膜面液体循环流速控制膜污染的研究

膜面液体循环流速控制膜污染的研究

膜生物检测器是生物处理技术与膜分离技术相结合的产物。与传统的生物处理方法相比，具有固液分离效果好、生物装置内生物量大、废水水质好、污泥产量低、结构紧凑等优点。随着这项技术的深入，该技术逐渐从实验室转向工程应用。然而，膜污染仍然是影响膜生物装置运营稳定性和经济性的重要因素。在一体化膜生物采集器中，影响膜污染的主要物质包括污泥颗粒、溶解颗粒、微胶体颗粒和膜孔内繁殖的细菌。根据许多研究，在一般条件下，膜表面的污泥沉积对膜污染的影响最大，约为50%。增加采空力的强度可以控制颗粒在一定程度上留在膜面上的累积，从而减少膜污染，但增加采空量和运营成本。因此，在一定条件下，需要进行一些检查和研究不同浓度的经济采空量。在这项工作中，我们使用了一体化膜生物装置，并对不同浓度的不同颗粒进行了试验和研究。1生物反应器内的污泥浓度检测试验装置如图1所示,其中生物反应器尺寸为11cm×75cm×85cm,有效容积为70L.帘式中孔纤维膜组件(材质为聚乙烯,有效膜面积为3m2,平均孔径为0.4μm)置入生物反应器内,采用真空隔膜计量泵对膜组件进行间歇抽吸得到膜出水,抽停时间比为13min/2min,泵的开启由时间继电器控制.膜组件下方设有穿孔管进行曝气,一方面对微生物分解有机物进行供氧,另一方面起到减缓污泥在膜面沉积的作用.生物反应器内维持一定的污泥浓度进行膜的过滤试验.在试验过程中,为防止生物反应器内的污泥由于内源呼吸而发生污泥浓度降低,按一定间隔加入一定量的人工配制的高浓度污水(COD=15000mg/L).为维持生物反应器内的水位在过滤过程中的恒定,试验过程中将膜出水再循环至反应器.为保持每一试验条件膜的初始状态一致,每个工况结束后均进行膜清洗.清洗方法为:先用清水冲洗去除污泥层,然后用0.5%NaClO溶液浸泡24h.再用HCl溶液浸泡12h,每次清洗后都用清水冲洗并测定其清水通量,以考察清洗效果,同时根据清水通量及过滤压差计算膜过滤阻力.试验测定如下项目.1)过滤压差及膜阻力:由U型压差计定期读取膜过滤压差TMP,并由下式计算膜过滤阻力.式中,TMP为膜的过滤压差,Pa;μ为混合液黏度,Pa·s;J为膜通量,m3/(m2·h);Rt为膜过滤总阻力,1/m.由膜材料固有阻力Rm,污泥层阻力Rc和凝胶层及膜孔堵塞阻力Rg构成.2)混合液粒径分布:采用激光粒径分析仪(Microsizer,Malvern,America)测定.2试验结果与讨论2.1污泥浓度与剪切诱导扩散力污泥浓度分别在3,6,8和10g/L时,控制膜通量在12L/(m2·h),对不同曝气强度条件下膜过滤压差的时间变化进行了考察,分别见图2～图5.以污泥浓度为8g/L为例,考察了不同曝气强度时,膜过滤阻力的构成,见表1.由表1可见,在低的曝气强度时,污泥层引起的膜过滤阻力较大,即污泥在膜表面的沉积是引起膜过滤压差上升即膜污染的主要因素.对于曝气强度过高,膜过滤压差上升速度反而增加,分析原因主要与污泥颗粒的粒径变化有关.对于污泥颗粒来讲其在膜面的沉积主要与颗粒所受的剪切扩散力和滤液过滤时对颗粒产生的指向膜面的引力有关.由剪切诱导扩散模型分析可知:污泥颗粒受到的剪切扩散力与膜面流体剪切速率和颗由图8还可以看出,在经济曝气量运行条件下,膜污染发展速率随污泥浓度的增大先降低后升高并且在污泥浓度为6g/L左右时,膜过滤压差上升速率最慢.