下對臨界通量測得值的影響.研究發(fā)現(xiàn),污泥濃度和SCOD 均對臨界通量測得值呈負影響作用,而曝氣強度則起正作用.

2、隨著污泥濃度和SCOD 的增大,臨界通量測得值是逐步減小的;而曝氣強度的增大在一定程度上可以提高臨界通量值.其中,臨界通量測定值受SCOD 的影響最大,MLSS 次之,曝氣強度最小.關(guān)鍵詞:膜生物反應(yīng)器;平板膜;曝氣量;污泥濃度;濾液COD;臨界通量中圖分類號:X703.1文獻標識碼:A象的較少.針對于此,本文做了一體式平板膜-生物反應(yīng)器中臨界通量影響因素的研究.1材料與方法1.1試驗裝置圖試驗采用如圖1所示的一體式平板膜-生物反應(yīng)器裝置.試驗所用污泥均取自穩(wěn)定運行3個月以上的MBR 中試裝置,并通過改變負荷和泥齡得到不同污泥濃度和不同SCOD 值的試驗所用污泥.在此期間,模擬生活污水進行配水

3、.配水成分見表1.表1配水成分Table1Compositionoffeedmg/L葡萄糖蛋白胨氯化銨磷酸氫二鈉碳酸氫鈉2002002550200試驗所用平板膜為PVDF 材質(zhì),膜有效面積為0.175m 2,上海某研究所提供.反應(yīng)器有效容積為33L,升流區(qū)與降流區(qū)之比12.氣泵提供氣量并經(jīng)收稿日期:2006-06-26;修改稿收到日期:2006-08-10基金項目:上海市科委自然基金資助項目(052312046作者簡介:華娟(1981-,女,江蘇省無錫市人,碩士,主要研究方向為水污染控制工程.3通訊聯(lián)系人第27卷第6期膜科學(xué)與技術(shù)Vol.27No.62007年12月MEMBRANESCIENC

4、EANDTECHNOLOGY Dec.20071.貯泥槽;2.進泥泵;3.反應(yīng)器;4.膜組件;5.穿孔曝氣管;6.氣泵;7.壓力計;8.出水泵;9.出水圖1試驗裝置圖Fig.1Schemeofex perimentalsetu p反應(yīng)器中,以保證液面高度的變化帶來的壓力計讀數(shù)的變化.1.2正交試驗設(shè)計采用三因素三水平的正交試驗設(shè)計表,三因素分別為曝氣強度(m3/h、污泥濃度MLSS(g/L和SCOD(mg/L.曝氣強度分別選用:1,118和215 m3/h三個水平;污泥濃度選用10,15和20g/L三個水平;SCOD值分別為50,100和150m g/L.1.3臨界通量的測定方法臨界通量測定采

5、用通量階梯式遞增法2.即在一定操作條件下,選用固定的起始通量值運行一段時間T后,考察操作壓力p的變化.若p無變化,則可認為該操作通量低于此操作條件下的臨界通量值,可以穩(wěn)定運行;此時提高運行通量,再次觀察p的變化,直至運行至某通量時,p發(fā)生劇變,此時可認為該運行通量已高于臨界通量.確切的講,實驗最后得出的臨界通量只是一個范圍2.為避免起始通量、T和遞增通量的不同帶來的測定誤差,試驗中固定起始通量10L/(m2h,T15min,遞增通量3L/(m2h,并將p大于或等于266.6Pa(若按此速率上升,操作壓力在一天之內(nèi)增大16kPa視為壓力發(fā)生突變,運行不穩(wěn)定.如圖2所示,操作壓力在通量J2運行時發(fā)

6、生突變,此時我們可認為在該操作條件下,臨界通量值介于J1和J2之間.另外,在整個試驗過程中,反應(yīng)器內(nèi)恒溫控制在20左右,故可以忽略溫度對污泥黏度產(chǎn)生的影響,及對最終臨界通量測定值的影響10.2結(jié)果與討論2.1臨界通量測定結(jié)果按照正交試驗設(shè)計表,得到試驗19的不同臨圖2臨界通量測定示意圖Fig.2Schemeofcriticalfluxdetermination界通量測得值,如表2所示.表2正交試驗臨界通量測定結(jié)果Table2Resultsoftheortho gonalex periment序號曝氣強度/(m3h-1(AMLSS/(gL-1(BSCOD/(mgL-1(C臨界通量測得值/(Lm-

7、2h-1 1110502931 21151002931 312015028304 1.81010031335 1.81515026286 1.8205029317 2.51015028308 2.5155033359 2.52010026282.2正交試驗數(shù)據(jù)分析由于試驗所得的臨界通量是一個范圍,故在方差分析中對測得的臨界通量范圍取中間值進行分析,最終得如表3所示結(jié)果.表3方差分析結(jié)果Table3Resultsoftheanal ysisofvarianceK1899194K2899189K3908685因素主到次SCOD>MLSS>曝氣強度優(yōu)化方案A3B1C1或者A3B2C12.

