影響一體式平板膜生物反應(yīng)器臨界通量的因素

1、文章編號:1007-8924(200706-0013-04影響一體式平板膜生物反應(yīng)器臨界通量的因素華娟,吳志超3,劉江峰,黃圣散(同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092摘要:利用階梯式通量遞增法測定了一體式平板膜-生物反應(yīng)器中的臨界通量,對不同操作條件下測定值的差異進(jìn)行了考察.通過正交試驗(yàn)設(shè)計,研究了曝氣強(qiáng)度、污泥濃度(MLSS 和濾液COD (SCOD 三個因素分別在0.8,1.2,1.5m 3/h;10,20,30g/L 和50,100和150m g/L 水平下對臨界通量測得值的影響.研究發(fā)現(xiàn),污泥濃度和SCOD 均對臨界通量測得值呈負(fù)影響作用,而曝氣強(qiáng)度則起正作用.

2、隨著污泥濃度和SCOD 的增大,臨界通量測得值是逐步減小的;而曝氣強(qiáng)度的增大在一定程度上可以提高臨界通量值.其中,臨界通量測定值受SCOD 的影響最大,MLSS 次之,曝氣強(qiáng)度最小.關(guān)鍵詞:膜生物反應(yīng)器;平板膜;曝氣量;污泥濃度;濾液COD;臨界通量中圖分類號:X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A由于固液分離作用好,占地面積小,處理效果佳等優(yōu)點(diǎn),膜生物反應(yīng)器(MBR 在水處理中的應(yīng)用越來越廣泛.但是,膜污染問題一直困擾著我們.如何減輕膜污染,降低運(yùn)行費(fèi)用,使得MRB 的運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)化、規(guī)?；恢笔菑V大學(xué)者關(guān)注的問題.長期的研究認(rèn)為,膜污染可分為緩慢發(fā)展和快速發(fā)展兩個階段,起始通量的選擇對膜污染有很大的影

3、響.1995年,Field 1首次提出了臨界通量的概念,并把它定義為:當(dāng)反應(yīng)器低于此通量下恒流運(yùn)行時,膜污染發(fā)展緩慢,在短期內(nèi)幾乎看不見;當(dāng)反應(yīng)器高于此通量運(yùn)行時,膜污染將迅速發(fā)生并很快導(dǎo)致操作系統(tǒng)的崩潰.在此之后,眾多學(xué)者2-4對次臨界通量操作條件下的膜污染發(fā)展趨勢、膜污染機(jī)理等做了深入的研究.但對臨界通量本身影響因素的研究并不多見.事實(shí)上,在臨界通量的測定過程中,曝氣強(qiáng)度、污泥濃度和SCOD 等均對最終的臨界通量值有著很大的影響,同時臨界通量的測定方法和條件也在一定程度上影響著最終的臨界通量值.另外,國外大多以中空纖維膜為研究對象8,9,以平板膜為研究對象的較少.針對于此,本文做了一體式平

4、板膜-生物反應(yīng)器中臨界通量影響因素的研究.1材料與方法1.1試驗(yàn)裝置圖試驗(yàn)采用如圖1所示的一體式平板膜-生物反應(yīng)器裝置.試驗(yàn)所用污泥均取自穩(wěn)定運(yùn)行3個月以上的MBR 中試裝置,并通過改變負(fù)荷和泥齡得到不同污泥濃度和不同SCOD 值的試驗(yàn)所用污泥.在此期間,模擬生活污水進(jìn)行配水.配水成分見表1.表1配水成分Table1Compositionoffeedmg/L葡萄糖蛋白胨氯化銨磷酸氫二鈉碳酸氫鈉2002002550200試驗(yàn)所用平板膜為PVDF 材質(zhì),膜有效面積為0.175m 2,上海某研究所提供.反應(yīng)器有效容積為33L,升流區(qū)與降流區(qū)之比12.氣泵提供氣量并經(jīng)流量計調(diào)節(jié)得到試驗(yàn)所需的曝氣強(qiáng)度.

