除渣器-山东智信环保科技

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MBR动态曝气及其在膜污染控制中的应用研究

作者: 山东智信环保科技 来源: 山东智信环保科技 发布时间:2016-06-08
膜生物反应器(MBR)将膜分离技术与活性污泥法相结合。与传统活性污泥法相比,MBR能够取得更好的泥水分离效果,提高出水水质,在石化废水处理领域也得到了广泛的应用。然而,当膜组件过滤活性污泥混合液时,污染物会不断在膜表面沉积,导致膜过滤性能降低,引起膜污染,主要表现为跨膜压差(TMP)增大或膜通量减小。膜污染仍然是限制MBR工艺在应用过程中所面临的主要问题。
曝气强度是MBR设计和运行中的重要参数,微生物生长繁殖、混合液搅拌和膜冲刷均需要曝气作用。曝气能够提升混合液使其通过膜组件通道,还可以诱导产生液流紊动和剪切力,增强膜的渗透性;同时,曝气也能提高溶解氧(DO)传质系数,为污染物的去除提供有利条件。Le-Clech等人已经证实当曝气强度低于某一临界值时,膜通量随曝气强度呈线性增加趋势;当曝气强度超过该临界值后,膜通量不会进一步增加,反而会破坏絮体结构,减小絮体尺寸并促使胞外聚合物(EPS)释放到反应器中加剧膜污染。
曝气需要大量能耗,是MBR系统运行过程中能量消耗的主要来源。如何选择一个合适的曝气强度在实际的石化废水处理中有重要意义:一方面可以缓解膜的污染速率,另一方面可以降低能量的消耗。所以在MBR应用中,曝气强度是一个非常重要的影响因素。市场上许多商业化MBR的改进都是针对降低曝气强度,同时维持膜的透水率而展开的,但是有关曝气条件优化方面的研究较少。
本实验中,MBR采用动态曝气方式处理石化废水,采用单周期跨膜压差(TMP)增长速率K表征膜污染变化特征,分析曝气条件变化对MBR处理石化废水的膜污染特征影响,研究采用动态曝气方式缓解膜污染,同时降低能耗的可行性,并提出合理建议。
01
材料与方法
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1.1 原水及水质
实验用原水取自陕西省某石化厂气浮池出水,期间原水水质波动较小。为使MBR取得稳定的处理效果,根据水质,向原水投加碳酸氢钠(NaHCO3)以补充微生物硝化作用所需碱度(按每硝化1g的NH4+-N需要消耗7.14g的碱度计)。原水的COD为(584.9±88.2)mg/L,TOC、NH4+-N、挥发酚的质量浓度分别为(73.60±48.87)、(42.62±19.25)、(21.04±10.41)mg/L,浊度94.58±26.31NTU,pH为8.46±0.69,油类的质量浓度为15.10~21.80mg/L(n=18)。
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1.2 实验装置
实验系统由MBR和计算机在线监测系统构成。
反应器有效容积为50L,其中缺氧区15L,好氧区35L;污泥回流体积比为200%,HRT为38h。膜组件为平板膜,膜面积为0.11m²,膜孔径为0.4μm。压力传感器每15s将TMP数据传输到计算机进行数据拟合计算,实现在线监测。
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1.3 运行工况
MBR系统采用恒通量运行,运行工况见表1。设定极限跨膜压差TMPmax =20kPa。当TMP达到20kPa时,进行膜清洗,用柠檬酸(质量分数0.5%)和次氯酸钠(质量分数0.2%)分别清洗膜组件8h和20h)。
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1.4 动态曝气实验方法
动态曝气是指在MBR运行过程中,根据TMP的变化特征,在不同膜污染阶段采用不同曝气强度,由控制系统对曝气强度进行调节控制。动态曝气的具体方法步骤如下:
1)工况I。在3.00m³/(m²·h)的曝气强度下运行MBR,TMP达到20kPa时停止运行。
2)工况II。在0.75m³/(m²·h)的曝气强度下运行MBR,至TMP达到20kPa时停止运行。分析TMP曲线变化特征,找出TMP增长曲线上前后曲线斜率出现显著变化的点所对应的TMP,根据TMP增长3段模式理论,该点即为膜污染从第2个阶段向第3个阶段转变的临界点,即临界TMP。本实验在0.75m³/(m²·h)的曝气强度下的临界TMP为5kPa。
