MBR的临界膜通量及其影响研究

1、第3卷 第9期2009年9月环境工程学报V o l . 3, N o. 9Sep . 2009MBR 的临界膜通量及其影响研究李顺义 位红卫 吕斯濠 李 伟 王 岩(郑州大学化工学院环境科学系, 郑州450001摘 要 采用通量阶梯式递增法测定了M BR 的临界膜通量, 研究了膜面气液两相流流速对临界膜通量影响, 并考察次临界膜通量下M BR 处理垃圾渗滤液的运行特性。试验结果表明, 膜面气液两相流流速对临界膜通量影响较大, 膜面气液两相流流速由019m /s增至118m /s, 临界膜通量由1214L /(m2#h 增加至1618L /(m 2#h, 两者呈显著正相关关系, 相关系数为019

2、97。次临界膜通量下运行时, 膜污染包括不可逆污染和可逆污染2个阶段:不可逆污染阶段以凝胶层污染为主, 占总量的72%, 而可逆污染阶段以滤饼层形成的阻力为主, 占总阻力的6815%。关键词 M BR 膜污染 临界膜通量 次临界膜通量中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2009 09-1585-04R esearch of critical m e mbrane fl ux and its factors i n M BRLi Shuny i W eiH ong w ei L S i h ao LiW ei W ang Y an(Depart m en t of

3、 Env i ron m en tal Science , C ollege ofC he m ical Engi n eeri ng , Zhengz h ou U n i vers it y , Zhengz hou 450001, Ch i naAbst ract The critical fl u x ofMBR i n trea ti n g landfill leacha te was deter m i n ed using the fl u x -step m ethod i n the experi m en, t and the i n fluence o f the ve

4、locity o f gas liquid t w o phase flo w at the m e mbrane surface on crit-i ca l flux w as investi g ated 1The result i n dicated that the t w o phase flo w velocity cou l d affect t h e critical fl u x dra -m atically 1W h ile t h e t w o phase fl o w ve loc ity w as i n creased fro m 019m /sto 118

5、m /s, the critical flux would i n -22crease fro m 1214L /(m #h to 1618L /(m#h 1Their corre lation presented linearl y because of the coe-fficient of 019971The operation characteristi c s under sub-critica l fl u x revea led that the m e m brane fouli n g could be d i v i d ed into t w o stages 1The

6、first stage w as irreversible period , i n wh ich the gel fouli n g was the do m i n ant process and caused 72%of the to tal resistance 1The second stage w as reversi b le period , i n wh ich the cake fo r -m ati o n w as the con tro l factor and caused 6815%of the to tal resistance 1K ey w ords M B

7、R ; m e m brane fouli n g ; cr itical flux ; sub -critical fl u x 临界通量(cr itical fl u x 概念最初由Fie l d 于11995年提出, 主要应用于膜过滤理论(微滤和超滤 研究领域, 近年来被逐步引入到膜生物反应器的膜污染研究方面。对于一体式膜生物反应器来说, 恒通量操作模式由于避免了初期的快速污染而被广泛采用, 于是选择合适的工作通量对于维持膜组件的长期稳定运行、提高膜组件的使用效率就显得尤为重要, 而测定临界膜通量正是选择这一工作2通量的有效方法。3本研究采用通量阶梯式递增法测定M B R 的临界膜通量,

8、 考察气液两相流流速对临界膜通量的影响, 探索次临界膜通量运行对膜污染影响的规律, 在保证处理效果的前提下, 减轻膜的污染、延长使用寿命、降低运行成本。为6年 的垃圾渗滤液, 由于垃圾渗滤液具有很高的COD 、氮和磷含量, 考虑系统的承受能力, 用生活污水对垃圾渗滤液进行了适当稀释, 稀释后的COD 28003200m g /L, TN 5060m g /L,TP 1220m g /L,浊度50400NTU 。系统运行过程中, 控制运行参数为:M LSS 210215g /L, DO 216510m g /L,气水比>40B 1, HRT 836h 。112 试验装置试验装置如图1所示,

9、 垃圾渗滤液与生活污水在配水箱中进行充分混合, 调节进水水质。M BR 池3规格为600500400mm , 有效容积为100L 。在池底铺设曝气装置, 鼓风机和流量计组成供气系统, 向MBR 池输送空气, 恒流泵(BT-600B 用于出水和基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008Z X07010-004收稿日期:2008-11-12; 修订日期:2009-01-16作者简介:李顺义(1976, 男, 博士, 讲师, 主要从事环境化学方面的研究工作。E-m ai:l lsy76zzu . edu . c n1 试验装置和方法111 试验用水 图1 复合式M BR 试验装置F i

10、g 11 Sche m atic d i agra m o f the com posite M BR2图2 临界膜通量的测定结果F i g 12 M easure resu lts o f cr iti ca l fl ux(m#h 时, TM P 随抽吸时间变化非常显著, ($P /2T M P 的调节。$T 接近150Pa /min, 尤其当通量>20L /(m#h试验用膜组件主要参数如下:膜孔径011时, TMP 开始急剧变化($P /$T 达到了583Pa /2012L m, 膜内径320350L m, 有效膜面积110m 。m in, T M P 最终上升到了50kPa ,

