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無泡曝氣膜生物反應器在造紙白水上的應用前景

更新時間:2009-12-05 23:26 來源:水工業市場雜志 作者: 閱讀:1637 網友評論0

摘要:采用中空纖維膜作生物膜載體及無泡曝氣反應器,利用具有死端和漂浮特點的浸沒式接觸氧化工藝,進行污水處理試驗研究。初步探討了其除污機理,對本工藝造紙白水中固體懸浮物的處理效果、膜污染情況進行了考察。系統連續穩定運行30d,產水水質良好,產水濁度小于0.1NUT,且運行穩定。用超濾水在0.05Mpa下反洗,取得理想的效果,這說明此工藝在實際生產中可以運用,對白水進行循環回用,實現零排放。

關鍵詞:無泡曝氣  浸沒式纖維簾式膜 零排放 產水濁度 膜通量

造紙廠污水是重要的環境污染源,屬于環保重點監控的范圍。傳統的污水處理方式占地面積大、工程造價和運行成本高,并且處理不徹底。采用先進技術更新改造傳統的造紙污水處理工藝,降低造紙企業污水處理成本,提高企業競爭力已迫在眉睫。

常規生物膜技術的曝氣方法,不但會使生物膜脫落,也會使溶液中的揮發性有機物由于氣提作用帶到空氣中,且傳統的鼓泡供氧系統處理污水中,供氧費用占總運行費用的60%~80%,而氧的利用率只有8%~15%。基于常規生物膜技術的曝氣方法存在的問題,本文采用浸沒式纖維膜作為生物膜載體,及無泡供氧于一體的生物膜反應器污水處理裝置。處理造紙白水的分析結果表明:TOC、COD的去除率分別達到78%~96%、88%~94%,而電導率的下降率達95%~97%,實現廢水零排放,具有重大的環境效益和經濟效益。同時該工藝因具有處理效率高、耐沖擊負荷性能好、產泥量低、操作簡單方便、自動化程度高、投資省、運行費用低等優點,因此具有很強的實用性。

一、工藝原理

無泡曝氣生物反應器,簡稱為MABR,由中空纖維膜填料部分和水流部分組成。生物膜所需要的氧氣是通過纖維束填料供給的,中空纖維膜不僅起著供氧作用,同時又是固著生物膜的載體。純氧或空氣通過中空纖維膜的微孔為生物膜進行無泡曝氣,在中空纖維膜的外側,生物膜與污水充分接觸,污水中所含的有機物被生物膜吸附和氧化分解,從而使污水得到凈化。

1、供氧方式

由于纖維膜微孔直徑很小,為0.1~0.5um,曝氣產生肉眼不可見的氣泡,因此稱為無泡供氧。

中空纖維膜供氧有貫通式和閉端式兩種方式:貫通式MABR內中空纖維膜兩端分別被固定在雙層夾板上,氣體由一端夾板持續通入膜內腔,一部分氣體被生物膜消耗,剩余部分從另一端的夾板排出。由于該方式中有氣體剩余,更適用于空氣供氧;閉端式MABR內中空纖維膜一端被固定在雙層夾板上,另一端密封,氣體經夾板從纖維膜開口端通入,在壓力作用下全部進入反應器,所以更適用于純氧曝氣。此外,該方式中纖維束呈流化態,反應器不易堵塞。兩種反應器結構如圖2所示。

2、氧及底物的傳遞

由于中空纖維膜具有疏水性和微孔性兩個特征,所以在氣體通過膜內腔時,膜壁上的微孔保持干燥并充滿氣體,并由這些微孔將氣體傳遞到中空纖維膜的外側,即附著的生物膜內。在生物膜內,氧氣和底物在微生物的作用下被消耗,形成了溶解氧梯度,此梯度就是氧傳遞的推動力。
氧的傳遞速率公式如下:

dC/dt =K1A(C*-C)      式中:
dC/dt——氧的使遞速率,mg/(L.s)
K1——氧轉移系數,m/s;
A ——反應器的比表面積,m3/m3;
C*——纖維膜中氣液界面的溶解氧質量濃度,mg/L;
C ——液相中溶解氧的質量濃度,mg/L。

