分離/曝氣微孔膜-生物反應器試驗研究
摘要:本文對以聚乙烯微孔管為膜組件的分離/ 曝氣微孔膜- 生物反應器進行了研究。通過對微孔膜組件進行分離/ 曝氣交替運行,可有效地清除膜組件表面的泥餅層,較好地保持膜過濾性能的穩定。分離/ 曝氣微孔膜- 生物反應器用于處理實際生活污水,可獲得與傳統膜生物反應器相似的出水水質,系統出水COD < 50mg/ L ,NH3 - N < 1mg/ L ,COD 和NH3 - N 去除率分別大于85 %和98 %。
關鍵詞:分離/ 曝氣,微孔膜- 生物反應器,膜通量
0 引言
膜—生物反應器(Membrane Bioreactor ,MBR) 是將膜分離技術與污水生物處理技術有機結合而產生的高效水處理新工藝,主要由膜組件和生物反應器兩部分構成。因其出水水質好、占地面積小、污泥產量低、運行管理方便等突出優點,在水處理領域正日益得到廣泛重視[1 - 2 ] 。根據膜組件和生物反應器的相對位置,可分為一體式膜- 生物反應器和分置式膜- 生物反應器。而一體式膜- 生物反應器是將膜組件直接浸于生物反應器內,利用抽吸泵抽吸出水,結構更為緊湊,能耗相對較低[3 - 4 ] ,近年來受到了特別關注。本研究采用聚乙烯微孔管作為分離/ 曝氣微孔膜- 生物反應器的膜組件,在活性污泥混合液條件下測試了微孔管膜組件的過濾性能,并考察了該反應器在分離/ 曝氣狀態下膜過濾性能的變化及其對實際廢水的處理效果。
1 試驗裝置與方法
1. 1 試驗裝置
所用試驗裝置如圖1 所示。生物反應器為一長方體容器(300mm ×120mm ×650mm) ,有效容積為16L ,中間設一擋板。膜組件采用山東招遠膜天集團公司生產的聚乙烯微孔管,型號為PE - 1 和PE - 4 ,孔徑分別為70～120μm 和5～10μm ,過濾面積均為0. 04m2 。膜組件分為兩組,置于導流擋板兩側,其出口分別通過兩個電磁閥與進氣管和出水管連接,出水管上裝有水銀壓差計,然后與抽吸泵相連,在抽吸泵的負壓下經過濾獲得系統出水。
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1. 2 試驗方法
在該分離/ 曝氣微孔膜- 生物反應器中,兩組膜件以一定的運行周期交替充當過濾分離器和曝氣器。如圖1 所示,在第一周期內,電磁閥V1、V4 開啟,V2、V3 關閉,膜組件M1 與出水管相通,充當過濾分離器;膜組件M2 與進氣管相通,充當曝氣器,生物反應器內的活性污泥混合液被強制循環,在導流擋板的左側形成上升流,而在右側形成下降流。在第二周期內,電磁閥V1、V4 關閉,V2、V3 開啟,膜組件M2 與出水管相通,充當過濾分離器;膜組件M1 與進氣管相通,充當曝氣器,此時,在導流擋板的右側形成上升流,而在左側則形成下降流。在任一運行時刻,整個系統均處于好氧狀態,并且連續出水。試驗原水取自某學生宿舍樓的生活污水,活性污泥取自北京市北小河污水處理廠二沉池回流污泥。每一次試驗結束后,均采用次氯酸鈉溶液(活性氯含量約為萬分之一) 對膜組件進行化學清洗(浸泡時間約為12 小時) ,以清除膜污染,恢復并測其清水膜通量到試驗前的水平,如此方進行下一次試驗。
2 結果與討論
2. 1 分離/ 曝氣交替運行對膜過濾性能的影響
利用圖1 所示的裝置并采取如1. 2 所述的方法進行了分離/ 曝氣微孔膜- 生物反應器處理生活污水的連續試驗,以考察分離/ 曝氣交替運行對膜過濾性能的影響,具體的試驗條件如表1 所示,其中T 為分離/ 曝氣交替運行周期(h) 。
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1) 膜曝氣對膜過濾性能的恢復:首先在Run - 1 試驗條件下考察了膜曝氣對膜過濾性能的恢復效果(圖2) 。結果表明,盡管在3 小時的過濾時間內,微孔管的膜通量下降到初始值的一半以下,但通過膜曝氣可有效地清除膜面泥餅層,大幅度恢復其膜通量,并使每一運行周期的初始膜通量較好地維持穩定。
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2) 分離/ 曝氣交替運行周期對膜過濾性能的影響:由于在每一運行周期內膜組件的膜通量均不斷衰減,因此本文采用平均膜通量J a 作為膜過濾性能的評價指標,即Ja = QT/ ( Sm3 T) ,式中QT 為膜組件在每一運行周期內的總產水量(L) , Sm 為膜組件的總膜面積(m2) 。圖3 顯示了Run - 1～Run - 4 四個試驗條件下平均膜通量J a 的變化情況,圖中每一個J a 值所對應的時刻為所在運行周期的中點。可以看出,當過濾/ 曝氣交替運行的周期在1～6h 之間變化時,系統的平均膜通量J a 均首先經歷了初始的下降階段,然后基本穩定在80 L·(m2·h) - 1左右的水平上,表明在試驗時間內膜曝氣有效地維持了膜過濾性能的穩定。但也可以發現,交替運行周期的縮短也導致了平均膜通量的波動。這可能是因為過濾/ 曝氣交替頻繁時,過濾期間泥餅層在膜表面未能穩定形成,由于膜自身阻力在長度方向上分布不均勻,使得被空氣吹脫掉的泥餅層在膜表面也呈現出不均衡的分布狀態,由此造成膜組件產水能力的波動。
