新鄉(xiāng)市鼎昌機(jī)械有限公司
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中空纖維簾式與平板膜的比較
選取兩種不同結(jié)構(gòu)類型的膜組件進(jìn)行化工廢水處理的中試應(yīng)用研究，對比研究了MBR膜系統(tǒng)的**佳氣水比，臨界膜通量、膜系統(tǒng)的分離與處理效果以及膜的污染和清洗方式。中試結(jié)果表明，在該類廢水處理中，中空纖維簾式膜組件的**佳氣水比為24，平板式膜組件的**佳氣水比為20；在相等曝氣強(qiáng)度下，用流量階梯法測得，中空纖維簾式膜組件的臨界膜通量為20L˙m-2˙h-1，平板式膜組件的臨界膜通量為25L˙m-2˙h-1；兩組膜在處理和分離效果上相差不大；在抗污染性能上，平板式膜組件更具優(yōu)勢，而且平板式膜組件更容易通過物理清洗-空曝氣的方式使膜通量得以部分恢復(fù)，用次氯酸鈉（NaClO）溶液對膜組件進(jìn)行化學(xué)清洗，均能獲得較好的通量恢復(fù)效果。
MBR膜生物反應(yīng)器（Membranebioreactor,MBR）是將膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)器的生物降解作用集于一體的生物化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。它以超濾或微濾膜組件替代傳統(tǒng)活性污泥法中的沉淀池實(shí)現(xiàn)泥水分離。該系統(tǒng)具有處理能力強(qiáng)、固液分離效率高、出水水質(zhì)好、占地空間小、運(yùn)行管理簡單等特點(diǎn)。目前，MBR工藝在水資源再生利用方面已發(fā)揮了巨大的作用，運(yùn)用MBR膜工藝技術(shù)來處理生活污水和工業(yè)廢水已突顯成效。
鑒于目前已商品化的MBR分離膜組件結(jié)構(gòu)形式多樣，主要有中空纖維簾式、平板式、管式等幾大類，而且其應(yīng)用也各具特點(diǎn)，這對在實(shí)際工程應(yīng)用中膜組件的選購帶來一定困難。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用浸沒式好氧MBR工藝技術(shù)來處理杭州某化工廠的工業(yè)廢水，分別選用中空纖維簾式膜組件和平板式膜組件進(jìn)行對比試驗(yàn)研究，為規(guī)模化工程應(yīng)用的膜組件選型提供設(shè)計(jì)依據(jù)和運(yùn)行參考標(biāo)準(zhǔn)。
1試驗(yàn)裝置與方法
1.1實(shí)驗(yàn)工藝流程與條件
中試設(shè)計(jì)規(guī)模為1000L˙h-1。試驗(yàn)裝置由調(diào)節(jié)池、好氧池、膜分離裝置、清液槽、曝氣系統(tǒng)和相關(guān)動力及自動控制設(shè)備組成。廢水由污水泵輸送至調(diào)節(jié)池，然后進(jìn)入好氧池和膜分離池，混合液在抽吸泵的作用下經(jīng)膜過濾后形成工藝的產(chǎn)水，大部分泥水混合液則通過回流泵流回至好氧池。
試驗(yàn)中分別采用膜組件A（PVDF，中空纖維簾式，孔徑0.2μm，膜面積20m2）和膜組件B（PVDF，平板式，孔徑0.08μm，膜面積28m2）來進(jìn)行試驗(yàn)。
試驗(yàn)進(jìn)水的COD范圍400~700mg˙L-1,初始接種污泥濃度為1500mg˙L-1左右。
1.2試驗(yàn)工況與運(yùn)行參數(shù)
膜裝置的運(yùn)行方式為間歇式，抽吸8min，停止2min。整個(gè)試驗(yàn)的水力停留時(shí)間（HRT）為8h，膜運(yùn)行初始通量設(shè)定為25L˙m-2˙h-1.。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度（MLSS）維持在5000~8000mg˙L-1。
2結(jié)果與討論
