動態(tài)膜處理污水處理廠的運行

動態(tài)膜處理污水處理廠的運行

膜生物交換（mlr）是一種膜分離和生物交換于一體的污水處理新技術(shù)。由于膜的高效分離性能，與傳統(tǒng)的活性廢水處理方法（cas）相比，mlr具有許多顯著的優(yōu)點。這被認為是污水處理和提取的最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。目前，從技術(shù)角度來看，mlr技術(shù)相對成熟，但其普及和應(yīng)用非常理想。重要的問題是，通常使用的有機或無機膜價格很高，因此mlr技術(shù)的投資非常高。很難控制膜污染。眾所周知,在MBR的運行中,膜表面會產(chǎn)生污染層,大大降低了膜的通量.但從另外一個角度看,膜表面的污染層增強了膜的截留能力,使微濾膜可以截留病毒甚至小分子有機物,就象在原有的膜之上又增加了一層膜.一些研究者稱之為動態(tài)膜(dynamicmembrane)或次生膜(secondmembrane).這種現(xiàn)象啟發(fā)我們,有可能主動利用這種動態(tài)膜的過濾能力對生物反應(yīng)器的混合液進行固液分離.本文采用一種孔徑為0.1mm左右的篩絹制成平板型過濾組件,代替微濾膜(或超濾膜)形成一體式的MBR,利用運行過程中形成于組件表面的動態(tài)膜過濾出水,并研究了這種MBR對城市污水的處理效果.由于動態(tài)膜是在過濾過程中形成的,主要由微生物及其代謝產(chǎn)物組成,其組成及厚度都可能隨時間及生物反應(yīng)器運行等條件的變化而變化,故而稱之為生物動態(tài)膜(dynamicbio-membrane).相應(yīng)地,將這種MBR稱為動態(tài)膜-生物反應(yīng)器(DynamicMembraneBioreactor,DMBR).為了方便比較,本文將目前使用的各種人工合成的膜(如中空纖維膜)稱為固定膜.1試驗材料和方法1.1生物反應(yīng)器及反應(yīng)器h圖1是一體式DMBR的示意圖.圖中動態(tài)膜組件的結(jié)構(gòu)類似于平板膜,由0.1mm的篩絹包裹形成過濾面,濾液透過過濾面進入膜組件內(nèi)的空腔,并通過出水收集管流出反應(yīng)器,成為DMBR的出水.DMBR在液面與出水口之間的高差ΔH的驅(qū)動下自流出水.本試驗中,動態(tài)膜組件的最大過濾面積為2.7m2,根據(jù)需要增減膜片數(shù)量可以改變總過濾面積.生物反應(yīng)器的有效容積為140L.反應(yīng)器內(nèi)設(shè)導(dǎo)流板,將反應(yīng)器分為左右2部分,如圖1所示.在反應(yīng)器的左側(cè)底部設(shè)穿孔曝氣裝置,其曝氣稱為側(cè)向曝氣;在反應(yīng)器右側(cè)底部膜組件的下方也設(shè)有穿孔曝氣裝置,其曝氣稱為下方曝氣.在反應(yīng)器的日常運行中,通過側(cè)向曝氣一方面向混合液供氧,另一方面推動混合液在反應(yīng)器內(nèi)形成循環(huán)流動(如圖1所示),維持反應(yīng)器內(nèi)的完全混合狀態(tài),并在反應(yīng)器的右側(cè)形成自上而下的膜面錯流.下方曝氣的作用主要是提供較強的氣水多相流,通過短時間內(nèi)強烈的下方曝氣強化對動態(tài)膜表面污染的控制.側(cè)向曝氣與下方曝氣交替一次稱為一個曝氣周期.1.2污水cod和nh3-n波動范圍及測試方法接種污泥取自于清華大學(xué)環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室中試基地的氧化溝污泥,接種污泥濃度為3.97g/L.試驗用水取自清華大學(xué)北區(qū)一號樓后污水泵站,該污水主要由學(xué)生宿舍區(qū)、家屬區(qū)、教學(xué)區(qū)以及食堂的生活污水以及部分實驗室的廢水組成.試驗時間從2001-09-30～2001-11-15,試驗期間污水水質(zhì)的COD波動范圍為148～378mg/L,NH3-N波動范圍為20.5～49.7mg/L.