2. 2 分離/ 曝氣微孔膜- 生物反應器對生活污水的處理效果
當采取如1. 2 所述的方法進行分離/ 曝氣微孔膜- 生物反應器處理生活污水的連續試驗時,也考察了該類反應器對COD 及NH3 - N 等污染物的去除情況,以評價其對實際廢水的處理效果。
1) COD 去除效果:圖4 顯示的是在整個連續試驗中進水、上清液和PE - 4 膜組件出水的COD 以及整個系統對COD 的總去除率的變化情況。從進水COD 的變化來看,試驗用原水屬低強度的生活污水,COD平均值為146mg/ L 。上清液COD 較之進水有大幅下降,平均值為29mg/ L ,表明試驗階段活性污泥具有很高的生物降解性能。出水COD 相比上清液又有所下降,平均值為21mg/ L ,最大值為35. 8mg/ L ,表明微孔管不但可以有效截留污泥顆粒及微生物,并且可以進一步強化生物反應器的COD 去除效果。整個系統對COD 的總去除率平均超過85 %。
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2) 氨氮去除效果:圖5 顯示的是在整個連續試驗中進水、上清液和PE - 4 膜組件出水的NH3 - N 以及整個系統對NH3 - N 的總去除率的變化情況。進水NH3 - N 在20～45mg/ L 之間,平均為32mg/ L。上清液NH3 - N 大多小于1mg/ L ,出水NH3 - N 始終未超過1mg/ L ,二者的平均值分別為0. 81mg/ L 和0. 53mg/ L ,表明試驗階段活性污泥具有很高的硝化能力。整個系統對NH3 - N 的總去除率平均超過98 %。
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3 結論
1) 對微孔管膜組件進行分離/ 曝氣交替運行,膜曝氣可有效地清除膜組件表面的泥餅層,大幅度恢復其膜通量,能較好地維持穩定運行。
2) 考察了膜組件的分離/ 曝氣交替運行周期對連續運行過程中膜過濾性能的影響。當交替運行周期由6h 變化到1h ,初始膜通量在60～140 L·(m2·h) - 1變化時,系統在連續運行過程中每一運行周期內的平均膜通量均首先經歷了初始的下降階段,然后基本穩定在50～80L·(m2·h) - 1左右的水平,但低的初始膜通量可以使平均膜通量表現出更好的穩定性。
3) 分離/ 曝氣微孔膜- 生物反應器處理實際生活污水,可獲得與傳統膜生物反應器相似的出水水質,系統出水COD < 50mg/ L ,NH3 - N < 1mg/ L ,COD 和NH3 - N 去除率分別大于85 %和98 %。
參 考 文 獻:
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[2 ] ADHAM S ,GAGLIARDO P ,BOULOS L. Feasibility of the membrane bioreactor process for water reclamation[J ] .Water Science and Technology , 2001 ,43 (10) :203 - 209.
[3 ] YAMAMOTO K, HIASA M, MAHMOOD T. Direct solid - liquid separation using hollow fiber membrane in an activated sludge tank[J ] .Water Science and Technology , 1989 ,21 (4 - 5) :43 - 54.
[4 ] UEDA TATSUKI , HATA KENJ I. Domestic wastewater treatment by a submerged membrane bioreactor with gravitational filtration[J] .Water Research August , 1999 ,l33 (12) : 2888 - 2892.
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[6 ] 劉銳. 一體式膜- 生物反應器長期運行中的膜污染控制[J ] . 環境科學,2000 ,21 (2) :58 - 61.
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[8 ] 顧國維. 膜生物反應器[M] . 北京:化學工業出版社,2002.
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