膜生物反应器处理鲫洗废水的组合清洗方法

膜生物反应器处理鲫洗废水的组合清洗方法

在膜生物检测器的长期运行中，膜通量随着运行时间的推移而降低，即膜污染不可避免。因此必须采取有效的清洗方法,去除膜面和膜孔内吸附的污染物质,恢复膜通量,维持膜生物反应器的正常运转。膜生物反应器中膜的清洗方法有许多,但特定反应器中膜的污染物质随试验水质的不同而有较大差异,采用的清洗方法也应有所不同。本研究比较了水力清洗、酸洗和碱洗等不同组合清洗方式,对盥洗废水处理用膜的清洗效果。1膜生物检测器的运行描述1.1机玻璃柱体试验中采用了2个相同的一体式活性污泥-膜生物反应器,如图1所示。反应器为圆形截面有机玻璃柱体,截面直径200mm,柱高2m,内置一束孔径为0.2μm、膜面积为0.5m2的聚偏氟乙烯中空纤维膜组件。膜出水靠水位压差(指反应器最高水位至中空纤维膜中部的垂直距离,采用10kPa)驱动,重力出水,由液位自控仪控制水位基本恒定。1.2指标测定试验原水采用北京建筑工程学院学生宿舍实际盥洗废水和人工配制的模拟盥洗废水,主要水质指标如下:SS90~180mg/L,NH3-N3.9~12.5mg/L,COD205~535mg/L,BOD585~234mg/L,LAS7.4~15.5,色度为灰白色,浊度103~189NTU,硬度320~380mg/L。1.3试验计划的实施在2个反应器(编号分别为1#和2#)中,进行了不同目的的运行试验。1#检测器总工作时间为100d,其间进行了3种气水比和4种活性炭投加浓度对膜通量的影响试验。2废水处理效果试验d,其间进行了间歇出水和连续出水对膜通量的影响试验及实际盥洗废水处理效果试验。由于试验目的不同,在各种试验中,初始膜通量、水力停留时间等运行参数及各种工况的运行时间也有所不同。2膜清洁试验2.1反冲洗水保护装置膜的清洗包括以下4个步骤:(1)水外洗:用一定量的清水对污染的膜组件进行冲洗、浸泡,轻微揉搓。(2)水反冲洗:在膜出水口施加一个反冲洗压力,清洗水反穿通过膜。(3)碱洗:用一定浓度的NaClO溶液对污染膜浸泡一定时间,然后用自来水冲洗至中性。(4)酸洗:用一定浓度的H2SO4溶液对污染膜浸泡一定时间,然后用自来水冲洗至中性。清洗方法的选择视清洗效果的好坏而调整。如有时只采用水外洗;在采用碱洗和酸洗时,每次的药剂浓度、浸泡时间不完全相同;一般情况下,药剂清洗的顺序为先碱洗后酸洗,但也进行过先酸洗后碱洗的试验。2.2膜的清洗效果1#膜组件共运行100d,进行了10次清洗。2#膜组件共运行160d,进行了7次清洗。在2个新的膜组件运行开始前及每次清洗的每个清洗步骤完成后,均测定在操作压力10kPa、出水阀门全开状态下,膜在清水中的最大出水量,以比较膜的清洗效果。2个膜每次清洗后膜出水量的恢复情况分别见图2和图3,图中的第1次出水量为新膜经水外洗后在清水中的出水量。2个膜的具体清洗方法见表1。2.3清洁试验的结果分析2.3.1膜的清洗和维护由图1看出,1#膜首次洗膜后,膜出水量大于原新膜出水量,为原来的1.28倍,这可能是新膜刚开始使用时,浸泡不够充分,膜孔尚未完全张开所致。1#膜第2~5次水外洗后,膜出水量的恢复率在73%以上,用0.01%的NaClO和0.1%的H2SO4浸泡基本不起作用,这说明在膜的运行时间不长时(1#膜在第5次清洗时,累计运行时间为42d),水力清洗是行之有效的清洗方法。随运行时间的延长,水洗的效果愈来愈不显著,第6次清洗时,水外洗的恢复率仅为新膜的53%,这时加大NaClO的浓度至0.02%,浸泡时间由原来的30min增加至1h,可以看出膜出水量有明显的恢复。在随后的第7次洗膜中,采用先酸洗后碱洗的方法,酸洗后略有升高的膜出水量在碱洗后反又降低,说明先酸后碱的清洗方法不适合本试验用膜。在最后2次清洗试验中,采用水外洗、水反冲和化学清洗相结合的方法,加大NaClO的浓度至0.05%,H2SO4的浓度至0.5%,清洗效果良好,第10次清洗后,膜出水量竟超出新膜的21%,这得益于化学药剂浓度的提高和清洗时间的延长,使清洗更加彻底。