污水先從設(shè)在本實驗室內(nèi)的高位水箱自流入一貯水箱,再由計量泵(IWAKIEH-C35VC-220R4型電磁計量泵)給入反應(yīng)器.反應(yīng)器SRT和HRT分別控制在3.5h和40～47d.曝氣周期設(shè)為1d,即每天在膜組件下方曝氣一次,時間為5min.在運行的前16天,混合液溫度為18℃～25℃.后由于氣溫突然下降,致使水溫下降到15℃以下,故在第16天后采取了加溫措施,使生物反應(yīng)器內(nèi)的溫度維持在26℃～28℃.從運行的第20天開始排泥,每天排出混合液1～3L.試驗期間,除特別說明外,進水、混合液及出水的水樣都是在下方曝氣2h之后采集,進水取自給水計量泵的出水口.COD的測試方法采用重鉻酸鉀法,TOC采用島津TOC-5000分析儀測定,SS、VSS采用減重法測定,分析測定方法見文獻.反應(yīng)器的出水水位差通過設(shè)在反應(yīng)器一側(cè)的測壓管讀取.2結(jié)果與討論2.1動態(tài)膜對ss的截留效果與傳統(tǒng)的活性污泥法(CAS)污水處理工藝相比,MBR工藝的最大優(yōu)點之一是通過膜的高效截留作用獲得良好的固液分離效果,使出水中的SS幾乎為0.這樣,一方面可以獲得高的出水質(zhì)量,另一方面也可以使反應(yīng)器內(nèi)保持較高的污泥濃度,使反應(yīng)器在高容積負荷、低污泥負荷下運行.因此,動態(tài)膜能否替代固定膜構(gòu)成MBR的前提條件是,動態(tài)膜對SS有良好的截留能力.本階段共運行46d,其中有32d對出水SS進行了檢查,出水中檢出有SS的次數(shù)為7次,出水SS最高為4.05mg/L,其余25d出水中未檢出SS.這表明,動態(tài)膜對SS有較好的截留能力.盡管本試驗期間混合液的性質(zhì)與反應(yīng)器的運行條件都曾有比較大的變化,如反應(yīng)器MLSS最低為3.72g/L、最高為9.96g/L,SV最低為27%、最高時超過95%,但動態(tài)膜對SS的截留效果都很穩(wěn)定.與傳統(tǒng)的CAS工藝相比,MBR內(nèi)污泥的粒徑要小一些,絕大部分物料的粒徑小于50μm.本研究中支承動態(tài)膜的篩絹的孔徑約為0.1mm,可以認為,動態(tài)膜組件對SS的截留主要不是由于篩絹本身的截留作用.圖2是下方曝氣后,出水中的SS隨時間的變化.從圖2可以看到,由于下方曝氣的強度很大,對篩絹表面的動態(tài)膜有強烈的沖刷作用,因此在下方曝氣后最初的出水SS相當(dāng)高,如下方曝氣后的第1min內(nèi)出水的平均SS達到2270mg/L,可以認為經(jīng)過下方曝氣后動態(tài)膜被完全破壞.隨著過濾時間延長,出水中的SS不斷下降,到第30min時即降到10mg/L以下,第35min后出水中即檢測不到SS.這表明:①隨著過濾進程,動態(tài)膜可以在比較短的時間內(nèi)生成并達到良好的過濾效果;②篩絹本身對SS并沒有很強的截留作用,特別是缺乏對微細顆粒的截留作用.在更早的試驗中還發(fā)現(xiàn),下方曝氣后如果不讓反應(yīng)器立即進水,而在72h之后才恢復(fù)進水,則出水中SS隨時間的變化規(guī)律與圖2類似.說明只有在濾液透過過濾組件時才可能形成動態(tài)膜.由于動態(tài)膜對SS的良好截留作用,本階段試驗開始后,反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度穩(wěn)步增長,如圖3所示.到第18天時,反應(yīng)器內(nèi)的MLSS濃度從3720mg/L增加到約7000mg/L以上,在第29天出現(xiàn)最高值9960mg/L.根據(jù)計劃,本階段將MLSS控制在7000～8000mg/L.為此從運行的第20天開始排泥.第20天至第29天,每天從反應(yīng)器內(nèi)排出混合液1L,目前每天排泥2L.估算下方曝氣后一段時間內(nèi)流出反應(yīng)器的污泥量以及采樣損失的污泥量,折算成混合液的體積在1L～1.5L間,可以計算反應(yīng)器的污泥齡為40～47d.