5、操作壓力由壓力表直接讀出.另外,在測定過程中,出水回流至收稿日期:2006-06-26;修改稿收到日期:2006-08-10基金項(xiàng)目:上海市科委自然基金資助項(xiàng)目(052312046作者簡介:華娟(1981-,女,江蘇省無錫市人,碩士,主要研究方向?yàn)樗廴究刂乒こ?3通訊聯(lián)系人第27卷第6期膜科學(xué)與技術(shù)Vol.27No.62007年12月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGY Dec.20071.貯泥槽;2.進(jìn)泥泵;3.反應(yīng)器;4.膜組件;5.穿孔曝氣管;6.氣泵;7.壓力計;8.出水泵;9.出水圖1試驗(yàn)裝置圖Fig.1Schemeofex perimentalsetu p反應(yīng)

6、器中,以保證液面高度的變化帶來的壓力計讀數(shù)的變化.1.2正交試驗(yàn)設(shè)計采用三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計表,三因素分別為曝氣強(qiáng)度(m3/h、污泥濃度MLSS(g/L和SCOD(mg/L.曝氣強(qiáng)度分別選用:1,118和215 m3/h三個水平;污泥濃度選用10,15和20g/L三個水平;SCOD值分別為50,100和150m g/L.1.3臨界通量的測定方法臨界通量測定采用通量階梯式遞增法2.即在一定操作條件下,選用固定的起始通量值運(yùn)行一段時間T后,考察操作壓力p的變化.若p無變化,則可認(rèn)為該操作通量低于此操作條件下的臨界通量值,可以穩(wěn)定運(yùn)行;此時提高運(yùn)行通量,再次觀察p的變化,直至運(yùn)行至某通量時,p

7、發(fā)生劇變,此時可認(rèn)為該運(yùn)行通量已高于臨界通量.確切的講,實(shí)驗(yàn)最后得出的臨界通量只是一個范圍2.為避免起始通量、T和遞增通量的不同帶來的測定誤差,試驗(yàn)中固定起始通量10L/(m2h,T15min,遞增通量3L/(m2h,并將p大于或等于266.6Pa(若按此速率上升,操作壓力在一天之內(nèi)增大16kPa視為壓力發(fā)生突變,運(yùn)行不穩(wěn)定.如圖2所示,操作壓力在通量J2運(yùn)行時發(fā)生突變,此時我們可認(rèn)為在該操作條件下,臨界通量值介于J1和J2之間.另外,在整個試驗(yàn)過程中,反應(yīng)器內(nèi)恒溫控制在20左右,故可以忽略溫度對污泥黏度產(chǎn)生的影響,及對最終臨界通量測定值的影響10.2結(jié)果與討論2.1臨界通量測定結(jié)果按照正交試

8、驗(yàn)設(shè)計表,得到試驗(yàn)19的不同臨圖2臨界通量測定示意圖Fig.2Schemeofcriticalfluxdetermination界通量測得值,如表2所示.表2正交試驗(yàn)臨界通量測定結(jié)果Table2Resultsoftheortho gonalex periment序號曝氣強(qiáng)度/(m3h-1(AMLSS/(gL-1(BSCOD/(mgL-1(C臨界通量測得值/(Lm-2h-1 1110502931 21151002931 312015028304 1.81010031335 1.81515026286 1.8205029317 2.51015028308 2.5155033359 2.520100

9、26282.2正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析由于試驗(yàn)所得的臨界通量是一個范圍,故在方差分析中對測得的臨界通量范圍取中間值進(jìn)行分析,最終得如表3所示結(jié)果.表3方差分析結(jié)果Table3Resultsoftheanal ysisofvarianceK1899194K2899189K3908685k19.6710.3311.33k29.6710.339.67k3108.678.33級差R159因素主到次SCOD>MLSS>曝氣強(qiáng)度優(yōu)化方案A3B1C1或者A3B2C12.3討論通過對臨界通量測得值進(jìn)行方差分析,可以明14膜科學(xué)與技術(shù)第27卷 顯看出對于同一材質(zhì)的平板膜而言:其臨界通量值受SCOD的影響最大

10、,其次是MLSS的濃度,再次是曝氣強(qiáng)度.在實(shí)驗(yàn)所列的水平范圍之內(nèi),當(dāng)SCOD 值為50m g/L,曝氣強(qiáng)度為2.5m3/h,MLSS為10或15g/L時,測得的臨界通量值最大.這可以從以下幾點(diǎn)來說明:1在一體式-平板膜生物反應(yīng)器中,SCOD主要是一些溶解性有機(jī)物,其中部分來自微生物的內(nèi)源代謝,如胞外酶聚合物(EPS等.而EPS是導(dǎo)致膜污染的重要物質(zhì)之一5-8.Fan等10人發(fā)現(xiàn),膠體顆粒的濃度與可溶性EPS的濃度有密切的相關(guān)性,而可溶性EPS濃度與臨界通量值幾乎成負(fù)線性相關(guān).這可以在一定程度上佐證我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,即隨著SCOD值的增大,臨界通量測定值是減小的.為此,我們測定了試驗(yàn)1、試驗(yàn)4和試