有研究表明:污泥浓度较低时,污泥颗粒细小、琐碎,不能有效地在膜面形成一层动态膜;细小颗粒、胶体及溶解性有机物容易直接吸附在膜表面或侵入膜孔内部,从而降低了膜有效过滤面积,增加了膜过滤阻力.Choo等关于MBR中颗粒孔尺寸对膜污染影响的实验研究也表明:与膜孔相同数量级的胶体更容易引起膜孔的堵塞.在污泥浓度为6g/L左右时,较大的污泥絮体在膜面可以形成比较稳定的动态膜,动态膜的形成在一定程度上防止了细小颗粒及胶体进入膜孔,同时在经济曝气量下污泥颗粒在动态膜表面沉积和脱附达到了平衡粒直径的二次方成正比.随着曝气强度的增加,反应器内液体循环流速升高,提高了膜面流体剪切速率.但曝气强度过高时,由于污泥絮体可能会产生破碎,颗粒粒径减小,反而会使颗粒在膜面沉积的机会增加,使膜过滤压差上升速度加快.因而膜过滤压差上升缓慢.Defrance等也通过实验证实了这一事实.而当污泥浓度过高时,污泥絮体较大,亦可以在膜表面形成比较稳定的动态膜,但由于错流对污泥絮体结构的破裂和磨损,释放出更多的胞外多聚物.本实验在污泥浓度为10g/L下测定上清液COD浓度高达122mg/L,而出水COD浓度在40mg/L以下,推测混合液中大多数大分子被吸附在膜表面,使膜表面黏性增加,导致混合液中更多的细小颗粒及胶体在其表面的吸附或沉积,从而增加了膜过滤阻力.2.2污泥浓度对经济曝气量的影响假设在所试验的过滤时间内,膜过滤压差以线性增加,可计算在不同污泥浓度和不同曝气强度下的膜过滤压差上升速率,见图6.由图6可得到膜过滤压差上升速率最低时的曝气强度,即经济曝气强度.该值在反应器结构一定的条件下与污泥浓度有关.由图7可以看出,随着污泥浓度的增加,经济曝气强度几乎呈线性递增,污泥浓度越高,经济曝气量越大.由表2也可以看出,在MLSS=6g/L时,污泥层阻力和凝胶层阻力几乎相当;而在低污泥浓度时,以凝胶层和膜孔堵塞占优势;在高污泥浓度时,污泥层对膜污染影响最大.这一现象在表1中膜阻力分析得到证实:当曝气强度增大后,细小粒子增多,从而使污泥阻力影响率相对于曝气量较小时32有增加这与Choo等的更小的胶体粒子更容易引起膜孔的堵塞的实验结果是一致的.Chang等也有类似的发现2.3曝气强度的影响以污泥浓度8g/L为例,考察了不同曝气强度下污泥混合液粒径分布的变化,见图9～图11.由图9,10,11可以看出,随着曝气量的不断增加,反应器内粒子尺寸逐渐降低,细小颗粒的体积百分含量明显增加.由表3可以得到当曝气强度从48m3/(m2·h)提高到120m3/(m2·h)时,活性污泥颗粒中平均粒径尺寸从69.72μm降低到31.88μm.由于更多细小颗粒的出现,细小颗粒协同大分子有机物导致膜孔堵塞机会增加,减小了膜的有效过滤孔径,从而导致膜过滤阻力上升.3经济曝气量的影响在一定污泥浓度下,提高曝气量在一定程度上可以减轻污泥层在膜表面的沉积而减缓膜污染,但曝气量过大导致的更多细小颗粒对膜孔的堵塞反而会加剧膜污染的进程.在污泥浓度分别为3,6,8和10g/L下,均存在一个经济的曝气量,对应值为:36,72,84,120m3/(m2·h).该经济曝气量随污泥浓度的增大而增加.在经济曝气量下,不同污泥浓度膜污染发展速率不同,污泥浓度过低或过高时,膜污染发展速率都较快,存在一个适宜的污泥浓度范围这时膜污染发展缓慢从以上4个图可见,随着过滤时间的增长,膜过滤压差增加