從圖3可以看到,開始排泥后,反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度基本維持在7000～8000g/L之間.2.2動態(tài)膜對cod的去除效果圖4是試驗期間DMBR對COD的去除情況.從圖4可以看到,進水COD雖然變化幅度較大(148～372mg/L),但多數(shù)情況下在200～250mg/L.試驗期間除第9天出現(xiàn)異常外,DMBR出水的COD均小于50mg/L,系統(tǒng)對COD的總?cè)コ驶旧洗笥?0%.在DMBR中,微生物對COD的去除起主要作用.但值得注意的是,動態(tài)膜對COD具有一定的去除作用,這一點與普通MBR中固定膜的作用類似.如圖4所示,動態(tài)膜對上清液中COD的去除率平均為28.74%(9.89%～64.01%).說明動態(tài)膜不僅可以去除不溶解的顆粒物,對一部分的膠態(tài)物或大分子的有機物也有一定的去除效果.關(guān)于這一點,在比較上清液與出水的TOC時同樣得到證實.如圖5所示,動態(tài)膜對上清液中TOC的去除率平均為36.9%(-1.88%～75.86%).MBR生物反應(yīng)器上清液中的TOC主要由溶解性微生物產(chǎn)物(SolubleMicrobialProduct,SMP)組成,SMP主要由相對分子質(zhì)量小于3000的小分子物質(zhì)以及相對分子質(zhì)量大于60000的大分子物質(zhì)組成,其中大分子物質(zhì)約占1/3.DMBR對上清液中TOC的去除可能主要表現(xiàn)在對這部分大分子物質(zhì)的截留上.動態(tài)膜對上清液TOC的去除率要高于對COD的去除率的原因可能是,一些大分子的有機物不被重鉻酸鉀氧化,因而不能在COD的指標(biāo)中得到反映.顯然,基網(wǎng)本身不可能對溶解性的物質(zhì)產(chǎn)生截留作用,從而進一步表明了動態(tài)膜的存在.2.3dmbr的耐氧化性MBR工藝的又一個主要優(yōu)點是,通過膜的高效截留作用可以將世代期較長的菌種,如硝化細菌截留在反應(yīng)器內(nèi),達到對氨氮或者一些難降解有機物的良好去除效果.圖6是DMBR對氨氮的去除情況.圖6顯示,反應(yīng)器從開始運行到第13天,對NH3-N的去除率持續(xù)上升,從38.46%增加到80.92%,充分說明硝化菌被有效地截留在反應(yīng)器內(nèi)并大量繁殖.這一階段混合液中的溶解氧濃度基本上大于2～3mg/L.但從第15天開始,DMBR對氨氮的去除效果急劇下降.造成這一現(xiàn)象的原因有:①在反應(yīng)器運行的第15天前后,氣溫從25℃左右陡降到約15℃,對硝化菌的代謝及生長造成強烈的沖擊;②這次降溫后,污水的水質(zhì)也發(fā)生明顯變化,表現(xiàn)出冬季城市污水的特點,從圖3和圖5可以看到進水中COD和NH3-N的濃度在第15天之后顯著增加.負荷增加對異養(yǎng)菌的沖擊可能不太明顯,但對硝化菌的沖擊卻比較顯著;③穿孔管曝氣方式的氧傳遞效率低下,在有機負荷陡增后,反應(yīng)器內(nèi)供氧不足的矛盾加劇,加之隨污泥濃度增加氧的傳遞效率降低,導(dǎo)致在運行的第15天后反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度下降到0.5mg/L以下,嚴重時僅為0.3mg/L左右.溶解氧的匱乏是造成氨氮去除效果急劇下降的主要原因.由于種種原因,供氧不足的問題未能及時解決,盡管曾嘗試增加曝氣量,但效果不太明顯.反應(yīng)器運行到第37天更換曝氣方式為微孔曝氣后,反應(yīng)器內(nèi)溶解氧的濃度增加到3mg/L左右,當(dāng)天DMBR對氨氮的去除效果就達到98.46%.進水中的NH3-N為39.65mg/L,出水中NH3-N為0.61mg/L.說明只要反應(yīng)器內(nèi)供氧充足,DMBR可以達到很好的氨氮去除效果.