2.1膜系統(tǒng)**佳氣水比
在浸沒式MBR工藝中,曝氣有兩個(gè)作用：一是提供微生物代謝所需的氧氣；二是產(chǎn)生錯(cuò)流，去除或減少膜表面的污泥層，減緩膜的污染速率。HongSP等觀察到在較高曝氣量下產(chǎn)生的剪切力會加快污染物脫離膜表面的速度，并指出有臨界曝氣量存在，當(dāng)超過該曝氣量，膜通量增加就不明顯，而且太大的曝氣量會提供過量的溶解氧，也不利于反硝化作用。對于浸沒式MBR工藝，其能耗主要來自曝氣，約占整個(gè)系統(tǒng)總能耗的80%~90%，因此確定系統(tǒng)的**佳曝氣量是十分必要的。
試驗(yàn)中膜的初始通量均設(shè)定為25L˙m-2˙h-1，即膜組件A的初始通量為500L˙h-1，膜組件B的初始通量為700L˙h-1。采用不同的氣水比（每透過1m3水所提供的曝氣量）對膜組件運(yùn)行，分別考察了兩組膜的比膜通量（單位時(shí)間、單位操作壓力下每平方米膜面積所透過的水量，L˙m-2˙h-1˙KPa-1）和運(yùn)行時(shí)間的相互關(guān)系。
在一定曝氣強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著氣水比的提高，比膜通量也隨之提高，跨膜壓差（TMP）的增加速率減緩，即膜污染發(fā)展速率隨曝氣強(qiáng)度增加而降低。但當(dāng)曝氣強(qiáng)度上升到一定程度時(shí)，比膜通量增加不再明顯。分析原因可能是：當(dāng)曝氣強(qiáng)度較低時(shí)，錯(cuò)流流速產(chǎn)生的水力剪切作用不能有效防止大量污泥絮體在膜表面沉積，膜污染主要是以污泥層阻力為主；而當(dāng)曝氣強(qiáng)度過高時(shí)，污泥絮體被強(qiáng)大的剪切力所破碎，細(xì)小污泥顆粒和膠體類物質(zhì)增多，這些物質(zhì)更容易引起膜孔的吸附和堵塞，從而使膜污染加劇。因此當(dāng)曝氣到達(dá)一臨界值后，再繼續(xù)增加曝氣量對MBR系統(tǒng)已沒有實(shí)際意義，Jungmin等也報(bào)道了與本試驗(yàn)類似的研究結(jié)果。經(jīng)測定，試驗(yàn)中A、B兩組膜的**佳曝氣量分別為12.0m3˙h-1和14.0m3˙h-1，即在此類廢水處理中，膜系統(tǒng)的**佳氣水比分別為24和20。
2.2臨界膜通量
**初提出的臨界流量假設(shè)（Field等，1995）僅僅斷言，在低于臨界流量的條件下運(yùn)行的分離膜不會出現(xiàn)膜污染。雖然當(dāng)初這一假設(shè)只是包含了水力學(xué)引起的膜污染因素，但是毋庸置疑，臨界流量的假設(shè)仍然是膜生物反應(yīng)器工藝長期運(yùn)行的指針。實(shí)踐也證明，絕大多數(shù)浸沒式膜生物反應(yīng)器工藝能在亞臨界通量區(qū)長期穩(wěn)定地運(yùn)行。
本試驗(yàn)采用流量階梯法分別對兩組膜的臨界膜通量進(jìn)行了測定。在同等曝氣強(qiáng)度（均為0.5m3˙m-2膜面積）條件下，經(jīng)試驗(yàn)得出，膜A的臨界膜通量為20L˙m-2˙h-1，膜B的臨界膜通量為25L˙m-2˙h-1。試驗(yàn)結(jié)果也與以上得出的氣水比試驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合性。
2.3出水水質(zhì)
膜反應(yīng)器好氧池內(nèi)的泥水混合液經(jīng)膜過濾后形成工藝的出水。通過對產(chǎn)水水質(zhì)分析，結(jié)果表明該處理工藝具有較好的生化、物理去除效果。經(jīng)與該化工廠用傳統(tǒng)活性污泥法處理后的水質(zhì)比較，本試驗(yàn)得到的產(chǎn)水水質(zhì)要明顯好于傳統(tǒng)方法處理后的產(chǎn)水水質(zhì)。