11、导致系统迅速崩4113 分析方法溃。考虑到实际工程应用中, 受设备、操作条件等的COD :重铬酸钾法(GB 11914-1989, TN:紫外限制, 临界膜通量应该是一个范围。由此可见, 分光光度法(GB 11894-1989, TP:钼酸铵分光光度MBR 技术处理垃圾渗滤液废水适宜的临界通量为法(GB11893-1989, DO:碘量(GB7489-1987, pH 1416L /(m2#h 。值:pH 计(P H S-25C 。膜通量通过测定5m i n 的膜212 气液两相流流速对临界膜通量的影响5出水流量计算而得。大量研究表明, 改善系统的水体动力学条件是缓解膜污染的有效手段, 膜面的

12、气液两相流流速2 试验结果与讨论直接决定了系统的水体动力学条件。本试验测定了211 临界膜通量的测定5种工况条件(表1 下的临界膜通量, 以考察气液临界膜通量的测定采用通量阶梯式递增法。即两相流流速对临界膜通量的影响情况。在一定操作条件下, 采用恒通量的方法, 让膜工作一表1 不同工况的操作条件个时间段$T ($T 30m in, 观测T M P 在$T 内的变T ab le 1 O perati ona l cond it i on s of d ifferen t runs化, 若TMP 保持恒定, 则调节出水抽吸泵的级数, 让工况M LSS (g /L膜面流速(m/s 膜通量增加一个阶量

13、, 重新观测TMP 在另一个$T 12102150192210215111内的变化, 如此反复, 直到出现TM P 在$T 内不能稳3210215113定(即TMP 在$T 内随时间不断增长 为止, 此时的42102151155210215118膜通量记为F N +1(N 为实验中膜通量阶量的增加次数 。即F N +1为该操作条件下使TMP 上升的最小据表1所设定的5种工况进行临界膜通量的测膜通量, 则F N 为该操作条件下TMP 恒定的最大膜通量。于是认为, 临界通量介于F N +1和F N 之间。定, 各工况下的临界膜通量如图3所示。把大于临界通量的通量称为该操作条件下的超临界通量, 小于

14、临界通量的通量称为该操作条件下的次临界通量。根据通量阶梯式递增法原理, 在膜面气液两相流的流速为113m /s, MLSS 为2215g /L的条件2下, 将通量每30m in 提升2L /(m #h , 直至T M P 出现较大的变化为止。临界膜通量的测定结果如图2所示。由图2(阴影部分为临界膜通量区域 可知, 以214L /(m#h 的通量操作时, $P /$T 为83Pa /min 图3 临界膜通量与膜面流速的关系(此时系统TMP 为29kPa, TMP 在连续操作间隔 F ig 13 R elati onsh i p o f cr iti ca l fl ux图3表明, 临界膜通量和膜

15、面流速呈线性关系, 相关系数为01997。随着膜面流速的增大, 临界膜通量也呈线性增加。这是因为在测定过程中, 污泥颗粒在膜面的累积是影响临界膜通量的主要因素, 气液两相流的紊动性增大导致气液两相流的流态发展, 对膜面的冲刷效果加剧, 剪切强度增大, 从而使得颗粒不易沉积到膜表面, 临界膜通量也因此而6增大。每个工况所对应的临界膜通量都是一个范围, 所以, 根据临界膜通量的测定结果, 可以得出3个操作区域:超临界区域、临界区域和次临界区域, 如图4 所示。表2 次临界膜通量下污染物的去除情况Tab l e 2 Poll u tan t removal resu lts on sub -crit

16、ical fl uxCOD进水(mg/L1941171818721659158615223615136517出水(m g/L1342293511946181012079418去除率(% 9311861781129712931690179311进水(mg /L43152119321130143567167713TN 出水(mg /L7151184518713818121824去除率(% 82179116827674188169图4 M B R 的3个操作区域F ig 14 Three operati ng secti ons ofM BR213 次临界膜通量下的运行情况根据不同操作条件下临界通量

17、的测定结果, 选择一个次临界通量, 在相应操作条件下实现MBR 系统的稳定运行, 该运行方法称为次临界通量运行方7法。本试验在MLSS 为2215g /L, 膜面气液两相流流速为113m /s的条件下分别考察了4个膜通量下的长期运行情况, 测定结果如图5 所示。由表2可知, 系统对C OD 的去除效果明显, 稳定在90%左右, 最高达到了9712%; 对TN 的去除率从69%变化到9116%, 波动稍大, 但总体效果较好, 稳定在80%左右, 这说明MBR 系统对垃圾渗滤液具有较好的处理效果。215 膜污染的构成及分布情况21511 膜污染的构成8M BR 中膜污染物质主要有2大类:一类是溶解

