1、1厌氧和好氧 MBR 处理生活污水运行效果及膜污染特性比较研究导读：就爱阅读网友为您分享以下“厌氧和好氧 MBR处理生活污水运行效果及膜污染特性比较研究”资讯，希望对您有所帮助，感谢您对 的支持!厌氧和好氧 MBR 处理生活污水运行效果及膜污染特性比较研究田禹 L2,纪超 1,王凯 1,卢志明 11 哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨,中国,1500902 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室hittianyu163.corn摘要:厌氧 MBR 技术不仅保留了厌氧技术能耗低、剩余污泥产量低、可产生沼气能源等特点,而且从根本上解决了厌氧微生物流失的问题,实现了 SRT 和 HRT
2、 的分离,有效提高了厌氧技术的处理效果和运行稳定性。实验利用厌氧和好氧 MBR2对模拟生活污水进行处理,在相同的运行条件下,对二者的运行效果和膜污染特性进行了比较研究。结果表明,厌氧 MBR 的出水 CoD 为 49mg/L(平均值),达到中水回用的基本要求,COD 去除率约为90%,略低于好氧 MBR(93%)。厌氧 MBR 的膜污染速度明显快于好氧 MBR,仅 25 天就发生了严重膜污染,膜阻力分析和膜表面泥饼层形态分析结果表明,厌氧 MBR 膜表面泥饼层的迅速积累是导致其迅速膜污染的最主要原因,不仅如此,厌氧 MBR泥饼层致密均匀的结构也进一步加速了膜污染进程。关键词:厌氧 MBR,生活
3、污水,膜污染,泥饼层1.引言近年来,国内外学者在水处理领域取得了卓越成绩,开发了 UASB、EGSB、CASS、MBR 等一大批新型水处理技术,为改善全球水环境带来了希望。MBR 技术的核心是在好氧活性污泥工艺中引入膜过滤技术,使微生物完全截留在反应器中,省去了沉淀池,减少了占地面积,而且由于微生物量大大增加,反应器的运行负荷和处理效果得到了极大的提高。自 20 世纪 60 年代后期 MBR 首次商业化3应用以来【l】, 在短短 40 年的时间里,MBR 技术已成为水处理领域最可行的技术之一 f2 捌。然而,围绕MBR 的研究却很少涉及厌氧工艺,既然膜过滤技术可以极大地提高好氧工艺的处理效果,
4、那么如果将厌氧生物处理和膜过滤技术相结合,能否同样得到令人满意的结果呢?2006 年,Liao 等 14J 综述了厌氧MBR 技术的应用和发展前景,指出厌氧 MBR 不仅保留了厌氧技术投资少、能耗低、污泥产量低、可产生沼气能源等特点,而且从根本上解决了厌氧微生物流失的问题,实现了 SRT 和 HRT 的分离,有-163- 效提高了厌氧技术的出水效果,为生活污水、污水 污泥以及工业废水的处理带来新思路,必将推进厌 氧和MBR 技术的巨大发展。但是,同好氧 MBR 一样,厌氧 MBR 技术发展 的最大障碍依旧是膜污染 I 油】 ,而且由于厌氧微生物 种类繁多,运行条件苛刻,其膜污染势必比好氧 MB
5、R 更加复杂,且难以控制,大量实践经验表明厌 氧 MBR 的膜污染非常迅速。近年来,有关厌氧 MBR 处理效果的研究报道越来越多【.阳】,而涉及厌 氧 MBR 膜污染的研究非常少,人们对厌氧 MBR 的 膜污染认识还处在探索阶段。要想全面推广厌氧 MBR 技术,单单从运行效果上去研究远远不够,必 须充分了解和掌握厌氧MBR 膜污染特性和机理, 并从反应器的结构、膜材料、运4行方式等多个方面 着手,寻找有效控制厌氧 MBR 膜污染的方法。未 来的十几年内,厌氧 MBR 的机遇与挑战并存,必 将对 MBR 技术乃至整个水处理技术带来深远的影 响。2.方法2.1 研究的主要内容实验利用厌氧和好氧两套
