浸沒式平板膜-生物反應(yīng)器長期運行特性研究.pdf

1、膜-生物反應(yīng)器作為一種新型、高效的污水處理技術(shù)，具有諸多傳統(tǒng)生物處 理工藝所無法比擬的優(yōu)點：出水水質(zhì)好、污泥濃度高、可承受的有機(jī)負(fù)荷高、 占地少等特點；因而在近年來，膜-生物反應(yīng)器的應(yīng)用越來越廣泛。平板膜由于 其通量高、抗污染能力強和水力學(xué)條件易于控制的優(yōu)點，在國際膜-生物反應(yīng)器 領(lǐng)域中得到了較好的研究和應(yīng)用。但是，我國的平板膜-生物反應(yīng)器的研究明顯 滯后，且平板膜-生物反應(yīng)器的應(yīng)用比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中空纖維膜-生物反應(yīng)器，而 在

2、國際的膜-生物反應(yīng)器市場上，平板膜-生物反應(yīng)器的應(yīng)用比例達(dá)到了68％(截 止至2006年)。因此，國內(nèi)對平板膜-生物反應(yīng)器的研究必須迎頭趕上，以平衡 膜-生物反應(yīng)器的發(fā)展與應(yīng)用的需求。 本論文主要借助于一套長期運行的中試規(guī)模的平板膜-生物反應(yīng)器和幾套小 試膜-生物反應(yīng)器，跟蹤研究平板膜-生物反應(yīng)器在處理典型城市生活污水的特 性。主要研究了平板膜-生物反應(yīng)器長期運行過程中膜過濾性能的變化、膜清洗 效率及清洗方式的結(jié)合，

3、研究了長期運行過程中的污染物去除效果、SND效 果、化學(xué)除磷以及污泥產(chǎn)率系數(shù)，同時重點研究分析了污泥濃度、污泥性質(zhì)以 及污泥組分與膜污染以及對膜-生物反應(yīng)器長期運行的特性影響，并分析總結(jié)了 浸沒式膜-生物反應(yīng)器的膜污染機(jī)制和理論，旨在為平板膜-生物反應(yīng)器的應(yīng)用 提供一定的技術(shù)支撐。 本論文引入了膜過濾性能這一綜合評價參數(shù)，系統(tǒng)跟蹤研究了浸沒式膜-生 物反應(yīng)器在長期運行過程中膜過濾性能的變化，全面綜合評價了平板膜在長期 運行

4、過程的過濾分離性能的變化。 本研究中的中試平板膜-生物反應(yīng)器在膜投入運行的第一年時間內(nèi)，膜的凈 通量基本在20.0～25.0 L/(m2h)之間變化(冬季運行的部分?jǐn)?shù)據(jù)除外)，最高運行 通量達(dá)到30.6 L/(m2h)。在膜運行的第二年，雖然運行通量有些下降，但膜凈 通量的平均值能夠維持在17.0L/(m2h)左右。從清洗周期來看，新膜在投入使 用后的前期，清洗周期在3～4個月，但是隨著運行時間的延長，清洗周期降低 為1～2

5、個月。在線維護(hù)清洗在一定程度上能夠恢復(fù)膜的過濾性能，但隨著膜運 行時間的延長，需要結(jié)合加強在線清洗手段來提高膜過濾性能的恢復(fù)率，在必 要時需采用離線清洗手段。從平板膜-生物反應(yīng)器長期運行污染物去除效果來 看，膜-生物反應(yīng)器具有較強的抗沖擊負(fù)荷的能力，無論進(jìn)水COD如何波動， 出水COD絕大部分在30 mg/L以下，COD去除率維持在95％左右。出水氨氮 的濃度與反應(yīng)器中的DO濃度密切相關(guān)，反應(yīng)器的DO濃度(降流區(qū)表面的DO

6、濃度)只要大于0.3 mg/L，出水的氨氮濃度一般都小于8 mg/L。在高污泥濃度 運行條件下，系統(tǒng)具有良好的SND效果。在DO濃度為0.2～0.3 mg/L之間，當(dāng) 進(jìn)水的TN為39～70 mg/L時，出水TN在13～19 mg/L之間波動，TN的去除率 在60～70％之間。通過對膜-生物反應(yīng)器的化學(xué)除磷研究表明，適宜的聚合硫酸 鐵(PFS)投加量為14 mg全鐵/L-進(jìn)水)，在此投加劑量條件下，膜-生物反應(yīng)器 出水總磷在1

