分离/曝气微孔膜-生物反应器试验研究
摘要:本文对以聚乙烯微孔管为膜组件的分离/ 曝气微孔膜- 生物反应器进行了研究。通过对微孔膜组件进行分离/ 曝气交替运行,可有效地清除膜组件表面的泥饼层,较好地保持膜过滤性能的稳定。分离/ 曝气微孔膜- 生物反应器用于处理实际生活污水,可获得与传统膜生物反应器相似的出水水质,系统出水COD < 50mg/ L ,NH3 - N < 1mg/ L ,COD 和NH3 - N 去除率分别大于85 %和98 %。
关键词:分离/ 曝气,微孔膜- 生物反应器,膜通量
0 引言
膜—生物反应器(Membrane Bioreactor ,MBR) 是将膜分离技术与污水生物处理技术有机结合而产生的高效水处理新工艺,主要由膜组件和生物反应器两部分构成。因其出水水质好、占地面积小、污泥产量低、运行管理方便等突出优点,在水处理领域正日益得到广泛重视[1 - 2 ] 。根据膜组件和生物反应器的相对位置,可分为一体式膜- 生物反应器和分置式膜- 生物反应器。而一体式膜- 生物反应器是将膜组件直接浸于生物反应器内,利用抽吸泵抽吸出水,结构更为紧凑,能耗相对较低[3 - 4 ] ,近年来受到了特别关注。本研究采用聚乙烯微孔管作为分离/ 曝气微孔膜- 生物反应器的膜组件,在活性污泥混合液条件下测试了微孔管膜组件的过滤性能,并考察了该反应器在分离/ 曝气状态下膜过滤性能的变化及其对实际废水的处理效果。
1 试验装置与方法
1. 1 试验装置
所用试验装置如图1 所示。生物反应器为一长方体容器(300mm ×120mm ×650mm) ,有效容积为16L ,中间设一挡板。膜组件采用山东招远膜天集团公司生产的聚乙烯微孔管,型号为PE - 1 和PE - 4 ,孔径分别为70～120μm 和5～10μm ,过滤面积均为0. 04m2 。膜组件分为两组,置于导流挡板两侧,其出口分别通过两个电磁阀与进气管和出水管连接,出水管上装有水银压差计,然后与抽吸泵相连,在抽吸泵的负压下经过滤获得系统出水。
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1. 2 试验方法
在该分离/ 曝气微孔膜- 生物反应器中,两组膜件以一定的运行周期交替充当过滤分离器和曝气器。如图1 所示,在第一周期内,电磁阀V1、V4 开启,V2、V3 关闭,膜组件M1 与出水管相通,充当过滤分离器;膜组件M2 与进气管相通,充当曝气器,生物反应器内的活性污泥混合液被强制循环,在导流挡板的左侧形成上升流,而在右侧形成下降流。在第二周期内,电磁阀V1、V4 关闭,V2、V3 开启,膜组件M2 与出水管相通,充当过滤分离器;膜组件M1 与进气管相通,充当曝气器,此时,在导流挡板的右侧形成上升流,而在左侧则形成下降流。在任一运行时刻,整个系统均处于好氧状态,并且连续出水。试验原水取自某学生宿舍楼的生活污水,活性污泥取自北京市北小河污水处理厂二沉池回流污泥。每一次试验结束后,均采用次氯酸钠溶液(活性氯含量约为万分之一) 对膜组件进行化学清洗(浸泡时间约为12 小时) ,以清除膜污染,恢复并测其清水膜通量到试验前的水平,如此方进行下一次试验。
2 结果与讨论
2. 1 分离/ 曝气交替运行对膜过滤性能的影响
利用图1 所示的装置并采取如1. 2 所述的方法进行了分离/ 曝气微孔膜- 生物反应器处理生活污水的连续试验,以考察分离/ 曝气交替运行对膜过滤性能的影响,具体的试验条件如表1 所示,其中T 为分离/ 曝气交替运行周期(h) 。
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1) 膜曝气对膜过滤性能的恢复:首先在Run - 1 试验条件下考察了膜曝气对膜过滤性能的恢复效果(图2) 。结果表明,尽管在3 小时的过滤时间内,微孔管的膜通量下降到初始值的一半以下,但通过膜曝气可有效地清除膜面泥饼层,大幅度恢复其膜通量,并使每一运行周期的初始膜通量较好地维持稳定。
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2) 分离/ 曝气交替运行周期对膜过滤性能的影响:由于在每一运行周期内膜组件的膜通量均不断衰减,因此本文采用平均膜通量J a 作为膜过滤性能的评价指标,即Ja = QT/ ( Sm3 T) ,式中QT 为膜组件在每一运行周期内的总产水量(L) , Sm 为膜组件的总膜面积(m2) 。图3 显示了Run - 1～Run - 4 四个试验条件下平均膜通量J a 的变化情况,图中每一个J a 值所对应的时刻为所在运行周期的中点。可以看出,当过滤/ 曝气交替运行的周期在1～6h 之间变化时,系统的平均膜通量J a 均首先经历了初始的下降阶段,然后基本稳定在80 L·(m2·h) - 1左右的水平上,表明在试验时间内膜曝气有效地维持了膜过滤性能的稳定。但也可以发现,交替运行周期的缩短也导致了平均膜通量的波动。这可能是因为过滤/ 曝气交替频繁时,过滤期间泥饼层在膜表面未能稳定形成,由于膜自身阻力在长度方向上分布不均匀,使得被空气吹脱掉的泥饼层在膜表面也呈现出不均衡的分布状态,由此造成膜组件产水能力的波动。