6、 MBR 对模拟生活污 水进行处理,研究比较了厌氧和好氧 MBR 的运行 效果及膜污染特性,验证了厌氧 MBR 处理生活污 水的可行性,揭示了厌氧MBR 的膜污染特性。2.2 实验装置实验建立了两套结构完全一致的浸没式 MBR (厌氧 MBR为密闭式结构),MBR 主体由有机玻 璃制成,有效体积均为7.2L。膜组件采用聚乙烯中 空纤维膜 (日本,三菱),孔径为0.49m,膜面积 0.08m2。膜组件下方设有两排微孔曝气管,好氧 MBR 利用空气压缩机为微生物提供氧气,同时控制 泥饼层的过度积累;厌氧 MBR 利用真空气泵对厌 氧 MBR 中产生的气体进行循环,实现反应器的充 分混合并控制污染物
7、在膜表面的过度沉积,多余的 产气利用排水法进行收集。两套MBR 采用同一套 进水系统,利用蠕动泵实现进水和出水的流量控2Q! 腥挂盛处理拉苤班究与应田国匝会丝论立箍掣瑞 j 黝磁;i 蔷挈硼酌 【-5:=】 。45一 E;=一 d=”-mIh一d 。 = 二 _.,茹在 280 玉左右.两套 MBR 的 HRT 均控制在 10 小时。当 TMPi 30KPa 时.停止 MBR.取出膜组件井依次进行水力清洗和化学清 洗,性膜通量恢复到新膜通量的95%以上,重新启 动 MBR。具体见表】 。袭 1 厌氧和好氧 MBR 的运行条件运行条件 女氧 MBR 厌氧 MBRHRTml 10SRT(d) 28
8、0膜通量(L,m 砘)8,04曝气最(m1010_+002Tf125pH 773657DO(mL) 6(01MLSS(mg/L) 60005800 2541j:蚕裳瓤和好氧 MBR 的 co。去睬效果和膜 污染特性进行 7 比较研究.具体的榆测方法见 袭 2。646表 2 分析方法及检测仪器分析项目 方法或仪器膜通量蛋白质多耱泥饼层形态膜表面粗糙度重铬酸钾法重量法压力变送嚣体积计数法Foin 分光光度法 苯酚.硫酸法扫描电子显微镜 原子力显微镜3.结果3.1COD 去除效果的比较在近 50 天的运行时间里,厌氧 MBR 表现出较 好的 COD去除效果(图 2),出水 cOD 为 49mL (平
9、均值),去除翠高选90%,达到了中水回用的 基本要求.其处理效果明显优于现有的高教厌轼反 应器,但和好氧 MBR 相比.还有定的差距,可 阻看到.在实验周期内。厌氧 MBR 的出水 COD 始 终高于好氧 MBR。分析认为:膜的截留作用使厌氧 微生物完全停留在反应嚣中.提高了厌氧系统的微 生物量,从而提高了7有机物的击除效率;另 方 面.一些未能被厌氧微生物充分降解的有机物+被 膜或膜表面的泥饼层截留.使得撮氧 MBR的 COD 去除效果进一步提高。综上所述.厌氧 MBR 表现 出较高的 COD 去除效果。但是受厌氧微生物代谢 速率的限制,厌氧 MFIR 的 COD 去除牢仍低于好氧 MBR,
