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去除率图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%,

17、 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

18、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 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

19、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 /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

20、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 , $P /$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

21、。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

22、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 1A 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 a

23、ste w ater treat m ent 1D esali nati on , 2008, 231:61703P ierre Le , Bruce Je fferson 1Cr iti ca l flux 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 filtr

24、ati 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 mbrane 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 Brookes 1Sub -criti