7、.0 mg/L之下，平均出水總磷小于0.5 mg/L。污泥的動力學(xué)系數(shù)研 究表明，該中試規(guī)模的膜-生物反應(yīng)器在SRT 10d、20d、30d和40d的表觀污 泥產(chǎn)率系數(shù)Yobs分別為0.247、0.151、O.128、O.113 kgMLVSS/kgCOD，中試 膜-生物反應(yīng)器污泥的凈產(chǎn)率系數(shù)Y為0.402 kgMLVSS/kgCOD，內(nèi)源代謝系數(shù) Kd為0.068d-1。 污泥濃度影響到混合液的流變學(xué)性質(zhì)，當(dāng)污泥濃度在10g

8、/L以下時，混合 液屬于牛頓流體；當(dāng)污泥濃度大于10g/L時，混合液屬于觸變形流體；污泥濃 度同時影響到反應(yīng)器中曝氣傳質(zhì)特性，污泥濃度升高，曝氣傳氧速率下降，當(dāng) 污泥濃度從4.5g/L升高至21.5g/L時，傳氧速率系數(shù)從0.565降低至0.155；污 泥濃度同時影響到反應(yīng)器循環(huán)流速，在相同的曝氣條件下，污泥濃度越高，反 應(yīng)器的循環(huán)流速越小。 對污泥性質(zhì)的研究表明，CST、SCOD、EPS、混合液中的多糖物質(zhì)、混合 液中的

9、蛋白質(zhì)、粘度和MLSS與膜污染具有正相關(guān)關(guān)系，溫度與膜污染之間具 有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。EPS中的LB部分對膜污染的影響更大，EPS物質(zhì)主要 成分是糖類和蛋白質(zhì)等物質(zhì)。污泥性質(zhì)同時影響到臨界通量，CST或SCOD升 高，則臨界通量呈現(xiàn)下降的趨勢。對運行通量的研究結(jié)果表明，較為適宜的運 行通量值僅為臨界通量值的56％。 在不同SRT工況常穩(wěn)定運行情況下對污泥三組分與膜污染之間的關(guān)系分析 表明，不同泥齡下的微生物懸浮固體隨著泥齡的

10、增大所形成的膜污染阻力所占 的百分比越大。在異常情況下污泥三組分對膜污染的影響研究表明，在冬季極 端氣溫條件、泡沫污泥以及在線化學(xué)清洗后的污泥三組分所形成的膜污染阻力 大于或遠(yuǎn)大于正常穩(wěn)定運行情況下污泥三組分所形成的膜阻力。在冬季極端氣 溫運行條件下，膠體物質(zhì)、溶解性物質(zhì)各自所形成的膜阻力已經(jīng)超過了SS所 形成的膜阻力。 通過對膜-生物反應(yīng)器長期運行特性的考察以及膜污染特性的研究，可知膜 污染的過程中首先是粒徑較小的物質(zhì)優(yōu)

11、先進(jìn)行堵塞膜孔或者在膜面進(jìn)行累積， 而大顆粒物質(zhì)相比之下比較不易在膜面累積。在浸沒式膜-生物反應(yīng)器恒流操作 中，膜污染的過程主要分為兩個階段，第一階段是膜污染緩慢發(fā)展的過程，主 要是EPS、SMP以及其他大分子有機(jī)物質(zhì)在膜面吸附、沉積或堵塞膜孔的過 程，膜表面并無泥餅層出現(xiàn)，這與傳統(tǒng)的膜污染理論(認(rèn)為浸沒式膜-生物反應(yīng) 器會不可避免地形成泥餅層)不同，同時這一階段是膜-生物反應(yīng)器運行周期的 主導(dǎo)部分；第二階段，膜污染發(fā)生劇烈

12、，膜阻力迅速上升，在短時間內(nèi)達(dá)到運 行壓力的終點，預(yù)示著清洗時機(jī)的到來。泥餅層的污染與凝膠層是不同的，應(yīng) 該區(qū)別看待。泥餅層的污染是主要由污泥絮體在膜面大量沉積造成的，其主要 原因在于膜-生物反應(yīng)器設(shè)計不當(dāng)或者操作運行條件不適宜等造成的，通過合適 的設(shè)計和操作參數(shù)優(yōu)化是可以控制或避免泥餅層的形成；凝膠層的污染主要是 由于活性污泥體系中小顆粒物質(zhì)包括胞外聚合物(EPS)、微生物溶解性產(chǎn)物 (SMP)、糖類和蛋白質(zhì)等一些有機(jī)物質(zhì)