10、=:i。+,+=:i: 二”“8图 2MBR 出水 COD 去除效果的比较 进一步对厌氧和好氧 MBR 上清液的 COD 进行 分析.结果如图 3 所示.厌氧MBR 上清蘸的 COD 台量明显高于好氧 MBR.这一结果也验证了上面的 分析。受厌氧微牛物代谢能力的限制,厌氧MBR 的有机物去除宰低于好氧 MBR,表现为厌氧 MBR 0上清液的 COD 含量较高,但是由于膜截留作用,一部分未降解的有机物能够被膜有效截留,因而出水COD 仍然较低,厌氧 MBR 仍有较好的出水效果。十厌氧8R 十好氧 hmR运行时问(d)图 3MBR 上清液 COD 的变化情况3.2 膜污染特性比较在恒定的通量下,T
11、MP(过膜压力)的变化可以很好的反映 MBR 的膜污染情况。总体上看(图.4),厌氧 MBR 的 TMP 增长速度始终高于好氧 MBR,几乎没有稳定期,表现为两阶段膜污染,而好氧 MBR 则呈现典型的三阶段污染。厌氧 MBR在启动初期便发生了较为严重的污染,表现为 TMP的迅速升高,之后进入一段短暂的平稳期(6-10天),随后则发生 TMP 跃迁。相比而言好氧 MBR的膜污染速度较慢,并且主要发生在 MBR 的运行后期。10203040遥行 lt 问(d)图 4TMP 的变化情况进一步对二者的膜通量进行比较,也得出了较为相似的结果,如图.5 所示,当 TMP 发生跃迁时,膜通量也开始迅速下降,
12、分析认为:膜通量存在一个临界值,当实际通量高于此值时则会发生迅速膜污染。在膜过滤的过程中,随着污染物质在膜表面9的累积,膜过水面积不断下降,使得实际膜通量增大,当其超过临界通量时,则会引发膜的迅速污-165 染,从而导致膜过滤性能迅速下降,表现为TMP 的 跃迁。O 102030运行时司(d)图 5 膜通量的变化情况3.3 膜阻力分析实验分别对厌氧和好氧 MBR 污染后的膜组件 进行了膜阻力分析,结果如表.3 所示,虽然厌氧和 好氧 MBR 的膜污染速度存在较大差异,但膜表面 泥饼层的阻力均是膜阻力的主要来源,而由膜孔堵 塞所造成的阻力仅占很小一部分。该结果表明膜表 面泥饼层的污染是厌氧和好氧
13、 MBR 膜污染的主要 原因,进而推测厌氧 MBR 的迅速膜污染很有可能 是膜表面泥饼层的迅速累积导致的。分析认为:包 括污泥特性、有机物浓度等在内的一系列因素促使 厌氧 MBR 膜表面的泥饼层迅速形成,膜阻力迅速 增大;同时也阻碍了有机物在膜表面的吸附和膜孔 的堵塞,因此虽然厌氧 MBR 中有机物含量较高, 但膜孔堵塞并不严重,其阻力反而低于好氧MBR。 一般认为,在短期运行过程中,泥饼层污染是可逆 的,而膜孔堵塞是不可逆的,如果可以很好的控制 泥饼层的形成,不仅会缓解厌氧 MBR 的膜污染, 而且可以利用泥饼层对污10染物的截留实现对膜的 “保护”,从而可以有效延长厌氧MBR 的运行时 间
14、。表 3 膜阻力分析结果膜阻力 厌氧 MBR 好氧 MBR R。0.02(1.0%)0.02(1.4%) Rf 膜孔堵塞 阻力;R为总阻力。3.4 膜表面泥饼层形态观察如图.6(a、b)所示,厌氧和好氧 MBR 的膜表 面均有显著的泥饼层,但厌氧 MBR 泥饼层的厚度 l975命 置 一 冒 毯珊 瑚 m m 如 o 富“如” 加“ , 0 茑 卜2Ql 2 厦攘 zK 盐理越苤既宜皇应田国匠金议论直盎较好氧 MBR 小.且分布均匀.结构紧密,表面投 有明显起伏:好氧 MBR 膜面的泥饼层则有较太污 泥絮体,孔隙清晰。进一步放大对泥饼层的观察 (图 c、d)可出看到,厌氧 MBR11膜面泥饼层