2.3.2高碱酸水处理的膜的制备效果由图2可知:2#膜组件的清洗效果与1#膜组件类似。运行初期,水力清洗对膜出水量的恢复起主要作用。随运行时间的延长,水洗的效果变差。第3次清洗时,水洗的恢复率仅为新膜的55%,之后采用先酸洗后碱洗的方法清洗,膜出水量基本没有恢复。第5、6次清洗时,将碱和酸的浓度加大到0.05%和0.5%,浸泡时间增加至1h,又辅以清水反冲洗,可以看出膜出水量有明显的恢复。最后1次清洗采用水外洗和化学清洗相结合,也取得了良好的清洗效果,膜出水量超出新膜的10%。2.4凝胶层的制备引起膜通量下降的主要原因是膜在运行过程中受到了污染。从污染物的位置来划分,膜污染分为膜附着层污染和膜堵塞。在附着层中,有悬浮物、胶体物质及微生物形成的滤饼层;溶解性有机物浓缩后粘附的凝胶层;溶解性无机物形成的水垢层。膜堵塞是由于反应器混合液中的溶质浓缩、结晶及沉淀致使膜孔产生不同程度的堵塞。2.4.1去除纤维丝表面的深化至水外洗取出膜后发现,膜纤维丝间有很多污泥存在,特别是纤维束中部以下至出水孔间的纤维束内部淤积大量的污泥,且最外围的纤维丝表面被颜色较浅的生物膜覆盖。这些污泥和生物膜附着松散,用清水冲洗并轻轻揉搓后,基本可脱落。因此,水外洗可以去除膜丝间淤泥及纤维丝表面粘附不牢的生物膜和沉积物。在膜的运行初期,水外洗对膜通量的恢复作用非常明显。2.4.2反冲洗排水清水反冲洗膜时,在反冲洗压力的驱动下,中空纤维膜孔被扩张,清洗水反穿过膜,将膜孔中的堵塞物洗脱,并使膜表面残存的滤饼层悬浮起来,被水流冲走。观察反冲洗排水有些混浊。清水反冲洗对膜通量的恢复起到了一定的作用,但对运行时间较长的膜来说,还应考虑化学清洗。2.4.3纤维丝表面黑色碱性条件下有机物及生物污染物质易被清除,碱溶液可有效去除蛋白质污染,破坏凝胶层,使其从膜表面剥离下来。水力清洗后发现,膜表面仍有可见的生物膜存在,特别是内部的纤维丝表面呈黑色,这是由于膜在运行过程中,膜外附着滤饼层,纤维束内部缺氧,污泥厌氧呼吸而使膜污染的结果。用0.05%的次氯酸钠浸泡1h,然后用自来水冲洗,发现纤维丝表面的黑色物质及生物膜基本消失,纤维丝变白,膜的出水量大幅增加,1#膜最后2次和2#膜最后3次用0.05%的次氯酸钠清洗后,清水中膜的出水量增加了20%~50%。从碱洗的效果看,有机物及生物污染是导致盥洗废水处理中膜通量下降的主要原因。2.4.4硫酸浸泡过程中反渗透膜的硬脆材料,在膜的表面上成硬酸类清洗剂,可以溶解去除无机矿物质,使结合在凝胶层和水垢层中的无机金属离子如Ca2+、Mg2+等溶出,将残存的凝胶层和水垢层从膜表面彻底洗脱以恢复其通透能力。用0.05%的次氯酸钠清洗后,膜表面已比较干净,仅膜丝个别地方发黑。用0.5%的硫酸浸泡1h后,膜表面明显变白,膜出水量也有所增加,1#膜最后2次和2#膜最后3次用0.5%的硫酸清洗后,清水中膜的出水量增加了9%~19%,膜出水量都恢复至新膜的100%以上,但混合液的膜出水量并未恢复至运行初期的水平。试验中我们还对酸洗液和自来水的硬度进行了检测。以1#膜第9次清洗为例,用来配制酸洗液的自来水的硬度为323mgCaCO3/L,浸泡膜的0.5%硫酸溶液的硬度为523mg/L,酸洗后膜冲洗排水的硬度为360mg/L,这说明,膜上积累了少量的Ca2+、Mg2+等金属离子,它们来源于废水,以垢的形式被截留在膜表面,且对膜表面造成了一定程度的堵塞。酸洗后,这些金属离子溶于硫酸溶液中,使硫酸溶液的硬度升高,但上升幅度不是很大,说明盥洗废水中的无机金属离子污染不会对膜构成很大的威胁。3废水处理用膜的清洗(1)水外洗可以较彻底地去除运行初期的膜表面沉积物,使膜通量有较大程度的恢复。随运行时间的延长,水外洗的效果变差,膜通量恢复率降低。(2)水反冲洗可以去除膜孔中的堵塞物和膜表面残存的滤饼层,使膜通量进一步恢复,但经水外洗后再进行水反冲洗,膜通量的恢复率不是很高。(3)不同的废水处理用膜,应采用不同的化学清洗方法,且化学清洗液的浓度要适宜。先酸后碱的清洗方法不适用于盥洗