11、驗(yàn)7中混合污泥中可溶性EPS的濃度,結(jié)果如表4所示.試驗(yàn)測得的溶解性EPS的濃度及多糖濃度與SCOD值雖然無明顯的線性相關(guān)性,但是兩者濃度均隨著SCOD值的增大而增大.這與上面的推測是相符的.2有關(guān)MLSS濃度對膜污染的貢獻(xiàn)很早就引起了廣大學(xué)者的注意.Yamamoto等12認(rèn)為在一體式-膜生物反應(yīng)器中存在著一個極限MLSS濃度,在30g/L左右:當(dāng)污泥濃度高于此濃度時,膜污染將迅速發(fā)生;而當(dāng)MLSS濃度低于此值時,若反應(yīng)器中水力條件良好則不會導(dǎo)致嚴(yán)重的膜污染發(fā)生.表4SCOD濃度、溶解性EPS濃度及多糖濃度Table4ConcentrationsofSCOD,solubleEPSandsolu

12、blecarboh ydrate mg/L 污泥樣號SCOD SEPS濃度多糖濃度15081.924.94100109.629.37150123.241.53EPS的測定采用熱萃取法8;多糖的測定采用蒽酮-硫酸法11;SEPS指可溶性EPS.本試驗(yàn)中,MLSS濃度在1020g/L之間變化,并沒有達(dá)到Y(jié)amamoto等人認(rèn)為的極限濃度,故在試驗(yàn)中表現(xiàn)出來的其對臨界通量測定值的影響并不十分明顯.方差分析得出的最優(yōu)方案中,曝氣強(qiáng)度和SCOD值分別為2.5m3/h和50m g/L的情況下,10g/L與15g/L的MLSS濃度并沒有區(qū)別.這可能是在較大的曝氣強(qiáng)度下,反應(yīng)器中的水力循環(huán)條件較好,膜表面沖刷

13、作用較強(qiáng)所致.另外,Fan等10的研究也曾發(fā)現(xiàn)MLSS濃度與臨界通量值之間沒有明顯的關(guān)系.他認(rèn)為是反應(yīng)器中良好的水力循環(huán)條件和膜面沖刷作用很好地減緩了污泥顆粒在膜表面的累積的原因.3在一體式平板膜-生物反應(yīng)器中,膜面的沖刷作用是主要是由曝氣強(qiáng)度和反應(yīng)器的構(gòu)型共同決定的.而在反應(yīng)器構(gòu)型一定的情況下,曝氣強(qiáng)度則成了主要因素.一般的,膜面沖刷作用越強(qiáng),越不容易形成泥餅層,膜污染趨勢相對減弱13.由于臨界通量的測定過程可以看成是一個短期運(yùn)行過程,在此期間,較大的曝氣強(qiáng)度使得膜面沖刷作用加強(qiáng),從而膜面泥餅層污染有減緩作用,最終表現(xiàn)為測得的臨界通量值較大.當(dāng)然,反映其中污泥濃度的變化會導(dǎo)致膜面沖刷作用的不

14、同.隨著污泥濃度的增大,污泥粘度上升,膜面上升流速減小,膜污染趨勢加劇,臨界通量測得值就會相應(yīng)減小.3結(jié)論1SCOD對臨界通量測得值的影響明顯強(qiáng)于MLSS,而MLSS的影響又大于曝氣強(qiáng)度對臨界通量測得值的影響.2在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),SCOD值為50m g/L,曝氣強(qiáng)度為2.5m3/h,MLSS為10g/L或15g/L 時,測得的臨界通量值最大.3當(dāng)MLSS濃度在1015g/L之間變化時,在曝氣強(qiáng)度較大,SCOD值較小的情況下,臨界通量測定值幾乎不受MLSS濃度的影響.參考文獻(xiàn)1FieldRW,WuD,HowellJA,et al.Criticalfluxcon2ceptformicrofilt

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21、anebioreactorwasmeasuredbyusin gthefluxstepwise method,andthedifferencesofcriticalfluxvaluewereinvesti gatedb yortho gonaldesi gnofdifferentexperimen 2talconditionsincludin gaerationintensitiesof0.8m 3/h,1.2m3/h,and1.5m 3/h;MLSSconcentrationof10g/L,20g/L,and30g/L;andsolublechemicaloxygendemand (SCOD

22、 of50m g/L,100m g/L,and150mg/L,res pectively.Itwasfoundthattheim pactsofMLSSconcentrationandSCODofthemeasuredcritical fluxwerene gative,whiletheaerationintensit ywas positive.ThecriticalfluxesdecreasedwiththeincreasesofbothMLSSconcentrationandSCOD,whileincreasedwiththeincreasin goftheaerationintensity.Theorderofthefactorsaffectingthecriticalfluxis:SCOD,MLSSconcentration,andaerationintensity.Ke ywords:membranebioreactor;flatm