一体式膜-生物反应器中膜面污泥沉积速率及其影响因素
摘要:膜面污泥沉积是膜污染的主要构成部分. 膜间液体上升流速(曝气量) 、膜通量和污泥浓度等运行条件是影响一体式膜2生物反应器膜面污泥沉积速率的重要因素. 本研究通过均匀设计法安排了10 次试验,实测了各试验点下的膜间液体上升流速,得到了适用于活性污泥混合液条件下的膜间液体上升流速计算模型. 并实测了膜过滤阻力的上升速率,建立了膜间液体上升流速( uLr) 、污泥浓度( X) 和膜通量( J) 对污泥沉积速率( K) 的影响模型: K= (81933 ×107) ·X01532·J01376·uLr- 31047 . 通过该模型,可以讨论临界曝气强度和临界膜通量,也可以对不同操作条件下的膜污染发展情况进行预测.
关键词:膜污染,污泥沉积速率,曝气强度,膜通量,污泥浓度,膜间液体上升流速
膜-生物反应器(Membrane Bioreactor ,MBR) 是将生物处理和膜分离技术有机结合的新型高效污水处理与回用工艺. 该工艺因出水水质优良稳定、容积负荷高、占地小、剩余污泥产量低、操作管理方便等突出特点,正得到越来越多的研究和应用.众多学者的研究发现,膜污染是影响膜2生物反应器长期稳定运行的关键因素. 如何有效地控制膜污染的发展,使膜的清洗周期维持在合适的水平,是膜2生物反应器研究中的难点之一。
通常,膜污染从形成的形态上主要有膜孔堵塞、膜面凝胶层和污泥层. 其中,污泥沉积是膜污染的主要构成部分[1 ,2 ] . 而污泥颗粒在膜表面沉积与否,与膜面液体错流流速、膜通量和污泥浓度等运行条件密切相关.Ueda et al 探讨了一体式膜2生物反应器中曝气强度对膜面液体上升流速及其对膜过滤压差的影响[3 ] ; Kishino et al 从理论上给出了液体上升流速的计算模型[4 ] . 但是他们均未对膜通量和污泥浓度对膜污染的综合影响进行研究.桂萍首次运用正交设计的试验方法对膜污染速度与污泥浓度、曝气量和膜通量的关系进行了全面考察[5 ] . 但其试验中各变量的取值范围较窄,不能包括所有实际设计中可能出现的各种情况,而且尚未回归出膜过滤阻力的增长速率与运行条件的定量关系,限制了该结果的推广应用.
本研究以一体式膜2生物反应器为对象,采用均匀设计(Uniform Design)的试验设计方法[6 ] ,综合考察了膜间液体上升流速(曝气量) 、膜通量和污泥浓度对膜面污泥沉积速率的影响,建立了各运行条件对膜面污泥沉积速率的定量关系.
1 试验装置与方法
1.1 试验装置
试验中使用如图1 所示的2 套相同的一体式膜2生物反应器装置同时运行.
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生物反应器有效容积为180L ,被2 块挡板分隔成一个升流区和2 个降流区,有关结构尺寸见表1. 膜组件是日本三菱公司生产的聚乙烯中空纤维微滤膜,孔径为014μm ,膜面积为3m2 ,置于升流区内. 膜下设有穿孔管鼓风曝气,以提供微生物代谢所需的氧气及膜面的错流流速. 膜组件的运行采用间歇运行模式,抽吸出水15min ,停止5min. 膜过滤出水返回生物反应器以保持反应器内混合液性质及液位恒定. 为了防止反应器内污泥浓度因内源呼吸而降低,每天用隔膜泵( 型号X0302XB2AAAA365 , chem2tech series 100 , IDEX 公司生产) 向生物反应器内输入一定数量的葡萄糖配水,同时弃去相应体积的膜过滤出水.
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1.2 试验设计
为了能够在合理的试验规模上扩大各变量的取值范围,使其包括所有实际运行中可能出现的情况,本研究采用均匀设计法进行试验设计. 对曝气强度( G) 、膜通量( J ) 和污泥浓度( X) 分别取10 个水平[ G :10～100m3/ (m2·h) ;J :415～27 L/ (m2·h) ; X :2～20 g/ L ] ,然后按照均匀设计表U11 (1110) 安排10 次试验(详见表2) ,在每次试验中考察膜间液体上升流速及与之相应的膜面污泥沉积速率. 膜间液体上升流速采用LS45 型旋杯流速仪(水利部重庆水文仪器厂生产) 测定. 膜面污泥沉积速率通过测定膜过滤压差的变化,计算膜过滤阻力,采用膜过滤阻力随时间的上升速率进行间接表征.
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2 结果与讨论
2.1 膜间液体上升流速模型
对于粘度较小的牛顿流体, Yusuf Chisti 和Murray Moo2Young 曾利用反应器内能量守衡,
在忽略流体与反应器壁摩擦阻力的情况下给出了气提式反应器中液体上升流速的计算公式[7 ] . 该公式经过简单改变后即可应用于一体式膜2生物反应器中液体上升流速uLr的计算,
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式(1) 中: uLr为牛顿流体的膜间液体上升流速(m/ s) ; g 为重力加速度(m2/ s) ; hD 为曝气后的液面高度(m) ; A r 为膜2生物反应器升流区过水总断面积(m2) ; A d 为膜2生物反应器降流区过水总断面积(m2) ;εr ,εd 为升流区和降流区的含气率; KB 为反应器底部区域的阻力损失系数.但是,在更多的情况下,膜生物反应器中的污泥浓度比较高,混合液粘度比较大,应视为非牛顿流体. 如果仍然用式(1) 计算膜间液体上升流速,计算值就会与实际值偏差较大. 因此,需要对上述模型进行修正.