18、性大分子物质, 如溶解性微生物产物(S MP 和胞外聚合物(ECP; 另一类是颗粒物质, 如污泥絮体等, 这类物质在抽吸力的驱动下于膜表面沉积形成滤饼层。根据对临界膜通量的测定情况, 本试验控制通22量为10L /(m #h 和12L /(m#h, 观察次临界膜通量下运行时压力的变化情况。试验以TMP 的变化来表征系统阻力的变化情况, 结果如图6 所示。图6 次临界膜通量下运行时压力与时间的关系F ig 16 R elati onsh i p bet w een TM P and ti m eat s ub -critical flux图5 次临界膜通量下的运行情况F i g 15 R unn

19、 i ng results of sub -critical flux214 污染物的去除M BR 进水为经过稀释的垃圾渗滤液, 在次临界膜通量下运行时, 系统的进水、出水情况如表2所示, 运行期间出水SS 均接近于零。根据图6所示情况, 膜污染大致可以划分为2个阶段:(1 膜污染缓慢发展阶段(第Ñ阶段 。由于MBR 在次临界膜通量下运行, 开始时操作压力很低, 污泥颗粒形成的阻力较小。S MP 和ECP 开始被吸附到膜表面形成凝胶层, 造成污染加剧, 这时反冲洗对膜污染的缓解作用非常有限, 所以称为不可逆700m in , TM P 的变化幅度很小, $P /$T 只有12Pa /

20、m in 。(2 膜污染迅速发展阶段(第Ò阶段 。由于第Ñ阶段凝胶层的形成以及污泥颗粒在膜表面的积累, 导致膜的新临界通量要小于刚投入运行时的临9界通量。当污染积累到一定程度后, 原来加在膜上的通量超过了此时膜的实际临界通量, 因而膜污染加剧, 操作压力迅速上升, 直至污泥颗粒在膜表面形成致密的滤饼层, 这时再增大操作压力已经不能维持膜的恒定通量。膜表面滤饼层的形成是该阶段膜污染的主要原因, 可以通过定期的反冲洗进行去除。所以, 滤饼层形成的污染属于可逆污染, 这个阶段以可逆污染为主, 也伴随着不可逆污染。该阶段大致从700m i n 开始, 持续到1024m in , $

21、P /$T 达到了100Pa /mi n , 为第Ñ阶段的8倍。21512 膜污染的分布情况由以上研究可知, 膜污染由3个方面构成:膜本身的阻力R m 、凝胶层阻力R p 、滤饼层阻力R c 。R m 为新鲜膜在清水中的阻力; 凝胶层阻力R p 可以用第Ñ阶段的总阻力减去膜本身阻力R m 得到; 滤饼层阻力R c 可以由操作结束时的总阻力减去对膜进行10反冲洗后的总阻力得到。根据21511的研究结果, 可以算出本试验中膜污染阻力分布情况, 如图7 所示。MLSS 为2215g /L的条件下, 临界膜通量约为14216L /(m #h 。(2 综合不同水体动力学条件下的临界膜

22、通量情况, 可以得出M BR 的3个水体动力学操作区域:超临界区域、临界区域和次临界区域。(3 在次临界操作条件下, 膜污染可以分为2个阶段, 第Ñ阶段以凝胶层污染为主, 为不可逆污染阶段, T M P 缓慢增长。第Ò阶段的污染以污泥颗粒在膜面累积而形成的滤饼层为主, 为可逆污染阶段。宏观表现为T M P 迅速上升, 直至超出膜丝所能承受的范围。(4 次临界操作并不能避免污染的发生, 但可2以大大降低污染的发展速度。以10L /(m #h 的通量运行420m i n , T M P 的变化率只有614Pa /mi n 。参考文献1F ield R 1W 1, W u J 1

23、A 1G upta critical fl ux concept form icrofiltra tion fouli ng 1Journa l o f M e m brane Sc i ence , 1995, 100:2592722G uoW 1S 1, X i ng W 1Co m pa rison o fm e m brane b i oreactorsy stem s i n w aste w ater treat m ent 1D esali nati on , 2008, 231:61703P ierre Le , Bruce Je fferson 1Cr iti ca l fl

24、ux deter m i nati on byt he flux -step m ethod i n a sub m erged m e m brane bioreactor 1Journa l ofM e m brane Sc ience , 2003, 227:81934De france L. , Ja ffr i n M 1Y 1Co m parison bet w een filtrati onsa t fi x ed trans m e m brane pressure and fi xed per m eate fl ux :A pp licati on to a m e mbr

25、ane b i oreactor used f o r w aste w ater treat m ent 1Journa l ofM embrane Science , 1999, 152:2032105Bacch i n P. , E spi nasse B 1D istributi ons o f critica l fl ux :M ode li ng , exper i m enta l analysis and consequences for cross -flo w m e m brane filtrati on 1Journa l o f M e m brane Sc-i ence , 2005, 250:2232346国家环保总局1水和废水监测分析方法(第4版 1北京:环境科学出版社, 20027Po lli ce A 1, Ada m