膜生物反应器运行参数对膜污染的影响

1、膜生物反应器运行参数对膜污染的影响刘小明,熊家晴(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安710055作为一种高效的污、废水生物处理工艺,膜生物反应器(MBR融合了传统的生物处理技术的生物降解功能和膜分离技术的高效分离功能,具有对污染物去除效率高、出水水质稳定、操作管理方便、占地面积少等显著优势,应用前景十分广阔。但是,运行中不可避免的膜污染导致运行费用增加,因而制约了MBR的大规模应用。因此众多学者纷纷从影响膜污染的不同角度展开针对性的研究。在膜的应用过程中,膜污染是不可避免的。膜污染是指在膜过滤过程中,被分离料液中的溶质分子、胶体粒子和颗粒物在膜表面或膜孔内部吸附或沉积,致使膜孔道变小或堵

2、塞,膜表面形成凝胶层或滤饼层,从而造成膜通量降低或者跨膜压差(TMP升高的现象1。膜污染问题缩短了膜的使用寿命,导致了泵的抽吸水头增大和曝气量的增加,从而造成MBR工艺能耗较高。MBR中影响膜污染的因素众多,大致可分3类:膜材料与膜组件特性、反应器运行、操作条件以及污泥混合液特性。几种因素之间又存在相互作用,使得对膜污染变化的预测变得十分复杂。本文仅从影响MBR的操作条件出发,论述了污泥龄、水力停留时间、曝气强度、膜组件运行通量及其他运行参数的控制对膜污染的影响,以期为反应器的实际运行参数的确定和相关的后续研究提供帮助。1污泥龄和水力停留时间对膜污染的影响从生物动力学的角度出发,人们总是希望污

3、泥龄能够足够长以满足那些世代时间较长菌种的要求同时减少剩余污泥产量,提高污泥浓度,从而缩小反应器的设计容积。而且膜的完全分离也使得反应器在较长的污泥龄下的运行成为可能2。膜生物反应器在较低的污泥龄条件下运行时,不仅会增加排泥量,而且会降低膜组件的过滤性,收稿日期:2008-10-10;修回日期:2008-12-30摘要:膜污染是制约膜生物反应器(MBR推广的关键因素。在MBR的实际运行中,各种运行参数如水力停留时间、污泥停留时间、曝气强度、膜运行通量的选取以及其它外加措施等均对膜污染发展有着重要影响。在综合国内外大量文献的基础上,阐述了膜生物反应器的运行参数与膜污染控制之间的关系。关键词:膜生

4、物反应器;运行参数;影响因素;膜污染中图分类号:X505文献标识码:A文章编号:%1009-2455(200903-0012-04Influence of operating parameters of MBR on membrane foulingLIU Xiao-ming,XIONG Jia-qing(School of Environmental and Municipal Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian710055,ChinaAbstract:Membrane fouling is the

5、key factor restricting the popularization of membrane bioreactor(MBR. During the actual operation of MBR,the selection of operating parameters such as:HRT,SRT,aeration intensity, membrane flux and some other external measures has significant influence on the membrane fouling.The relationship between

6、 operating parameters of MBR and membrane fouling was elaborated based on the numerous prior literatures in China and aborad.Keywords:membrane bioreactor;operating parameter;influencing factor;membrane fouling主要原因是随着污泥龄降低,污染物的浓度尤其是可溶性有机产物(SMP会增加,进而导致膜污染速率增加3。Shuang Liang等4发现当污泥龄较短时, SMP在反应器内显著积累。他们还

7、发现在不同的污泥龄条件下,即使反应器内SMP浓度有很大不同,构成SMP的分子颗粒的粒径分布却极为相似。而在常规活性污泥工艺中构成SMP的分子颗粒的粒径分布在很大程度上受到污泥龄的影响。Zubair Ahmed等5利用4组相同的缺氧-厌氧膜生物反应器考察了在不同污泥龄条件下(分别为20、40、60、100d膜污染以及微生物结构随污泥龄的变化情况,结果表明,当污泥龄为20d时膜污染速率要比污泥龄为60d时高出很多;膜丝表面泥饼层阻力以及化合态胞外聚合物(EPS浓度也是随着污泥龄的延长而降低的。试验同时表明膜污染随污泥龄降低而加重的另一个原因是在较低污泥龄工况下的细小颗粒(1m数目比高污泥龄时要多。

8、即验证了胶体颗粒对膜污染的影响不容忽视,尤其是污泥龄维持较低值的情况时。当然,过长的污泥龄尽管可以减少剩余污泥产量却也同时会导致污泥浓度上升和引发传质效率的降低,而且过长的污泥龄可能使微生物处于内源呼吸状态,难免会降低微生物活性甚至造成一定数量微生物的死亡,产生更多的细胞碎片和溶解性代谢产物,从而加重膜污染3。G.Laera等6对在不同污泥龄下的污泥性状进行了长达4a的研究,得出表观黏度a与污泥浓度之间的关系:a=28.939(MLSS(d v/d y-1+(0.233(MLSS+1(1式中:a污泥表观黏度,N/m2;d v/d y污泥剪切速率,s-1。同时指出对于已知确定的污泥龄,MLSS在

