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海绵浸没式膜生物反应器在废水处理中的研究进展

2017年12月18日 星期一 来源:环境工程 我来说两句 保存为书签

环球聚氨酯网:海绵浸没式膜生物反应器(sponge-submergedmembranebioreactor,SSMBR)作为一种新型的废水处理工艺,具有可持续通量大、污染物去除率高、跨膜压差(TMP)增量小、膜污染率低等优异特性,在处理污废水领域有着广阔的研究和应用前景。介绍了SSMBR装置的结构特征,综述了国内外对SSMBR性能的研究进展,并简单探析了膜污染的形成过程及水力停留时间和微生物絮凝剂对膜污染的影响。

关键词:海绵浸没式膜生物反应器;膜污染;膜污染控制

在废水处理技术中,膜生物反应器(MBR)是一种将膜分离技术与生物技术有机结合的高效废(污)水处理工艺,该技术利用膜分离替代二沉池进行固液分离,可分别控制水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)。因其出水水质高、占地面积小、可直接回用等优点在污水处理和中水回用方面得到广泛研究与应用。国内外的诸多实验研究及工程应用结果也均表明MBR技术具有良好的废水处理性能。

MBR作为一种广泛应用的废水处理技术,虽具有优越的处理性能,但膜污染是阻碍其广泛应用的关键因素之一,也是研究者们关注的焦点。膜污染会导致膜过滤性能严重下降,不仅缩短膜的使用寿命,而且增加操作和维护成本。

针对膜污染问题,国内外学者进行了大量研究,如投加明矾或天然沸石、采用亲水聚合物改性、改善进水预处理、开发抗污染能力强的新型膜材料等。另外,使用生物质载体(例如塑料介质、粉末状活性炭(PAC)、海绵等)是一种有效控制膜污染的方法,并且具有广阔的发展前景。Lee等人发现:当使用活性炭涂层聚氨酯立方体作为附着生长介质时,膜耦合移动床生物膜反应器(M-CMBBR)中生物膜污染率低于传统膜生物反应器(CMBR)。Jin等人指出在陶瓷浸没式膜生物反应器中生物絮体不容易被悬浮载体打破。

此外,在有载体的浸没式膜生物反应器(SMBR)中,胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物(SMP)含量均低于无载体SMBR。Ng等人研究表明:在SMBR系统中高浓度的PAC可以减少上清液中的污染成分,如EPS、胶体和浮游细胞,为吸附、分解和降解3个过程的同步进行提供更好的条件。作为附着生长介质,海绵在生物处理过程中表现出优异的特性,如内部孔隙率高、比表面积大、稳定性好、重量小、成本低等。

在MBR中投加海绵具有可以增强处理效果,提高可持续通量或渗透通量,减少膜污染的优点。本文SSMBR的

相关特性(即有机物的去除效率以及跨膜压差的变化)、膜污染的影响因素及一些控制膜污染的措施进行综述和分析。

1、SSMBR装置

SSMBR系统采用浸没式聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜组件,其中的海绵为网状多孔聚酯聚氨酯海绵(PUS),密度为28~45kg/m3,尺寸为10mm×10mm×10mm。在运行前,海绵立方体浸没在废水中驯化,采用提升泵控制进水流量并输送废水至反应器,出水流量由抽吸泵控制。用液位传感器记录反应器中废水体积,压力表测量跨膜压差的变化。SSMBR系统中安装了空气扩散器以保持较高的空气流速[10]。

2、SSMBR处理废水的特性

2.1可持续通量

Guo等人采用SSMBR工艺处理合成废水时发现,海绵体积比对于可持续通量有较大影响。在相同的污泥浓度下,设定反应器中海绵的体积比为0(无海绵)、10%和20%,测量膜的可持续通量,结果表明当海绵所占的体积比为10%时,其处理废水的可持续通量最大,是未添加海绵时的2倍。Ngo等人对SSMBR中可持续再生水进行试验,在相同操作条件下将2种不同类型的海绵(S28-30/45R和S16-18/80R)投加到生物反应器中,其可持续通量分别是SMBR(未添加海绵)处理废水时的2倍和1.4倍。

上述研究结果表明投加海绵可以显著提高可持续通量。结合悬浮海绵的流动性分析可得:在SMBR中添加海绵提高可持续通量主要是由于悬浮着的海绵在一定程度上能够清洗沉积在膜表面上的污染物质,防止毛孔阻塞,并且降低膜表面滤饼层的形成,从而增加可持续通量。

而海绵体积比为20%时的可持续通量低于体积比为10%的通量,可能是由于海绵达到一定数量后若再增加海绵个数会使其流动性变差,不利于膜的高效运行。因此反应器中海绵体积比对膜通量有很大影响。

2.2对有机物和营养物质的去除效果

SSMBR系统表现出高效的有机物去除能力。Guo等人采用SSMBR工艺用于废水处理和再利用的研究结果表明:当污泥浓度为10,15g/L时其COD和PO3-4-P的去除率均分别超过97%和98%,且出水ρ(PO3-4-P)<0.1mg/L。当污泥浓度为15g/L时,NH+4-N去除率可达89%。Deng等人比较了SSMBR与传统膜生物反应器(CMBR)处理废水的能力,结果表明两者在去除废水中的DOC、COD方面无显著差异,均达到90%以上。而在去除PO3-4-P、NH+4-N和TN方面SSMBR要好于CMBR,尤其是对PO3-4-P的去除效果更为明显,SSMBR对PO3-4-P去除率为63.57%,而CMBR仅为27%。

由此可见,添加海绵对DOC和COD的去除效果影响不显著,其去除效果主要依靠活性污泥。另外,SSMBR系统对PO3-4-P的去除率高可能是因为海绵的结构使海绵表面具有良好的缺氧环境以及在海绵内部提供了厌氧条件,有利于PO3-4-P的去除。

