| 一體式膜-生物反應(yīng)器中膜面污泥沉積速率及其影響因素 |
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孫友峰,劉銳,黃霞(清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 100084 ,E2mail : xhuang @tsinghua. edu. cn)
摘要:膜面污泥沉積是膜污染的主要構(gòu)成部分. 膜間液體上升流速(曝氣量) 、膜通量和污泥濃度等運(yùn)行條件是影響一體式膜2生物反應(yīng)器膜面污泥沉積速率的重要因素. 本研究通過(guò)均勻設(shè)計(jì)法安排了10 次試驗(yàn),實(shí)測(cè)了各試驗(yàn)點(diǎn)下的膜間液體上升流速,得到了適用于活性污泥混合液條件下的膜間液體上升流速計(jì)算模型. 并實(shí)測(cè)了膜過(guò)濾阻力的上升速率,建立了膜間液體上升流速( uLr) 、污泥濃度( X) 和膜通量( J) 對(duì)污泥沉積速率( K) 的影響模型: K= (81933 ×107) ·X01532·J01376·uLr- 31047 . 通過(guò)該模型,可以討論臨界曝氣強(qiáng)度和臨界膜通量,也可以對(duì)不同操作條件下的膜污染發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測(cè).
關(guān)鍵詞:膜污染;污泥沉積速率;曝氣強(qiáng)度;膜通量;污泥濃度;膜間液體上升流速
中圖分類號(hào):X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):025023301 (2002) 增刊20520026
Sludge Accumulation Rate on Membrane Surfaces and Its Influencing
Factors in a Submerged Membrane Bioreactor
Sun Youfeng , Liu Rui , Huang Xia ( ESPC State Key Joint Laboratory , Department of Environmental Science and Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084 , China E2mail : xhuang @tsinghua. edu. cn)
Abstract :Aeration intensity , membrane flux and sludge concentration are three important parameters for long2term sta2 ble operation of a submerged membrane bioreactor because of their great impact on membrane fouling. Ten runs under different conditions according to uniform design were carried out in a wide range. Cross2flow velocities ( uSr) were mea2 sured under various aeration intensities ( G) and sludge concentrations( X) . Their relationship was generalized as uSr =11311·u11226 Lr ·e - 010105 X . Effect of the cross2flow velocity ( uLr ,namely aeration intensity G) , membrane flux ( J ) and sludge concentration( X) on the increasing rate of the filtration resistance( K) was then discussed and a calculation model was set up : K = (81933 ×107) ·X01532·J01376·uLr - 31047 . Through these models , the development of membrane fouling can be forecast .
Keywords :membrane fouling ; aeration intensity ; membrane flux ; sludge concentration ; cross2flow velocity ; the increasing rate of the filtration resistance.
膜-生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor ,MBR) 是將生物處理和膜分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型高效污水處理與回用工藝. 該工藝因出水水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定、容積負(fù)荷高、占地小、剩余污泥產(chǎn)量低、操作管理方便等突出特點(diǎn),正得到越來(lái)越多的研究和應(yīng)用.眾多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn),膜污染是影響膜2生物反應(yīng)器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素. 如何有效地控制膜污染的發(fā)展,使膜的清洗周期維持在合適的水平,是膜2生物反應(yīng)器研究中的難點(diǎn)之一。
通常,膜污染從形成的形態(tài)上主要有膜孔堵塞、膜面凝膠層和污泥層. 其中,污泥沉積是膜污染的主要構(gòu)成部分[1 ,2 ] . 而污泥顆粒在膜表面沉積與否,與膜面液體錯(cuò)流流速、膜通量和污泥濃度等運(yùn)行條件密切相關(guān).Ueda et al 探討了一體式膜2生物反應(yīng)器中曝氣強(qiáng)度對(duì)膜面液體上升流速及其對(duì)膜過(guò)濾壓差的影響[3 ] ; Kishino et al 從理論上給出了液體上升流速的計(jì)算模型[4 ] . 但是他們均未對(duì)膜通量和污泥濃度對(duì)膜污染的綜合影響進(jìn)行研究.桂萍首次運(yùn)用正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法對(duì)膜污染速度與污泥濃度、曝氣量和膜通量的關(guān)系進(jìn)行了全面考察[5 ] . 但其試驗(yàn)中各變量的取值范圍較窄,不能包括所有實(shí)際設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的各種情況,而且尚未回歸出膜過(guò)濾阻力的增長(zhǎng)速率與運(yùn)行條件的定量關(guān)系,限制了該結(jié)果的推廣應(yīng)用.
本研究以一體式膜2生物反應(yīng)器為對(duì)象,采用均勻設(shè)計(jì)(Uniform Design)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[6 ] ,綜合考察了膜間液體上升流速(曝氣量) 、膜通量和污泥濃度對(duì)膜面污泥沉積速率的影響,建立了各運(yùn)行條件對(duì)膜面污泥沉積速率的定量關(guān)系.