3)工况III。先在0.75m³/(m²·h)的曝气强度下运行MBR,当TMP达到5kPa时,立即把曝气强度增大到1.50m³/(m²·h),当TMP达到20kPa时停止运行。分析TMP曲线变化特征,采用与第2步相同的方法找出膜污染从第2个阶段向第3个阶段转变的临界点,确定临界TMP。实验在0.75~1.50m³/ (m²·h)的曝气强度下的临界TMP为7kPa。
4)工况IV。先在0.75m³/ (m²·h)的曝气强度下运行MBR,当TMP达到5kPa时,立即把曝气量强度增大到1.50m³/ (m²·h);当TMP达到7kPa时,立即把曝气量增大到3.00m³/ (m²·h);当TMP达到20kPa时停止运行,分析TMP曲线变化特征。
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1.5 TMP单周期增长速率
根据得到的TMP数据,计算出每个运行周期内TMP增大值与周期时间t的比,即TMP单周期增长速率K,K=dΔTMP/dt。采用TMP和K来表征膜阻力的实时变化特征。
2
结果与讨论
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2.1 不同工况下TMP变化特征
不同曝气条件下的TMP变化特征。
在工况I~工况IV,TMP达到极限跨膜压差20kPa所用时间分别为25.67、19.17、23.00、26.17h。与工况II相比,工况III和工况IV所采用的动态的曝气方式能够延长MBR运行时间,更加有效缓解膜污染;且工况IV下动态曝气方式缓解膜污染的效果也明显优于工况III;与工况I相比,工况IV下TMP达到20kPa所用时间更长,表明工况IV的动态曝气方式缓解膜污染的效果优于工况I。
张君等人采用MBR处理生活污水,研究发现,当曝气强度由400L/(m²·h)增加到800L/(m²·h)时,TMP上升速率明显减小,由1.3kPa/d降低到0.7kPa/d,说明在一定范围内,曝气强度升高有利于缓解膜污染。
分别对工况I~工况IV的TMP随运行时间变化特征采用以e为底的指数函数拟合。
4个工况内TMP增长曲线的拟合函数相关系数较高,表明TMP与指数函数关系式之间具有强相关性,可以用这4个指数函数分别表示各工况的TMP随运行时间变化特征。随着曝气条件的改变,4个工况TMP随时间增长的指数函数底数也不同,工况IV的底数最小,可以预测,MBR运行足够长时间后,在相同的时间内,工况IV的TMP最低,即TMP随时间变化的增长速率最低。TMP增长曲线可知,在MBR运行12h之后,这种变化趋势更加显著。
根据TMP增长3阶段模式理论,在膜污染第2阶段TMP增长缓慢,当TMP超过某一临界值后,TMP迅速增长,出现TMP“跃迁”现象。由图2可知,在工况Ⅰ~工况III各自运行阶段内,均出现了TMP“跃迁”现象;在工况IV条件下,TMP保持相对稳定的增长速率,并未观察到TMP“跃迁”。但是,根据MBR膜污染理论和本实验结果可以预测,如果MBR在工况IV条件下运行足够长时间,最终也将会出现TMP“跃迁”现象。
与采用固定曝气强度的曝气方式相比,动态曝气方式的优势在于能够把膜污染临界点向后推移,延长MBR在膜污染第2阶段的运行时间,推迟TMP“跃迁”现象的出现。本研究结果表明工况IV的动态曝气方式能够向后推迟TMP“跃迁”的临界点,在减缓膜污染方面具有一定优势。
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2.2 不同工况下K的变化特征
MBR单周期(10min)内TMP增长速率为K,K越大,表明TMP增长越快,膜污染越快。工况I、工况II、工况III和工况IV的增长速率分别设为K1、K2、K3和K4,不同工况下的K变化特征。
在MBR初始运行阶段,各工况K相差很小;随着运行时间的增加,各工况K变化趋势出现显著差别,其中K2的增长速率明显高于其他3个工况,K4的增长速率最低。当MBR从开始运行到TMP达到20kPa时,K1从1.26Pa/s增大到5.45Pa/s,所用时间为25.67h;K2从0.82Pa/s增大到5.43Pa/s,所用时间为19.17h;K3从1.32Pa/s增大到5.52Pa/s,所用时间为23h;K4从0.95Pa/s增大到3.34Pa/s,所用时间为26.17h。结合图2和图3可知,相对于各工况下TMP的增长曲线,K变化趋势能够更加直观的表明,工况IV动态曝气方式缓解膜污染的效果明显优于其他工况。