根据表2 中均匀设计的试验安排,对不同污泥浓度( X) ,同时测定对应X 值下的混合液粘度μ值、曝气强度( G) 下的膜间液体上升流速( uSr) 进行测定,结果如表3 所示. 表3 中同
时列出了根据式(1) 计算得到的清水时对应曝气强度( G) 下的膜间液体上升流速uLr[8 ] .
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根据表3 中的数据,采用多元线性回归的方法,就可以建立适于活性污泥混合液(非牛顿流体) 条件下的膜间液体上升流速模型:uSr = 11406 uLr11226 μ- 01147 (2)
对上述回归方程的F 检验表明,计算所得87198 的F 值远大于在0101 水平上的标准值9.6 ,证明污泥浓度与曝气强度对膜间液体上升流速具有明显的影响.
表3 中实测X 值及μ值的关系可用图2 所示.
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由此也可以把污泥混合液条件下的膜间液体上升流速uSr表示成清水流速uLr和污泥浓度X 的函数:
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由于uLr与曝气强度密切相关,随曝气强度的增加而增大(刘锐,2000) ,所以从上式可以看出,曝气强度对uSr有着明显的正影响,而污泥浓度则起着负影响.
2.2 膜面污泥沉积速率模型
根据过滤理论,膜过滤阻力可由(4) 式计算
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式中: J 为膜通量,L/ (m2 ·h) ;Δp 为膜过滤压力,Pa ;μ为滤液(可视为清水) 粘度,mPa·s ; R为膜过滤阻力,1/ m.
清水粘度(μ) 可由经验公式(5) 算得:
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式中, t 为实测反应器中的水温, ℃
按表2 中所列试验点的条件进行试验,记录不同时刻的膜过滤压力(Δp) ,然后根据式(4) 即可算得相应时刻的膜过滤阻力( R) .
对每一个试验点都测定了膜过滤阻力随时间的变化情况,图3 所示为试验点1 中的实测结果. 由图3 可知,在试验时间内,膜过滤阻力基本上随时间线性增加. 因此,可以通过直线拟和,求出膜过滤阻力上升速率( K) .
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表4 列出了各试验点中膜过滤阻力上升速率( K) 的计算结果. 其中所列uLr值是根据式(1) 计算得到的清水时对应曝气强度( G) 下的膜间液体上升流速[8 ] .
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根据表4 中的数据,同样采用多元线性回归的方法, 就可以建立膜过滤阻力上升速率( K) 与运行条件的关系式,即:
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对上述回归方程进行F 检验, 计算所得2.39 的F 值大于在012 水平上的标准值2.1 ,证明3 个运行参数对膜过滤阻力上升速率的影响是比较显著的.
由此模型可知,污泥浓度及膜通量对污泥沉积速率均有正影响,而膜间液体上升流速则表现出显著的负影响.
2.3 不同运行条件下膜污染发展速率的预测
利用式(6) ,可以对不同运行条件下的膜过滤阻力的变化,即膜污染的发展速率进行预测. 图4 所示为使用数学软件Matlab (611) 分别在X = 2 和20g/ L 下作出的K 关于J 与uLr的关系曲面图.
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由图4 可见,膜过滤阻力上升速率K 随膜通量J 的增大而增加,随膜间液体上升流速(曝气强度) uLr的增大而减小. 各污泥浓度下, K 随J 和uLr的变化曲面形状非常相似:都存在一条J2 uLr临界曲线,当实际采用的J 、uLr组合值在该临界曲线以左时, K 值缓慢增长且随J 、uLr的变化不大;反之, K 值迅速增长且受J 、uLr的影响极大.
3 结论
(1) 考察了曝气量( G) 和污泥浓度( X) 对膜间液体上升流速( uSr) 的影响,建立了适用于活性污泥混合液条件下的膜间液体上升流速计算模型:
(2) 综合考察了曝气量(膜间液体上升流速) 、膜通量和污泥浓度对膜面污泥沉积速率的影响,建立了膜面污泥沉积速率( K) 的计算模型:
(3) 根据污泥沉积速率模型对不同运行条件下的膜污染发展情况进行了预测,找出了对应临界膜通量和临界曝气量的J2 uLr临界曲线.
参考文献:
1 Magara Y, Itoh M. The effect of operational factors on sol2id/ liquid separation by ultra membrane filtration in a biological denitrification system for collected human excreta treatement plants. Wat . Sci. Tech. , 1991 , 23 : 1583～1590.
2 Muller E B , Stouthamber A H , Verseveld H W, Eikelboom D H. Aerobic domestic wastewater treatment in a pilot plant with complete sludge retention by cross2flow filtration. Wat .Res. , 1995 , 29 (4) : 1179～1189.
3 Ueda T , Hata K, Kiknoka Y,Seino O. Effects of aeration on suction pressure in a submerged membrane bioreactor. Wat .Res. , 1997 , 31 (3) : 489～494.
4 Kishino H , Ishida H , Iwabu H , Nakano I. Domestic wastewater reuse using a submerged membrane bioreactor.Desalination , 1996 , 106 : 115～119.
5 桂萍. 一体式膜2生物反应器污水处理特性及膜污染机理研究. 清华大学环境科学与工程系博士学位论文,1999 年8 月.
6 方开泰. 均匀设计与均匀设计表. 北京:科学出版社,1994.
7 Yusuf C , Murray M Y. Improve the performance of airlift reactors. Chemical Engineering Process , 1993 , (6) : 38～45.
8 刘锐,黄霞等. 一体式膜2生物反应器的水动力学特性. 环境科学,2000 ,21 (5) :47～50.
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