9、很大程度上影响了污泥的表观黏度a,并得出了使污泥黏度最小的污泥龄为40d,也因此对MBR反应器的运行提供了积极的参考意义。膜生物反应器实现了污泥龄和水力停留时间的完全分离。尽管过短的水力停留时间会减少占地费用,但往往更容易导致溶解性有机物的积累,以致吸附在膜表面产生膜污染。Visvanathan C.等7研究发现较长的水力停留时间条件下膜污染得以缓解。张绍园等8针对分置式膜生物反应器的试验研究结果也证实了采用过短的水力停留时间将导致系统内的溶解性有机物积累,引起膜通量的下降,并同时从影响水力停留时间的各项因素出发推导出水力停留时间的计算公式如下:HRT=1.1(1/-1(K S+L/K S0(

10、2式中:出水与进水有机物浓度比;K S饱和常数,mg/L;L出水有机物的质量浓度,mg/L;K底物最大比降解速度常数,h-1;S0回流污泥的质量浓度(以MLVSS 计,mg/L。从公式(2可以看出,对外置式膜生物反应器而言,影响其水力停留时间的主要因素为进、出水水质和生物反应器内污泥浓度。如果单纯从控制膜污染角度出发,则可以通过降低污泥回流量的方法来适当延长水力停留时间。2曝气对膜污染的影响膜生物反应器中由曝气产生的气、水二相流对于提高膜通量以及抑制膜污染具有不可忽视的作用。对于膜生物反应器而言,可以分别从曝气量的大小(曝气强度以及曝气方式两方面来讨论对膜污染的影响。Uede T.等9在采用一

11、体式膜生物反应器研究曝气强度对膜丝表面污泥层的去除和抽吸压力的影响时得出:增大曝气强度可减小抽吸压力,气、水二相流对膜丝表面污泥层的控制取决于曝气强度的大小及曝气引起膜丝的摇摆强度。Chang S.等10采用外压外置式膜生物反应器研究气、水二相流对膜过滤性的影响,结果表明曝气能很好的控制颗粒在膜表面的沉积和提高膜通量,同时验证了曝气只对控制可逆污染起作用,对不可逆污染效果并不明显。对于特定的MBR来说,一定范围内增大曝气强度可以改善膜表面污泥层的积累,但是当曝气量超过某一临界值时,继续增大曝气强度的作用就不明显了,因此有人提出了“经济曝气强度”1这一概念,而且也有试验验证了“经济曝气强度”是与

12、混合液的污泥浓度等因素有关的。Fangang Meng等11设计了MBR在不同曝气量(150、400和800L/h下的对比试验,试图从曝气强度对污泥性质以及对膜污染发展过程的影响两个方面解释膜污染。他们发现尽管曝气对于抑制膜污染具有很明显的作用,即曝气量较高时可以产生较大的膜面剪切力,但是因此导致的污泥颗粒粒径的变化却也加重了膜污染;此外在高曝气量时,污泥颗粒的均质性遭到破坏,胶体物质以及可溶性有机物的含量也有升高,也是引起膜污染的重要因素。对膜生物反应器而言,常见的曝气方式主要分两种:一种为气提模式(Air-lift mode,即在整个恒压过滤过程中都曝气;另一种为气喷模式(Air-jet

13、mode,即在膜过滤过程中间歇曝气。李盈利等12采用两个结构相同的一体式膜生物反应器处理生活污水,考察不同曝气方式对运行效果的影响。结果表明:采用连续高强度曝气方式运行的MBR 与采用间歇高强度曝气方式运行的MBR在对COD、氨氮和TN的去除效果方面相差不大;但间歇高强度的曝气方式减少了混合液中胞外聚合物(EPS的释放和溶解性微生物产物(SMP的溶出,有效缓解了膜污染,其单位产水能耗约为前者的60%。3运行通量对膜污染的影响上世纪90年代中期Field、Howell等针对泥饼层污染提出临界通量(critical flux的概念,现已被广泛地应用到膜污染的研究中。广义临界通量是指膜阻力不随时间明

14、显升高的最大膜通量。膜组件在次临界通量(sub-critical flux下运行时,能够避免过滤料液中颗粒沉淀所造成的快速污染,是维持其长期稳定运行的关键因素,即膜组件在次临界通量条件下运行时,膜丝表面也会发生膜污染,但膜污染速率维持在一个稳定且较低的水平下13。魏春海等1的试验验证了膜组件在次临界通量条件下运行时,能够很好地避免因膜丝表面泥饼层的淤积所导致的快速膜污染的发生,并实现了膜组件的长期稳定运行;但是当膜组件在超临界通量条件下运行时,发现膜污染累积现象严重,而且体外化学清洗也没能有效恢复膜组件的过滤性能,进一步证实了临界通量概念的引入对于膜组件长期稳定运行所具有的指导性意义。膜组件的