其中K1由水流速度和水流與中空纖維膜的相對位置決定。Tariq Ahmed(1994)經試驗得出:提高水流速度或改平行流為切向流(Crossflow)可獲得較大的K1;因為切向流情況下,纖維膜在水流方向的投影面積遠大于平行流,且濃度邊界層只存在于纖維膜橫截面方向。

底物質量傳遞的推動力是液相與生物膜內的底物濃度梯度。傳質阻力主要是液相邊界層的影響。當停留時間很長時,液相流速小,邊界層厚度大,傳質效率低。反之,停留時間短時,傳質效率高。

采用中空纖維膜作載體,有機物和氧分別從生物膜的兩側進入膜內部。在生物膜外層,有機物濃度最大而溶解氧濃度最小,生物膜內層深處正好相反。這樣,好氧微生物的兩個生長控制因素得以相互協調和抑制,其結果是使生物膜協調地生長在一個相對固定的厚度范圍內,不會因為底物濃度過大而形成嚴重堵塞。除此之外,中空纖維膜還具有很大的比表面積,并可在生物膜內形成很高的生物量。

3、中空纖維生物膜及無泡曝氣的特點

(1) 中空纖維生物膜的特點

中空纖維簾式生物膜組件具有最大的填裝密度,特細管的纖維膜內徑只有0.5um,因此其填裝密度最大且成本最低。組件結構簡單,因此在規模化的膜集成污水再生過程中得到了廣泛的應用。

傳統的膜處理技術雖有各方面的優勢,但在控制膜污染上還存在一定欠缺。本文通過低壓操作、膜的反沖洗、膜材料改性、膜組件的優化、膜生物器設計、臨界通量控制、水動力學控制、空氣噴射和活塞流等很好的控制了膜的污染。

(2) 與常規曝氣相比,采用中空纖維膜進行無泡曝氣具有如下優點:

① 曝氣不產生氣泡,氧直接以分子態進入生物膜,幾乎百分之百被吸收,傳質效率高達100%,因此溶解氧不再是限制微生物生長的決定因素。同時避免了傳統曝氣時污水中易揮發性物質(甲苯等)隨氣泡進入大氣而對環境造成污染。

② 由于生物膜生長在中空纖維膜的外表面,所以在供氧過程中,生物膜不會受到氣體摩擦,不易脫落。

③ 氧在傳遞到生物膜的過程中不經過液相邊界層,因此,傳質阻力比常規曝氣法小得多,能耗大大降低。

④ 曝氣過程中氣液兩相分離,溶液的混合與供氧互不干擾,因此可以各自獨立設計,反應器的形式更加靈活多變。

⑤ 中空纖維膜的比表面積可高達5018 m2/m3,為氧的傳遞和生物膜的生長提供了巨大的表面積,有利于反應器向小型化發展。

二、工藝流程

本實驗原水取自河南省某造紙廠造紙白水。將一定量的原水加入膜過濾器進行抽濾,水和小分子物質經過外部透過膜,固體懸浮顆粒、膠體物質和大分子物質被截留在過濾槽中,從而使原水得到凈化。過濾得到的產水回到膜過濾槽中,形成循環。膜組件下方安裝曝氣裝置,曝氣量為0.50m3/h,由氣泵產生的空氣通過膜過濾槽,由氣流帶動液體,使液體在膜表面產生錯流過濾的效果,減輕膜的污染,此操作看不到氣泡產生。產水泵由時間控制,每開15min,停3min。為充分考察膜處理造紙白水時的抗污染性,在實驗中不斷向膜過濾槽中加入固體懸浮物,每隔4h攪拌一次,防止懸浮物沉降,使膜始終處于惡劣的環境中,增加膜的污染。實驗結束后對膜進行反洗。

