影响一体式平板膜生物反应器临界通量的因素

1、文章编号:1007-8924(200706-0013-04影响一体式平板膜生物反应器临界通量的因素华娟,吴志超3,刘江峰,黄圣散(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092摘要:利用阶梯式通量递增法测定了一体式平板膜-生物反应器中的临界通量,对不同操作条件下测定值的差异进行了考察.通过正交试验设计,研究了曝气强度、污泥浓度(MLSS 和滤液COD (SCOD 三个因素分别在0.8,1.2,1.5m 3/h;10,20,30g/L 和50,100和150m g/L 水平下对临界通量测得值的影响.研究发现,污泥浓度和SCOD 均对临界通量测得值呈负影响作用,而曝气强度则起正作用.

2、随着污泥浓度和SCOD 的增大,临界通量测得值是逐步减小的;而曝气强度的增大在一定程度上可以提高临界通量值.其中,临界通量测定值受SCOD 的影响最大,MLSS 次之,曝气强度最小.关键词:膜生物反应器;平板膜;曝气量;污泥浓度;滤液COD;临界通量中图分类号:X703.1文献标识码:A由于固液分离作用好,占地面积小,处理效果佳等优点,膜生物反应器(MBR 在水处理中的应用越来越广泛.但是,膜污染问题一直困扰着我们.如何减轻膜污染,降低运行费用,使得MRB 的运行更加经济化、规模化一直是广大学者关注的问题.长期的研究认为,膜污染可分为缓慢发展和快速发展两个阶段,起始通量的选择对膜污染有很大的影

3、响.1995年,Field 1首次提出了临界通量的概念,并把它定义为:当反应器低于此通量下恒流运行时,膜污染发展缓慢,在短期内几乎看不见;当反应器高于此通量运行时,膜污染将迅速发生并很快导致操作系统的崩溃.在此之后,众多学者2-4对次临界通量操作条件下的膜污染发展趋势、膜污染机理等做了深入的研究.但对临界通量本身影响因素的研究并不多见.事实上,在临界通量的测定过程中,曝气强度、污泥浓度和SCOD 等均对最终的临界通量值有着很大的影响,同时临界通量的测定方法和条件也在一定程度上影响着最终的临界通量值.另外,国外大多以中空纤维膜为研究对象8,9,以平板膜为研究对象的较少.针对于此,本文做了一体式平

4、板膜-生物反应器中临界通量影响因素的研究.1材料与方法1.1试验装置图试验采用如图1所示的一体式平板膜-生物反应器装置.试验所用污泥均取自稳定运行3个月以上的MBR 中试装置,并通过改变负荷和泥龄得到不同污泥浓度和不同SCOD 值的试验所用污泥.在此期间,模拟生活污水进行配水.配水成分见表1.表1配水成分Table1Compositionoffeedmg/L葡萄糖蛋白胨氯化铵磷酸氢二钠碳酸氢钠2002002550200试验所用平板膜为PVDF 材质,膜有效面积为0.175m 2,上海某研究所提供.反应器有效容积为33L,升流区与降流区之比12.气泵提供气量并经流量计调节得到试验所需的曝气强度.

5、操作压力由压力表直接读出.另外,在测定过程中,出水回流至收稿日期:2006-06-26;修改稿收到日期:2006-08-10基金项目:上海市科委自然基金资助项目(052312046作者简介:华娟(1981-,女,江苏省无锡市人,硕士,主要研究方向为水污染控制工程.3通讯联系人第27卷第6期膜科学与技术Vol.27No.62007年12月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGY Dec.20071.贮泥槽;2.进泥泵;3.反应器;4.膜组件;5.穿孔曝气管;6.气泵;7.压力计;8.出水泵;9.出水图1试验装置图Fig.1Schemeofex perimentalsetu p反应

6、器中,以保证液面高度的变化带来的压力计读数的变化.1.2正交试验设计采用三因素三水平的正交试验设计表,三因素分别为曝气强度(m3/h、污泥浓度MLSS(g/L和SCOD(mg/L.曝气强度分别选用:1,118和215 m3/h三个水平;污泥浓度选用10,15和20g/L三个水平;SCOD值分别为50,100和150m g/L.1.3临界通量的测定方法临界通量测定采用通量阶梯式递增法2.即在一定操作条件下,选用固定的起始通量值运行一段时间T后,考察操作压力p的变化.若p无变化,则可认为该操作通量低于此操作条件下的临界通量值,可以稳定运行;此时提高运行通量,再次观察p的变化,直至运行至某通量时,p