膜反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度使得生化處理效果十分理想，有機(jī)物的去除率明顯提高，再加上精密的膜過濾，使得產(chǎn)水水質(zhì)更加優(yōu)化。本試驗(yàn)中，MBR系統(tǒng)對有機(jī)物（COD）的去除率均在90%以上，對氨氮（NH3-N）的去除率也基本維持在80%以上。而運(yùn)用傳統(tǒng)方法處理后的產(chǎn)水COD和NH3-N的去除率變化幅度較大，這可能由于傳統(tǒng)方法處理時(shí)水的溫度、pH、DO等條件的波動，引起水體污泥膨脹，造成沉淀效果不佳，大部分污泥流失，**終導(dǎo)致生化處理效果直線下降。本試驗(yàn)應(yīng)用的MBR工藝克服了傳統(tǒng)處理方法的以上不足之處，這也是該工藝得以應(yīng)用推廣的因素之一。通過對比試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，采用不同孔徑的MBR分離膜，對實(shí)際產(chǎn)水水質(zhì)影響不大，這與膜運(yùn)行中污泥在膜表面形成的沉積層也起了一定的分離作用有關(guān)。
2.4膜污染與膜清洗
膜污染是膜運(yùn)行中一系列增加膜阻力因素的總稱。MBR膜在運(yùn)行一段時(shí)間以后，膜表面和膜孔內(nèi)會不可避免地被污染物堵塞，導(dǎo)致膜通量逐漸下降，直至不再出水。膜污染縮短了膜的使用壽命，直接導(dǎo)致泵的抽吸水頭和曝氣量的增加，這也是造成MBR能耗增加的主要原因。
為了維持膜系統(tǒng)長期正常運(yùn)行，當(dāng)跨模壓差（TMP）上升到一定程度時(shí)，必須對膜組件進(jìn)行清洗。膜清洗的目標(biāo)是清除膜表面的污染層，恢復(fù)或提高膜的水通量。本試驗(yàn)中當(dāng)膜運(yùn)行的跨膜壓差超過60KPa時(shí)，裝置停止運(yùn)行，對膜組件進(jìn)行清洗，清洗分為物理清洗和化學(xué)清洗。
物理清洗：物理清洗主要通過停止產(chǎn)水，對膜系統(tǒng)空曝氣，使得沉積在膜表面的污染物在高錯(cuò)流速率的氣、水剪切力作用下得以去除，從而使膜通量得到一定程度的恢復(fù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，平板式膜組件通過空曝清洗后，通量恢復(fù)效果要比中空纖維簾式膜好。
化學(xué)清洗：由于實(shí)際水體中污染物主要以有機(jī)物為主，因此采用次氯酸鈉溶液作為清洗液，pH為10~11左右。清洗方法：配置300~500mg˙L-1次氯酸鈉溶液，調(diào)節(jié)pH，浸泡膜組件10h，重新啟動運(yùn)行，通量都恢復(fù)在90%以上。
3結(jié)論
試驗(yàn)表明，浸沒式MBR技術(shù)可成功用于化工廢水的處理。對于本文的試驗(yàn)廢水，MBR膜系統(tǒng)A、B兩組膜的**佳氣水比分別為24和20；在同等曝氣強(qiáng)度條件下，測得A膜的臨界膜通量為20L˙m-2˙h-1，B膜的臨界膜通量為25L˙m-2˙h-1。
通過上清液與膜產(chǎn)水水質(zhì)分析比較發(fā)現(xiàn)，膜反應(yīng)器中有機(jī)物的去除主要依靠生化降解過程，膜對有機(jī)物（COD）具有一小部分的截留去除作用，但是采用不同孔徑的分離膜對產(chǎn)水水質(zhì)影響不大。
中空纖維簾式膜組件的清洗周期為2個(gè)月左右，平板式膜組件的清洗周期為3個(gè)月以上，且平板式膜組件更容易通過物理清洗的方法使膜通量得到恢復(fù)，化學(xué)清洗對兩組膜的通量恢復(fù)均在初始通量的90%以上。
對比試驗(yàn)表明，在同等工況運(yùn)行條件下，用平板式膜組件處理該類廢水具有比膜通量更高、跨膜壓差更小、膜清洗周期長等特點(diǎn)。因此，對于本試驗(yàn)所處理的廢水，選用平板式膜組件更具優(yōu)勢。
2.MBR優(yōu)勢
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