15、中台 有大量的球菌.短杆菌以及少量的丝状菌,它们和 污泥颗粒结台在一起组成了泥饼层。而好氧 MBR 的泥饼层中则含有大量尺寸较大且相互交联的丝状 苗。分析认为:膜面泥饼层的形态与其微生物种群 存在着密切联系.丝状苗作为好氧污泥絮体的骨 架.会随污泥絮体一起沉积到啦表面.它们相互交 联在一起,形成立体网格式结构,对膜表面污染物 起到支撑和固定的作用,并且随着丝状菌的大量繁 殖,污泥絮体结构也变得更加不规则,最终在膜表 面形成厚度较大的泥饼层 a 厌氧微生物则多以尺寸 较小的球菌和杆茁为主,形成的污泥絮体不仅体积 较小一且形态规则,它们会咀层叠的形式覆盖在膜 表面,井随着时问的推移-不断的压实.填
16、满相互 之问的空隙,是终彤成均匀且致富的泥饼层。国窟 窿鬻 。厌鼎鑫譬严鬻譬嚣懋照岛。氧 (a)厌氧泥饼层:(h)好氧怩饼层 ;(c)厌氧MBR 膜面茼落:(d)好氧 MBR 膜面菌落;3,5 膜表面租糙度分析为了对膜面泥饼层的形态和结构有更为直观的 认识.实验采用原子力显触镜对混饼层的形态进行 了观察( 图 7),可咀看到厌氧和好氧 MBR 污染后 的膜袁面形态存在较大差异,前者的泥饼层明显较 薄.且起伏较小.几乎看不到孔隙;而好氧 MBR 泥饼层的厚度和起伏都很太,孔隙也清晰可见。对 12AFM 冈像进f 表面相糙度计算,结果如表 4 所示, 厌氧MBR 泥饼层的平均粗糙度(心) 和均方根
17、粗 糙度( 凡)均最小,其次是好氧 MBR 的膜表面,166新膜表面的粗造的最大。一股的共识认为.膜表面 粗糙度越大,透水性越好,反之则相反。厌氧 MBR 膜表面的泥饼层虽然厚度较小.但却平整有规则。 起伏较小,孔隙率较低,凼此透水性远低于好氧 MBR 的泥饼层-对膜污染的影响更大。该结论也进 一步验证了厌氧 MBR 膜表面泥饼层的形态和结构 对其迅速膜污染有很大影响。穆?,1: 。厌氧:瑞端甓瀚需吣表面 袁 4 膜而粗糙度分析分析 新膜 厌氧 MBR 好氧 MBR 碳目 表面 膜面 膜新 R.(nm) I 30913672308107063 艮(Nm) 16188788885I 32I 52
18、注:凡为平均粗糙度:凡为均方根租糙度。4 结论(1)实验结果表明利用厌氧 MBR 处理生活污 水是可行的,其处理效果明显高于现有的高效厌氧 反应器,并且可以达到中水回用的标准。尽管如 此.车实验中的厌氧 MBR 并没有有效提高厌氧微 生物的代谢降解能力,表现为厌氧 MBR 上清波剩 余的 COD 台量较高,因而没有充分发挥出厌氧 MBR 的优势。以后的研究工作应该把重点放在优化 厌氧MBR 的运行条件咀及反应器构型的研发上, 充分发挥厌氧13MBR 低能耗,水处理效率高等优 势。(2)厌氧 MBR 的膜污染速度明显快于好氧 MBR.仅 25 天就发生 7 严重膜污染.极大地降低 了厌氧 MBR
19、 运行的稳定性和经济性。膜阻力分析 和膜表面扭糙度的分析结果表明,厌氧 MBR 膜表 面泥饼层的迅速积累是导致其迅速曦污染的最主要 原固.除此之外,厌氧 MBR 泥饼层致密均匀的结 构也对其膜污染产生较大影响。因此如何有效控制 厌氧MBR 的泥饼层迅速沉积是缓解其膜污染的关 键所在。有关厌氧 MBR 膜污染机理和控制的研究 将是夸后研究工作的重点.也是推动厌氧 MBR 技 术发展的最大动力。2Ql!膜法丞处理技苤班究当应用国医会这论文塞参考文献【l】I.Bemberis,P.J.Hubbard,and F.B.Leonard, Membrane sewage treatment systems
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