1 試驗(yàn)裝置與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)中使用如圖1 所示的2 套相同的一體式膜2生物反應(yīng)器裝置同時(shí)運(yùn)行.
 生物反應(yīng)器有效容積為180L ,被2 塊擋板分隔成一個(gè)升流區(qū)和2 個(gè)降流區(qū),有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1. 膜組件是日本三菱公司生產(chǎn)的聚乙烯中空纖維微濾膜,孔徑為014μm ,膜面積為3m2 ,置于升流區(qū)內(nèi). 膜下設(shè)有穿孔管鼓風(fēng)曝氣,以提供微生物代謝所需的氧氣及膜面的錯(cuò)流流速. 膜組件的運(yùn)行采用間歇運(yùn)行模式,抽吸出水15min ,停止5min. 膜過(guò)濾出水返回生物反應(yīng)器以保持反應(yīng)器內(nèi)混合液性質(zhì)及液位恒定. 為了防止反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度因內(nèi)源呼吸而降低,每天用隔膜泵( 型號(hào)X0302XB2AAAA365 , chem2tech series 100 , IDEX 公司生產(chǎn)) 向生物反應(yīng)器內(nèi)輸入一定數(shù)量的葡萄糖配水,同時(shí)棄去相應(yīng)體積的膜過(guò)濾出水.
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了能夠在合理的試驗(yàn)規(guī)模上擴(kuò)大各變量的取值范圍,使其包括所有實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的情況,本研究采用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì). 對(duì)曝氣強(qiáng)度( G) 、膜通量( J ) 和污泥濃度( X) 分別取10 個(gè)水平[ G :10～100m3/ (m2·h) ;J :415～27 L/ (m2·h) ; X :2～20 g/ L ] ,然后按照均勻設(shè)計(jì)表U11 (1110) 安排10 次試驗(yàn)(詳見(jiàn)表2) ,在每次試驗(yàn)中考察膜間液體上升流速及與之相應(yīng)的膜面污泥沉積速率. 膜間液體上升流速采用LS45 型旋杯流速儀(水利部重慶水文儀器廠生產(chǎn)) 測(cè)定. 膜面污泥沉積速率通過(guò)測(cè)定膜過(guò)濾壓差的變化,計(jì)算膜過(guò)濾阻力,采用膜過(guò)濾阻力隨時(shí)間的上升速率進(jìn)行間接表征.
2 結(jié)果與討論
2.1 膜間液體上升流速模型
對(duì)于粘度較小的牛頓流體, Yusuf Chisti 和Murray Moo2Young 曾利用反應(yīng)器內(nèi)能量守衡,
在忽略流體與反應(yīng)器壁摩擦阻力的情況下給出了氣提式反應(yīng)器中液體上升流速的計(jì)算公式[7 ] . 該公式經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改變后即可應(yīng)用于一體式膜2生物反應(yīng)器中液體上升流速uLr的計(jì)算,
式(1) 中: uLr為牛頓流體的膜間液體上升流速(m/ s) ; g 為重力加速度(m2/ s) ; hD 為曝氣后的液面高度(m) ; A r 為膜2生物反應(yīng)器升流區(qū)過(guò)水總斷面積(m2) ; A d 為膜2生物反應(yīng)器降流區(qū)過(guò)水總斷面積(m2) ;εr ,εd 為升流區(qū)和降流區(qū)的含氣率; KB 為反應(yīng)器底部區(qū)域的阻力損失系數(shù).但是,在更多的情況下,膜生物反應(yīng)器中的污泥濃度比較高,混合液粘度比較大,應(yīng)視為非牛頓流體. 如果仍然用式(1) 計(jì)算膜間液體上升流速,計(jì)算值就會(huì)與實(shí)際值偏差較大. 因此,需要對(duì)上述模型進(jìn)行修正.
根據(jù)表2 中均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)安排,對(duì)不同污泥濃度( X) ,同時(shí)測(cè)定對(duì)應(yīng)X 值下的混合液粘度μ值、曝氣強(qiáng)度( G) 下的膜間液體上升流速( uSr) 進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表3 所示. 表3 中同
時(shí)列出了根據(jù)式(1) 計(jì)算得到的清水時(shí)對(duì)應(yīng)曝氣強(qiáng)度( G) 下的膜間液體上升流速uLr[8 ] .
根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù),采用多元線性回歸的方法,就可以建立適于活性污泥混合液(非牛頓流體) 條件下的膜間液體上升流速模型:uSr = 11406 uLr11226 μ- 01147 (2)
對(duì)上述回歸方程的F 檢驗(yàn)表明,計(jì)算所得87198 的F 值遠(yuǎn)大于在0101 水平上的標(biāo)準(zhǔn)值9.6 ,證明污泥濃度與曝氣強(qiáng)度對(duì)膜間液體上升流速具有明顯的影響.