三、結果與討論

以下我們從膜對造紙白水的處理效果、產水濁度、產水濁度與原水濁度的關系、膜通量和負壓隨時間的變化情況、反洗的效果等幾個方面加以討論。

1、膜對造紙白水的處理效果

中空纖維膜對于造紙白水的處理效果非常理想,對BOD5、CODCr和SS的去除率分別達到90.0%~92%、78.7%~85.4%和90%~95.5%。

2、產水濁度的變化

可以看出,經過纖維膜后其濁度下降至23左右,平均濁度下降率為51%。由于反應器內循環水流的攪動,纖維膜的吸附作用不穩定,所以出水濁度便有一些波動。從圖中還可以看出,在吸附的前期,出水的濁度比后期的濁度要高。從5h以后,濁度穩定在20左右,總的趨勢是濁度逐漸下降,平均濁度下降了57%。這是因為吸附初期膜表面沒有吸附固體顆粒和膠體,膜孔較大,產水濁度偏大,隨著時間的增加,膜表面和膜空內吸附了一些懸浮顆粒,孔徑變小,使得產水濁度下降。

3、產水濁度與原水濁度的關系

在實驗期間雖不斷向膜過濾槽中加入固體懸浮物,但槽中的曝氣裝置沒能使原水得到充分攪拌,使原水中的懸浮物有一定的沉降,膜過濾原水的濁度隨時間呈現波動。

可以看出:原水濁度增加時,產水濁度沒有增大的趨勢,并且保持在0.1NUT以下,這說明原水濁度的增加并不會影響膜產水的質量。

4、膜通量隨時間的變化情況

通過觀察膜通量的變化,可以知道膜受污染的情況。如果膜通量保持穩定的水平,證明膜污染程度較低,那么該工藝就能運用到實際生產中。
看出膜的通量比較穩定,說明中空纖維膜受到的污染并沒有導致膜通量下降,說明造紙白水中的懸浮物不會對膜表面微孔起到明顯阻塞作用。

5、反洗

膜污染根據發生的位置可分兩種類型:一種是外部堵塞,即污染物吸附沉積在膜的表面,增加了底物傳遞阻力;另一種是內部堵塞,即污染物在中空纖維膜壁上的微孔內吸附沉積,減小了膜孔徑,從而降低了氧的傳遞速率。這兩種膜污染都會嚴重影響MABR的正常運行,必須經常對膜進行反沖洗。

在系統運行30d后,用超濾水在0.005Mpa壓力下反洗纖維膜,反洗30min。用跨膜壓差的變化來考察反洗的效果。

經過反洗,污染物從膜孔內部和膜表面逐漸沖洗下來,產水負壓恢復到起初的-0.0085Mpa。實驗結束后測得純水通量為45L/h,和實驗前的一樣,說明反洗達到了膜清潔的目的。

四、總結

MABR是一種新型的生物膜法污水處理工藝。與傳統處理工藝相比,MABR采用無泡曝氣,可使氧利用率大幅度提高,能量消耗大幅度降低。MABR采用中空纖維膜作為載體,有機物和氧分別從生物膜的兩側進入膜內部,好氧微生物的兩個生長控制因素得以相互協調和抑制,使生物膜協調地生長在一個相對固定的厚度范圍內,不會因為底物濃度過大而形成嚴重堵塞。此外,用纖維生物膜處理造紙白水時,產水濁度在0.1NTU以下,產水水質比較理想,并且產水濁度不受原水影響。系統運行期間膜通量穩定在45L/h左右,負壓隨時間上升緩慢,且保持在比較小的范圍內。膜被污染后用超濾水反洗,清洗效果顯著。在廢水水質變化、形成負荷沖擊情況下,出水水質惡化,但很快就能夠恢復。中空纖維膜還具有很高的比表面積,并可在生物膜內形成很高的生物量。MABR氣液兩相分離,可各自獨立設計,容易滿足不同的實際需求。由于采用無泡曝氣,MABR可用于處理含揮發性物質的廢水,且在處理含表面活性劑的廢水時不產生泡沫。MABR的另一顯著特點是通過供氧控制,可同時高效去除COD,是一種很具有潛力的污水處理工藝。
 

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