7、发生剧变,此时可认为该运行通量已高于临界通量.确切的讲,实验最后得出的临界通量只是一个范围2.为避免起始通量、T和递增通量的不同带来的测定误差,试验中固定起始通量10L/(m2h,T15min,递增通量3L/(m2h,并将p大于或等于266.6Pa(若按此速率上升,操作压力在一天之内增大16kPa视为压力发生突变,运行不稳定.如图2所示,操作压力在通量J2运行时发生突变,此时我们可认为在该操作条件下,临界通量值介于J1和J2之间.另外,在整个试验过程中,反应器内恒温控制在20左右,故可以忽略温度对污泥黏度产生的影响,及对最终临界通量测定值的影响10.2结果与讨论2.1临界通量测定结果按照正交试

8、验设计表,得到试验19的不同临图2临界通量测定示意图Fig.2Schemeofcriticalfluxdetermination界通量测得值,如表2所示.表2正交试验临界通量测定结果Table2Resultsoftheortho gonalex periment序号曝气强度/(m3h-1(AMLSS/(gL-1(BSCOD/(mgL-1(C临界通量测得值/(Lm-2h-1 1110502931 21151002931 312015028304 1.81010031335 1.81515026286 1.8205029317 2.51015028308 2.5155033359 2.520100

9、26282.2正交试验数据分析由于试验所得的临界通量是一个范围,故在方差分析中对测得的临界通量范围取中间值进行分析,最终得如表3所示结果.表3方差分析结果Table3Resultsoftheanal ysisofvarianceK1899194K2899189K3908685k19.6710.3311.33k29.6710.339.67k3108.678.33级差R159因素主到次SCOD>MLSS>曝气强度优化方案A3B1C1或者A3B2C12.3讨论通过对临界通量测得值进行方差分析,可以明14膜科学与技术第27卷 显看出对于同一材质的平板膜而言:其临界通量值受SCOD的影响最大

10、,其次是MLSS的浓度,再次是曝气强度.在实验所列的水平范围之内,当SCOD 值为50m g/L,曝气强度为2.5m3/h,MLSS为10或15g/L时,测得的临界通量值最大.这可以从以下几点来说明:1在一体式-平板膜生物反应器中,SCOD主要是一些溶解性有机物,其中部分来自微生物的内源代谢,如胞外酶聚合物(EPS等.而EPS是导致膜污染的重要物质之一5-8.Fan等10人发现,胶体颗粒的浓度与可溶性EPS的浓度有密切的相关性,而可溶性EPS浓度与临界通量值几乎成负线性相关.这可以在一定程度上佐证我们的实验结果,即随着SCOD值的增大,临界通量测定值是减小的.为此,我们测定了试验1、试验4和试

11、验7中混合污泥中可溶性EPS的浓度,结果如表4所示.试验测得的溶解性EPS的浓度及多糖浓度与SCOD值虽然无明显的线性相关性,但是两者浓度均随着SCOD值的增大而增大.这与上面的推测是相符的.2有关MLSS浓度对膜污染的贡献很早就引起了广大学者的注意.Yamamoto等12认为在一体式-膜生物反应器中存在着一个极限MLSS浓度,在30g/L左右:当污泥浓度高于此浓度时,膜污染将迅速发生;而当MLSS浓度低于此值时,若反应器中水力条件良好则不会导致严重的膜污染发生.表4SCOD浓度、溶解性EPS浓度及多糖浓度Table4ConcentrationsofSCOD,solubleEPSandsolu

12、blecarboh ydrate mg/L 污泥样号SCOD SEPS浓度多糖浓度15081.924.94100109.629.37150123.241.53EPS的测定采用热萃取法8;多糖的测定采用蒽酮-硫酸法11;SEPS指可溶性EPS.本试验中,MLSS浓度在1020g/L之间变化,并没有达到Yamamoto等人认为的极限浓度,故在试验中表现出来的其对临界通量测定值的影响并不十分明显.方差分析得出的最优方案中,曝气强度和SCOD值分别为2.5m3/h和50m g/L的情况下,10g/L与15g/L的MLSS浓度并没有区别.这可能是在较大的曝气强度下,反应器中的水力循环条件较好,膜表面冲刷