2. 2 分离/ 曝气微孔膜- 生物反应器对生活污水的处理效果
当采取如1. 2 所述的方法进行分离/ 曝气微孔膜- 生物反应器处理生活污水的连续试验时,也考察了该类反应器对COD 及NH3 - N 等污染物的去除情况,以评价其对实际废水的处理效果。
1) COD 去除效果:图4 显示的是在整个连续试验中进水、上清液和PE - 4 膜组件出水的COD 以及整个系统对COD 的总去除率的变化情况。从进水COD 的变化来看,试验用原水属低强度的生活污水,COD平均值为146mg/ L 。上清液COD 较之进水有大幅下降,平均值为29mg/ L ,表明试验阶段活性污泥具有很高的生物降解性能。出水COD 相比上清液又有所下降,平均值为21mg/ L ,最大值为35. 8mg/ L ,表明微孔管不但可以有效截留污泥颗粒及微生物,并且可以进一步强化生物反应器的COD 去除效果。整个系统对COD 的总去除率平均超过85 %。
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2) 氨氮去除效果:图5 显示的是在整个连续试验中进水、上清液和PE - 4 膜组件出水的NH3 - N 以及整个系统对NH3 - N 的总去除率的变化情况。进水NH3 - N 在20～45mg/ L 之间,平均为32mg/ L。上清液NH3 - N 大多小于1mg/ L ,出水NH3 - N 始终未超过1mg/ L ,二者的平均值分别为0. 81mg/ L 和0. 53mg/ L ,表明试验阶段活性污泥具有很高的硝化能力。整个系统对NH3 - N 的总去除率平均超过98 %。
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3 结论
1) 对微孔管膜组件进行分离/ 曝气交替运行,膜曝气可有效地清除膜组件表面的泥饼层,大幅度恢复其膜通量,能较好地维持稳定运行。
2) 考察了膜组件的分离/ 曝气交替运行周期对连续运行过程中膜过滤性能的影响。当交替运行周期由6h 变化到1h ,初始膜通量在60～140 L·(m2·h) - 1变化时,系统在连续运行过程中每一运行周期内的平均膜通量均首先经历了初始的下降阶段,然后基本稳定在50～80L·(m2·h) - 1左右的水平,但低的初始膜通量可以使平均膜通量表现出更好的稳定性。
3) 分离/ 曝气微孔膜- 生物反应器处理实际生活污水,可获得与传统膜生物反应器相似的出水水质,系统出水COD < 50mg/ L ,NH3 - N < 1mg/ L ,COD 和NH3 - N 去除率分别大于85 %和98 %。
参 考 文 献:
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[2 ] ADHAM S ,GAGLIARDO P ,BOULOS L. Feasibility of the membrane bioreactor process for water reclamation[J ] .Water Science and Technology , 2001 ,43 (10) :203 - 209.
[3 ] YAMAMOTO K, HIASA M, MAHMOOD T. Direct solid - liquid separation using hollow fiber membrane in an activated sludge tank[J ] .Water Science and Technology , 1989 ,21 (4 - 5) :43 - 54.
[4 ] UEDA TATSUKI , HATA KENJ I. Domestic wastewater treatment by a submerged membrane bioreactor with gravitational filtration[J] .Water Research August , 1999 ,l33 (12) : 2888 - 2892.
[5 ] WAKEMAN R J , WILLIAMS C J . Additional techniques to improve microfiltration [J ] . Separation and Purification Technology ,2002 , (26) :3 - 18.
[6 ] 刘锐. 一体式膜- 生物反应器长期运行中的膜污染控制[J ] . 环境科学,2000 ,21 (2) :58 - 61.
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