2.3跨膜压差(TMP)的变化

Guo等人在研究不同污泥浓度对TMP变化的影响时发现,设定恒定膜通量为30L/(m2-h),运行7d,当污泥浓度从5g/L增加到15g/L时,TMP值随污泥浓度的增大而逐渐降低。当污泥浓度为15g/L时,TMP达到最小值29.5kPa。因此,污泥浓度是影响TMP变化的一个关键要素。Nguyen等人也指出SSMBR中TMP的变化速率很大程度上依赖活性污泥浓度和海绵结构,在相同条件下比较了SSMBR与未添加海绵的MBR中的TMP变化。试验结果表明:

SSMBR中的TMP从0.6kPa/d增加到4.6kPa/d,而在相同条件下未添加海绵的MBR中的TMP由0.6kPa/d增加到6.7kPa/d。可见SSMBR中添加了海绵介质处理废水时,TMP的增量低于无添加海绵的反应器。

SSMBR膜污染因素的研究

3.1膜污染

膜污染是指在膜分离过程中,废水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜相互作用而引起在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞,导致膜渗透通量下降且跨膜压差升高的现象。广大学者针对膜污染的形成原因进行分析,探究了SMBR中的几种可能发生的膜污染机理,主要包括:

1)污泥絮体在膜表面的沉积;2)一些胶体颗粒等物质堵塞膜孔;3)膜表面滤饼层的形成;4)膜对溶液中溶质的吸附;5)长期运行过程中污染物在组成及性质上发生变化。这些成因单独作用或共同发生均会对膜造成不同程度的污染。

3.2水力停留时间(HRT)对SSMBR中膜污染的影响

操作条件是SSMBR的运行效果与膜污染的重要影响因素,与其相关的操作条件主要包括进水水质、温度、HRT、SRT、操作压力和pH值等。

HRT是SSMBR系统优化的关键参数,也是影响膜污染的主要因素之一。Deng等人[15]通过设置不同的HRT(4,5.3,6.67h)研究HRT对SSMBR处理废水效果和膜污染的影响。发现在这3个HRT下,DOC和COD去除率均达到93%以上,并且随着HRT的增加,DOC和COD的去除效果也逐渐增加。营养物质的去除效率也随HRT的增加而增加。当HRT为6.67h时,NH+4-N的去除率高达91.29%,其去除机理主要包括:1)膜技术的污泥零排放使得硝化细菌滞留在反应器中;2)海绵中大量氨氧化菌(AOB)的存在。

另外,SSMBR对TN和PO3-4-P的平均去除率均超过80%和86%。此外,对污染物的结垢速率的研究发现:在HRT为6.67h时运行73d,TMP由2kPa增加到8kPa,随后运行至100d时TMP达到18.5kPa,此过程中的结垢速率仅为0.175kPa/d。而当HRT为5.33,4h时,SSMBR分别运行时间为40,27d时,TMP已经达到35kPa,产生的结垢率分别为0.825,1.204kPa/d。

这很大程度上归因于海绵表面/内部的缺氧/厌氧条件,揭示了同步硝化反硝化(SND)过程的存在。降低HRT可以缩短SSMBR的过滤周期,导致过滤性能下降,加剧膜污染。此外,降低HRT会降低有机物的去除率从而导致有机负荷增加,削弱生物系统对有机物的降解能力,加剧膜污染的形成。

3.3微生物絮凝剂对SSMBR中膜污染的影响

通常情况下,MBR中的膜污染过程大致分为3个阶段:第1阶段在开始运行后的短时间内TMP快速升高;第2阶段TMP在较长时间内缓慢增高,称为缓慢污染阶段;第3阶段是TMP的跃升阶段,此阶段很有可能直接导致MBR无法正常运转。这3个阶段产生的原因分别是膜孔径变小,膜面生物膜的生长和凝胶层的覆盖导致滤饼层增厚,膜污染的“自我加速”。凝胶层主要成分为被膜所截留的胶体和溶解性大分子泥饼层,其形成的主要原因是生物污泥絮体的堆积。

微生物絮凝剂具有高效、无毒、无二次污染等特点,应用领域广泛,可用于不同的污水生化处理中,是一种具有良好应用前景的天然有机高分子絮凝剂。当絮凝剂加入MBR后,可弱化膜污染的第1阶段,延长膜污染的第2阶段,并且推迟和延缓膜污染第3阶段。在SSMBR系统中投加微生物絮凝剂可以进一步减少膜污染,改进活性污泥与滤饼层的性质。Deng等人在SSMBR中投加Gemfloc絮凝剂的研究结果如表1所示。

表1在SSMBR-G运行阶段各污染物的去除效率

由表1可知:投加微生物絮凝剂对于提高SSMBR过滤性能和减少膜污染具有显著作用。因此,进一步研究微生物絮凝剂的种类对膜污染的影响,研究开发对膜污染物有优越去除性能且价格低廉的微生物絮凝剂材料是很有必要的。

4结论

SSMBR处理废水时表现出优越的特性,具有可持续通量大、污染物去除率高、TMP增量小、膜污染率低等优异的特性,在污废水处理回用方面有着广阔的研究和应用前景。然而目前国内外对SSMBR的研究还处于实验室阶段,实现真正意义上的广泛应用还需作进一步的研究和探索,完善SSMBR在工程实际应用中的可行性是必要的。

影响膜污染的因素主要有膜组件(膜材质、结构和组件结构等)、污泥特性(EPS和SMP等)和操作条件(进水水质、温度、HRT等),但目前国内外对SSMBR工艺研究较少,尚未形成全面的SSMBR膜污染影响因素的研究体系,还需进一步深入探索。

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