13、作用较强所致.另外,Fan等10的研究也曾发现MLSS浓度与临界通量值之间没有明显的关系.他认为是反应器中良好的水力循环条件和膜面冲刷作用很好地减缓了污泥颗粒在膜表面的累积的原因.3在一体式平板膜-生物反应器中,膜面的冲刷作用是主要是由曝气强度和反应器的构型共同决定的.而在反应器构型一定的情况下,曝气强度则成了主要因素.一般的,膜面冲刷作用越强,越不容易形成泥饼层,膜污染趋势相对减弱13.由于临界通量的测定过程可以看成是一个短期运行过程,在此期间,较大的曝气强度使得膜面冲刷作用加强,从而膜面泥饼层污染有减缓作用,最终表现为测得的临界通量值较大.当然,反映其中污泥浓度的变化会导致膜面冲刷作用的不

14、同.随着污泥浓度的增大,污泥粘度上升,膜面上升流速减小,膜污染趋势加剧,临界通量测得值就会相应减小.3结论1SCOD对临界通量测得值的影响明显强于MLSS,而MLSS的影响又大于曝气强度对临界通量测得值的影响.2在本试验水平范围内,SCOD值为50m g/L,曝气强度为2.5m3/h,MLSS为10g/L或15g/L 时,测得的临界通量值最大.3当MLSS浓度在1015g/L之间变化时,在曝气强度较大,SCOD值较小的情况下,临界通量测定值几乎不受MLSS浓度的影响.参考文献1FieldRW,WuD,HowellJA,et al.Criticalfluxcon2ceptformicrofilt

15、rationfoulin gJ.JMembrSci,1995,100:259-272.2ClechPL,JeffersonB,Chan gIS,et al.Criticalfluxdetermination byflux-ste pmethodinasubmer ged membrane bioreactorJ.JMembrSci,2003,227:81-93.3MarianneSM.Criticalfluxincross-flowultrafiltrationof proteinsolutionsJ.Desalination,2005,175:37-47.4PolliceA,BrookesA

16、,JffersonB,et al.Sub-criticalfluxfoulinginmembranebioreactorsareviewofrecentlitera2 tureJ.Desalination,2005,174:221-230.5俞开昌,文湘华,卜庆杰,等.次临界操作下的膜污染机理研究J.环境污染治理技术与设备,2005,5:23-27. 6魏春海,黄霞,赵曙光,等.SMBR在次临界通量下的运第6期华娟等:影响一体式平板膜生物反应器临界通量的因素15行特性J.中国给水排水,2004,20:11-13.7LeeWontar,KangSeoktae,ShinHangsik.Slud g

17、echarac 2teristicsandtheircontributiontomicrofiltrationinsub 2mergedmembranebioreactorsJ.JMembrSci,2003,216:217-227.8Nuen gjamnongC,KweonJH,ChoJ,et al.Influenceof extracellular polymericsubstancesonmembranefoulingandcleanin ginasubmer gedmembranebioreactorJ.Col2loidJournal,2005,67:351-356.9GuiPing,H

18、uan gXia,ChenYing,et al.Effectofo pera 2tional parametersonslud geaccumulationonmembranesurfacesinasubmer gedmembranebioreactorJ.Desali 2nation,2002,151:185-194.10FanaF,ZhouaH,HusainbH.Identificationofwastewa2terslud gecharacteristicsto predictcriticalfluxformem2branebioreactor processesJ.WaterResea

19、rch,2006,40:205-212.11丁钢强,于村,张双凤.食品多糖含量不同测定方法的研究J.食用预防医学,2000,17:325-327.12YamamotoK,HiasaM,MahmoodM,et al .Directsolid-li quidse parationusin ghollowfibermembraneinanac 2tivatedslud geaerationtankJ.WatSciandTech,21(45:43-54.13SilvaCM,ReeveDW,HusainH,et al .Modelforfluxpredictioninhi gh-shearmicrofi

20、ltrations ystemsJ.JMembrSci,2000,173:87-98.Factorsaffectin gcriticalfluxinsubmer gedflatmembranebioreactorHUA Juan ,WU Zhichao ,LIU Jian gfen g ,HUANG Shen gsan(StateKe yLaborator yofPollutionControlandResourceReuse,Ton gjiUniversit y,Shan ghai200092,ChinaAbstract:Thecriticalfluxofsubmergedflatmembr

21、anebioreactorwasmeasuredbyusin 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

22、 of50m g/L,100m g/L,and150mg/L,res pectively.Itwasfoundthattheim pactsofMLSSconcentrationandSCODofthemeasuredcritical fluxwerene gative,whiletheaerationintensit ywas positive.ThecriticalfluxesdecreasedwiththeincreasesofbothMLSSconcentrationandSCOD,whileincreasedwiththeincreasin goftheaerationintensity.Theorderofthefactorsaffectingthecriticalfluxis:SCOD,MLSSconcentration,andaerationintensity.Ke ywords:membranebioreactor;flatm