試驗中未發(fā)現(xiàn)動態(tài)膜對氨氮有截留效果,這一點與固定膜一樣.2.4hs及膜過濾阻力的變化試驗期間,反應(yīng)器的進水流量平均為670mL/min,反應(yīng)器的HRT為3.5h.在某一動態(tài)膜面積下,動態(tài)膜為恒定流量過濾.試驗中發(fā)現(xiàn),在一個曝氣周期中,出水水位差ΔH僅在開始出水后的一段時間內(nèi)發(fā)生變化,變化趨勢如圖7所示.出水約30min后,ΔH逐漸達到一穩(wěn)定值ΔHS.自排泥運行后,除在第37天改變了反應(yīng)器的曝氣方式外,生物反應(yīng)器的運行條件一直沒有人為改變.從開始運行到第42天,動態(tài)膜組件的過濾面積設(shè)為2.7m2,膜通量平均為14.9L/(m2·h),與常見一體式MBR的膜通量相當(dāng).在此通量下,DMBR的運行十分平穩(wěn).從第16天～第42天,反應(yīng)器的ΔHS相當(dāng)穩(wěn)定,基本上保持為5.8mm,僅隨反應(yīng)器進水流量的波動略有波動.第43天～第45天,將過濾面積減小為2.1m2,膜通量上升為19.1L/(m2·h),相應(yīng)地穩(wěn)定出水水位差ΔHS增加到8mm.當(dāng)過濾面積進一步減小到1.8m2、膜通量為22.3L/(m2·h)后,初步顯示在其它操作條件都不變的情況下,系統(tǒng)仍很穩(wěn)定,表明尚未達到動態(tài)膜的臨界通量.根據(jù)有關(guān)研究,在有膜面錯流的微濾及超濾中存在臨界通量現(xiàn)象,當(dāng)膜工作在臨界通量以上時,即使提高過濾壓力也不能使過濾長時間持續(xù)進行下去.關(guān)于動態(tài)膜臨界通量的問題,尚有待進一步研究.由于是恒定通量過濾,ΔH的變化實際上反映了相應(yīng)通量下動態(tài)膜過濾阻力的變化.動態(tài)膜過濾阻力主要應(yīng)由3方面的因素決定:①動態(tài)膜自身的通透性,主要由動態(tài)的膜厚度及內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)決定;②混合液的可過濾性,主要由混合液污泥濃度和粒度組成、膠體及大分子有機物的濃度及組成等決定;③膜面錯流速度.這些內(nèi)容也是今后研究的重點.在一個曝氣周期初始的一段時間里,ΔH的變化反映了動態(tài)膜形成與發(fā)展的過程.根據(jù)多次的觀察,ΔH約在30min后達到穩(wěn)定值ΔHS.圖7與圖2相對照可以發(fā)現(xiàn),ΔH與出水SS的變化規(guī)律很相似,都約在30min時逼近一極限值,暗示動態(tài)膜在這個時間段內(nèi)基本形成,并在隨后的過濾操作中保持穩(wěn)定.膜的過濾阻力可以用下式表示:R=ΔpμJR=ΔpμJ式中,R:過濾阻力(m-1);Δp:過濾壓力(Pa);μ:濾液的動力粘度;J:膜通量(m/s).根據(jù)上式,當(dāng)平均膜通量為14.9L/(m2·h)時,如忽略濾液在出水管路中的流動阻力及運動水頭,計算運行中動態(tài)膜的總過濾阻力RT=1.56×1010m-1.在通常的一體式MBR中,固定膜的膜過濾阻力在1012～1014m-1數(shù)量級.與固定膜相比,動態(tài)膜的過濾阻力要低2～4個數(shù)量級.3dmbr的應(yīng)用本文采用一種0.1μm篩分孔徑的篩絹制成平板型過濾組件,與生物反應(yīng)器構(gòu)成一體式的DMBR.當(dāng)混合液透過新鮮的基材時,在大約0.5h內(nèi),基材表面就能形成具有良好過濾效果的過濾層,本文稱之為生物動態(tài)膜.動態(tài)膜可以將幾乎所有的SS以及部分的溶解性COD或TOC截留在生物反應(yīng)器內(nèi),并且可以長時間穩(wěn)定地工作,因此動態(tài)膜完全可以滿足建立MBR的需要.應(yīng)用DMBR處理實際的城市污水獲得了良好的處理效果.與使用固定膜的MBR相比,DMBR有下列突出優(yōu)點:①動態(tài)膜的基材廉價易得