表3 中實(shí)測(cè)X 值及μ值的關(guān)系可用圖2 所示.
由此也可以把污泥混合液條件下的膜間液體上升流速uSr表示成清水流速uLr和污泥濃度X 的函數(shù):
  
由于uLr與曝氣強(qiáng)度密切相關(guān),隨曝氣強(qiáng)度的增加而增大(劉銳,2000) ,所以從上式可以看出,曝氣強(qiáng)度對(duì)uSr有著明顯的正影響,而污泥濃度則起著負(fù)影響.
2.2 膜面污泥沉積速率模型
根據(jù)過(guò)濾理論,膜過(guò)濾阻力可由(4) 式計(jì)算
式中: J 為膜通量,L/ (m2 ·h) ;Δp 為膜過(guò)濾壓力,Pa ;μ為濾液(可視為清水) 粘度,mPa·s ; R為膜過(guò)濾阻力,1/ m.
清水粘度(μ) 可由經(jīng)驗(yàn)公式(5) 算得:
式中, t 為實(shí)測(cè)反應(yīng)器中的水溫, ℃
按表2 中所列試驗(yàn)點(diǎn)的條件進(jìn)行試驗(yàn),記錄不同時(shí)刻的膜過(guò)濾壓力(Δp) ,然后根據(jù)式(4) 即可算得相應(yīng)時(shí)刻的膜過(guò)濾阻力( R) .
對(duì)每一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)都測(cè)定了膜過(guò)濾阻力隨時(shí)間的變化情況,圖3 所示為試驗(yàn)點(diǎn)1 中的實(shí)測(cè)結(jié)果. 由圖3 可知,在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi),膜過(guò)濾阻力基本上隨時(shí)間線性增加. 因此,可以通過(guò)直線擬和,求出膜過(guò)濾阻力上升速率( K) .
表4 列出了各試驗(yàn)點(diǎn)中膜過(guò)濾阻力上升速率( K) 的計(jì)算結(jié)果. 其中所列uLr值是根據(jù)式(1) 計(jì)算得到的清水時(shí)對(duì)應(yīng)曝氣強(qiáng)度( G) 下的膜間液體上升流速[8 ] .
  根據(jù)表4 中的數(shù)據(jù),同樣采用多元線性回歸的方法, 就可以建立膜過(guò)濾阻力上升速率( K) 與運(yùn)行條件的關(guān)系式,即:
 對(duì)上述回歸方程進(jìn)行F 檢驗(yàn), 計(jì)算所得2.39 的F 值大于在012 水平上的標(biāo)準(zhǔn)值2.1 ,證明3 個(gè)運(yùn)行參數(shù)對(duì)膜過(guò)濾阻力上升速率的影響是比較顯著的.
由此模型可知,污泥濃度及膜通量對(duì)污泥沉積速率均有正影響,而膜間液體上升流速則表現(xiàn)出顯著的負(fù)影響.
2.3 不同運(yùn)行條件下膜污染發(fā)展速率的預(yù)測(cè)
利用式(6) ,可以對(duì)不同運(yùn)行條件下的膜過(guò)濾阻力的變化,即膜污染的發(fā)展速率進(jìn)行預(yù)測(cè). 圖4 所示為使用數(shù)學(xué)軟件Matlab (611) 分別在X = 2 和20g/ L 下作出的K 關(guān)于J 與uLr的關(guān)系曲面圖.
由圖4 可見(jiàn),膜過(guò)濾阻力上升速率K 隨膜通量J 的增大而增加,隨膜間液體上升流速(曝氣強(qiáng)度) uLr的增大而減小. 各污泥濃度下, K 隨J 和uLr的變化曲面形狀非常相似:都存在一條J2 uLr臨界曲線,當(dāng)實(shí)際采用的J 、uLr組合值在該臨界曲線以左時(shí), K 值緩慢增長(zhǎng)且隨J 、uLr的變化不大;反之, K 值迅速增長(zhǎng)且受J 、uLr的影響極大.
 
3 結(jié)論
(1) 考察了曝氣量( G) 和污泥濃度( X) 對(duì)膜間液體上升流速( uSr) 的影響,建立了適用于活性污泥混合液條件下的膜間液體上升流速計(jì)算模型:
(2) 綜合考察了曝氣量(膜間液體上升流速) 、膜通量和污泥濃度對(duì)膜面污泥沉積速率的影響,建立了膜面污泥沉積速率( K) 的計(jì)算模型:
(3) 根據(jù)污泥沉積速率模型對(duì)不同運(yùn)行條件下的膜污染發(fā)展情況進(jìn)行了預(yù)測(cè),找出了對(duì)應(yīng)臨界膜通量和臨界曝氣量的J2 uLr臨界曲線.
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