8、3討論通過對臨界通量測得值進行方差分析,可以明14膜科學(xué)與技術(shù)第27卷 顯看出對于同一材質(zhì)的平板膜而言:其臨界通量值受SCOD的影響最大,其次是MLSS的濃度,再次是曝氣強度.在實驗所列的水平范圍之內(nèi),當SCOD 值為50m g/L,曝氣強度為2.5m3/h,MLSS為10或15g/L時,測得的臨界通量值最大.這可以從以下幾點來說明:1在一體式-平板膜生物反應(yīng)器中,SCOD主要是一些溶解性有機物,其中部分來自微生物的內(nèi)源代謝,如胞外酶聚合物(EPS等.而EPS是導(dǎo)致膜污染的重要物質(zhì)之一5-8.Fan等10人發(fā)現(xiàn),膠體顆粒的濃度與可溶性EPS的濃度有密切的相關(guān)性,而可溶性EPS濃度與臨界通量值幾

9、乎成負線性相關(guān).這可以在一定程度上佐證我們的實驗結(jié)果,即隨著SCOD值的增大,臨界通量測定值是減小的.為此,我們測定了試驗1、試驗4和試驗7中混合污泥中可溶性EPS的濃度,結(jié)果如表4所示.試驗測得的溶解性EPS的濃度及多糖濃度與SCOD值雖然無明顯的線性相關(guān)性,但是兩者濃度均隨著SCOD值的增大而增大.這與上面的推測是相符的.2有關(guān)MLSS濃度對膜污染的貢獻很早就引起了廣大學(xué)者的注意.Yamamoto等12認為在一體式-膜生物反應(yīng)器中存在著一個極限MLSS濃度,在30g/L左右:當污泥濃度高于此濃度時,膜污染將迅速發(fā)生;而當MLSS濃度低于此值時,若反應(yīng)器中水力條件良好則不會導(dǎo)致嚴重的膜污染發(fā)

10、生.表4SCOD濃度、溶解性EPS濃度及多糖濃度Table4ConcentrationsofSCOD,solubleEPS3EPS的測定采用熱萃取法8;多糖的測定采用蒽酮-硫酸法11;SEPS指可溶性EPS.本試驗中,MLSS濃度在1020g/L之間變化,并沒有達到Y(jié)amamoto等人認為的極限濃度,故在試驗中表現(xiàn)出來的其對臨界通量測定值的影響并不十分明顯.方差分析得出的最優(yōu)方案中,曝氣強度和SCOD值分別為2.5m3/h和50m g/L的情況下,10g/L與15g/L的MLSS濃度并沒有區(qū)別.這可能是在較大的曝氣強度下,反應(yīng)器中的水力循環(huán)條件較好,膜表面沖刷作用較強所致.另外,Fan等10的

11、研究也曾發(fā)現(xiàn)MLSS濃度與臨界通量值之間沒有明顯的關(guān)系.他認為是反應(yīng)器中良好的水力循環(huán)條件和膜面沖刷作用很好地減緩了污泥顆粒在膜表面的累積的原因.3在一體式平板膜-生物反應(yīng)器中,膜面的沖刷作用是主要是由曝氣強度和反應(yīng)器的構(gòu)型共同決定的.而在反應(yīng)器構(gòu)型一定的情況下,曝氣強度則成了主要因素.一般的,膜面沖刷作用越強,越不容易形成泥餅層,膜污染趨勢相對減弱13.由于臨界通量的測定過程可以看成是一個短期運行過程,在此期間,較大的曝氣強度使得膜面沖刷作用加強,從而膜面泥餅層污染有減緩作用,最終表現(xiàn)為測得的臨界通量值較大.當然,反映其中污泥濃度的變化會導(dǎo)致膜面沖刷作用的不同.隨著污泥濃度的增大,污泥粘度上

12、升,膜面上升流速減小,膜污染趨勢加劇,臨界通量測得值就會相應(yīng)減小.3結(jié)論1SCOD對臨界通量測得值的影響明顯強于MLSS,而MLSS的影響又大于曝氣強度對臨界通量測得值的影響.2在本試驗水平范圍內(nèi),SCOD值為50m g/L,曝氣強度為2.5m3/h,MLSS為10g/L或15g/L 時,測得的臨界通量值最大.3當MLSS濃度在1015g/L之間變化時,在曝氣強度較大,SCOD值較小的情況下,臨界通量測定值幾乎不受MLSS濃度的影響.參考文獻1FieldRW,WuD,HowellJA,et al.Criticalfluxcon2ceptformicrofiltrationfoulin gJ.J

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14、Sub-criticalfluxfoulinginmembranebioreactorsareviewofrecentlitera2 tureJ.Desalination,2005,174:221-230.5俞開昌,文湘華,卜慶杰,等.次臨界操作下的膜污染機理研究J.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2005,5:23-27. 6魏春海,黃霞,趙曙光,等.SMBR在次臨界通量下的運第6期華娟等:影響一體式平板膜生物反應(yīng)器臨界通量的因素15行特性J.中國給水排水,2004,20:11-13.7LeeWontar,KangSeoktae,ShinHangsik.Slud gecharac 2teristic

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19、easuredbyusin gthefluxstepwise method,andthedifferencesofcriticalfluxvaluewereinvesti gatedb yortho gonaldesi gnofdifferentexperimen 2talconditionsincludin gaerationintensitiesof0.8m 3/h,1.2m3/h,and1.5m 3/h;MLSSconcentrationof10g/L,20g/L,and30g/L;andsolublechemicaloxygendemand (SCOD of50m g/L,100m g

20、/L,and150mg/L,res pectively.Itwasfoundthattheim pactsofMLSSconcentrationandSCODofthemeasuredcritical fluxwerene gative,whiletheaerationintensit ywas positive.ThecriticalfluxesdecreasedwiththeincreasesofbothMLSSconcentrationandSCOD,whileincreasedwiththeincreasin goftheaerationintensity.Theorderofthefactorsaffectingthecriticalfluxis:SCOD,MLSSconcentration,andaerationintensity.Ke ywords:membranebioreactor;flatmembrane;aerationintensit y;MLSSconcentration;SCOD;criticalflux