15、临界通量只为膜长期出水通量的选定提供了一定的参考,但是,膜的出水方式(恒压运行和恒通量运行的选定,对于实现膜组件长期运行并有效抑制膜污染也起到了很重要的作用。已经有研究证实,膜组件采用恒通量出水的操作方式运行时,可较为有效的控制膜污染速率的较快增长,实现膜通量长期保持较高水平,借以延长膜的清洗周期,降低运行费用14。可见,对长期运行的膜出水而言,选定膜组件在膜的临界通量下运行,并采用恒通量的出水方式是有利于控制膜污染的发生。4其他运行条件对膜污染的影响除了以上3个方面对膜污染的影响外,反应器外部环境以及其他针对膜污染控制的外部措施,诸如抑阻剂的投加、环境条件等,也可以作为反应器运行参数选取时的

16、参考。4.1抑阻剂抑阻剂的投加主要在于改善污泥混合液的性质,进而达到减缓膜污染速率的目的。向MBR中投加的抑阻剂通过吸附、絮凝等物理化学作用,实现料液中EPS或者SMP浓度的降低,进而影响膜污染15。用于缓解膜污染的常见的抑阻剂主要是粉末活性炭(PAC以及聚合铝盐、铁盐等。李耀中等16发现膜生物反应器中粉末活性炭的投加可以有效控制膜通量的下降。并且认为其原因是粉末活性炭的投加减少了液相主体中微细胶体和EPS等的含量,并同时提高了污泥絮粒的抗压缩性,因而能在膜表面形成一层动态而疏松的、具有较高孔隙率的滤饼层,使滤饼层阻力及膜过滤总阻力明显降低。Nicolas Lesage等17则通过一组对比试验

17、,分别观察了普通MBR和投加粉末活性炭的MBR反应器,试验结果表明PAC的投加对于COD的去除率没有明显的提高,但是对减少剩余污泥产量、抑制膜污染速率等方面却有很好的效果。4.2温度运行温度是影响微生物活性及生物处理效果的重要条件之一,其过高或过低均会影响系统内部污泥的特性,进而影响膜污染的发展。Sven Lyko19通过对MBR污水厂长达2a的在线观测结果得出较低的温度会加速膜污染,并推测其成因主要是温度降低会导致液态黏度升高,另外温度较低时期污水中有机物浓度也较其他时期偏高。因此建议在展开MBR试验及相关设计时,应考虑冬季低温季节,尽量引进热源,用以保持较高的膜通量和保证污泥混合液中微生物

18、的活性,尽量降低低温条件对膜污染带来的不利影响。4.3外加电场Jun-Ping Chen等20开发了一种在膜丝两边外加电场的新型反应器,用以研究外加电场对膜通量的影响。当MBR运行压力为0.1MPa时,随着外加电场E从15V/cm增加到20V/cm,膜通量呈现先增加后稳定的趋势。作者还观察到随着外加电场电势增加,污泥颗粒的电泳效果明显使得膜丝表面沉积层变薄,因此降低了膜阻力,提高膜通量。但是外加电场能否有效控制膜污染还需进一步研究。5结语MBR运行参数的选择以及运行条件的优化对于有效控制膜污染、延长膜组件使用寿命以及降低反应器的运行费用等方面具有不可忽视的现实意义;此外对于各个运行参数之间的相

19、互作用也应该引起足够重视;同时,对新的膜材料的开发、新式膜反应器的构型、新的膜污染防治技术的探索也应该给予相应关注。参考文献:1魏春海,黄霞,赵曙光,等.SMBR在此临界通量下的运行特性J.中国给水排水,2004,20(11:10-13.2Simon Judd.The status of membrane bioreactor technologyJ.Trends in Biotechnology,2008,26(2:109-116.3Huang X,Gui P,Qian Y.Effect of sludge retention time onmicrobial behaviour in a

20、submerged membrane bioreactorJ.Process Biochemistry,2001,36(10:1001-1006.4Shuang Liang,Cui Liu,Lianfa Song.Soluble microbial productsin membrane bioreactor operation:Behaviors,characteristics and fouling potentialJ.Water Research,2007,41(1:95-101. 5Zubair Ahmed,Jinwoo Cho,Byung-Ran Lim,et al.Effects

21、 ofsludge retention time on membrane fouling and microbial community structure in a membrane bioreactorJ.Journal of Membrane Science,2007,(2:211-218.6G Laera,C Giordano,A Pollice,et al.Membrane bioreactorsludge rheology at different solid retention timesJ.Water Research,2007,41(18:4197-4203.7Visvana

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