Tardieu等人研究认为,适当增大曝气强度能提高错流速率,既能有效防止大量污泥絮体在膜面积累而导致膜过滤阻力上升,又能使污泥絮体在膜面形成一层动态膜,防止污泥絮体粉碎堵塞膜孔而引起不可逆膜污染。
K1、K2和K3的变化呈显著曲线增长趋势,且各曲线上的K分布相对集中;K4的变化在13h之前呈线性增长,在13h之后,K4分布相对比较分散,且K4小于K1、K2和K3。这是因为在工况IV下,当MBR运行到13h时,曝气强度从1.50m³/ (m²·h)增大到3.00m³/ (m²·h),提高了膜表面的切向剪切力,增强了对膜的冲刷作用,降低TMP增长速率,减缓膜污染。
高小波等人采用MBR处理石化废水,研究发现,当曝气强度分别由1.50m³/(m²·h)变为3.00m³/(m²·h)时,MBR达到设定的最大跨膜压差(TMPMax=25kPa)的运行时间显著增加,TMP上升速率降低,有效缓解了膜污染。本实验中,工况IV的动态曝气强度为0.75-1.50-3.00m³/(m²·h),缓解膜污染的效果最佳。
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2.3 各主要污染物去除特征
MBR对各主要污染物的去除特征见表3。
MBR对原水中的COD、TOC和NH4+-N取得了较好的去除效果。其中,COD、TOC、NH4+-N平均去除率分别为79.30%、75.04%、64.94%。
陈立等人采用MBR处理灌溉工程污水,当曝气强度分别为300、500、800L/h时,对COD的平均去除率分别为90%、97%、96%;高小波等人研究发现,在曝气强度分别为1.50、3.00m³/ (m²·h)的条件下,MBR对COD和NH4+-N及挥发酚平均去除率分别为80.74%、80.23%,96.79%、97.55%,99.34%、98.84%,曝气强度的变化对MBR的污染物去除性能无显著影响。但是,在实际生产中,为了降低运行成本,曝气强度应该根据实际工程需要进行选择。
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2.4 不同工况下MBR的处理水量
在工况I~工况IV下,MBR的处理水量分别为33.88、25.30、30.36、34.54L。其中,工况IV出水量最大,工况II下出水量最小。由此可知,当极限跨膜压差设定为20kPa时,MBR在工况IV下对废水的处理能力优于其他工况。
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2.5 不同曝气条件的能耗
曝气采用HAILEA ACO-318型电磁式空气压缩机,额定电压和频率为220V和50Hz,额定输出功率为35W,输气量为70L/min,压力>25kPa。在4种工况下,曝气系统处理污水的能耗为26.51W/L。
但是,MBR在实际运行中,在各工况下供给好氧区的曝气强度各不相同,工况I~工况III曝气强度分别为3.00、0.75、0.75-1.50m³/(m²·h),因此,工况II和工况III条件下好氧区所消耗的能量小于工况I下消耗的能量;工况IV的曝气强度为0.75-1.50-3.00m³/(m²·h),由于工况I运行了25.67h,工况IV运行了26.17h,因此工况IV下好氧区实际消耗的能量也小于工况I消耗的能量。表明在具有良好的缓解膜污染效果的同时,工况IV的动态曝气方式在降低能耗方面也具有一定优势。
3
结 论
采用MBR处理石化废水,研究曝气条件变化对膜污染特征影响,探讨采用动态曝气方式缓解膜污染的可行性,得出以下结论:
1)工况IV的动态曝气方式(曝气强度0.75-1.50-3.00m³/(m²·h)能够向后推迟TMP“跃迁”的临界点,延缓TMP“跃迁”现象的出现,延长MBR在膜污染第2阶段的运行时间;增加曝气强度减缓了K增大的趋势,表明动态曝气在减缓膜污染方面具有一定优势。
2)在工况IV的动态曝气方式下,MBR在提高废水处理量和降低能耗方面也具有一定优势,动态曝气能够提高MBR处理石化废水的经济效益。
3)在冬季水温较低(9.3~11.9℃)的条件下进行,结果表明了动态曝气在MBR处理石化废水中的优势,为了充分研究动态曝气在缓解膜污染和降低能耗的可行性,建议在水温较高条件下(20~30℃)对动态曝气做更加深入的研究。

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