CN102218268A - 复合频率超声在线控制流化床膜生物反应器膜污染的装置与方法 - Google Patents

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汪媛
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Abstract

复合频率超声在线控制流化床膜生物反应器膜污染的装置与方法,涉及膜生物反应器膜污染的在线控制,属于污水处理及回用技术领域。该装置的特征是流化床膜生物反应器升流区侧壁上与膜组件相对应的位置设有复合频率超声波换能器,其与膜生物反应器外部的超声波电源及控制装置相连接,复合频率超声波换能器由3组不同频率的振子组成,可由电源控制将不同单一频率相互组合形成双频或三频的复合频率超声波,并由电源控制定期对膜组件进行在线清洗。本方法可以充分发挥复合频率超声的声波特性,消除由单一频率超声产生的驻波场,使声场更加均匀,从而提高超声对膜组件的在线清洗效果,更加有效地延长膜的使用寿命。本装置结构简单,操作方便,易于实现自动控制。

Description

复合频率超声在线 控制流化床膜生物反应器膜污染的装置
与方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种新型的用于控制流化床膜生物反应器膜污染的装置及方法,具体地说涉及一种在线复合频率超声控制流化床膜生物反应器膜污染的方法及实现该方法的装置。
背景技术
[0002] 膜生物反应器(MBR)是高效膜分离技术与生物处理法相结合的新型水处理技术, 与传统污水处理工艺相比具有以下特点:可以实现反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄 (SRT)的充分分离;占地面积小,出水水质稳定,操作简单,易于管理;有利于系统的硝化作用,对难降解有机物也有很好的降解作用;较低的污泥负荷(F/M)使剩余污泥产量极低,理论上可实现零污泥排放等。流化床膜生物反应器是将生物流化床与传统膜生物反应器相结合形成的一种新型MBR,可提高系统脱氮效率,但膜污染问题仍然是影响其推广应用的主要障碍。
[0003] 膜通量的下降严重影响处理进程和出水水质以及膜的使用寿命,间接增加了处理成本,所以膜污染的防治就显得非常重要,目前的研究主要围绕3个方面展开:新型膜材料与结构的开发、膜生物反应器运行条件的优化和活性污泥混合液性质的调控。采用在线超声处理提高膜通量属于对反应器运行条件进行优化范畴,是一种过程中的处理工艺。
[0004] 超声波强化膜分离与清洗的机理比较复杂,一般认为超声引起膜面的高频振动、 超声空化、声流以及热效应是主要机理。超声空化是指液体中的微小泡核在超声波的作用下振荡、生长、收缩及崩溃等一系列的动力学过程。当气泡崩溃时,产生的高能冲击液对污垢层直接反复冲击,破坏污物与清洗件表面的吸附。同时超声波在清洗液中传播时产生正负交变的声压,由于非线形效应在固体和液体界面上会产生高速的声流和微声流,溶解膜表面的颗粒,同时空蚀去除不溶解的污染物,减少膜表面结垢。
[0005] 超声清洗的效果与声参数(频率、功率、声强)密切相关,此外,超声波声场分布是否均勻也是一个不容忽视的重要问题。单一频率的超声波在清洗中容易形成驻波场,导致清洗设备内声场分布不均勻,影响清洗效果。不同单一频率的超声波适合于清洗不同类型的污垢,如低频适于清洗顽固污垢,中频适于清洗复杂形状的表面,而高频则适合于清洗表面易受损伤的物体。如果使用单一频率超声波对膜生物反应器膜污染进行在线清洗与控制,则无法同时发挥不同频率的优势。因此,本发明采用不同组合的复合频率超声波控制 MBR的膜污染,通过设定频率组合,超声波电源可依次产生不同频率的超声波,由于频率的连续高速变换,使得驻波的位置反复高速移动,从而消除了驻波场,声场分布更加均勻。研究表明,复合频率的超声波清洗比传统的单频超声波效果更好,充分发挥了不同频率的声波特性。采用复合频率超声波对膜生物反应器膜污染进行在线控制的研究尚未见报道。
发明内容
[0006] 本发明针对现有流化床膜生物反应器膜污染控制技术的不足,提供一种在线复合频率超声空化清洗流化床膜生物反应器膜污染的装置,该装置可以更加有效地控制和延缓膜污染。
[0007] 本发明的另一个目的是提供一种实施所述装置的方法,该方法采用复合频率的超声波对附着在膜表面上的凝胶层及沉淀物产生强力的剥离,复合频率超声可有效消除由单一频率产生的驻波场,使声场更加均勻,而且可以充分发挥不同频率超声波的特性,对膜污染的控制效果更好。
[0008] 本 发明的技术方案如下:
[0009] 一种复合频率超声在线控制流化床膜生物反应器膜污染的装置,含有进水泵、流化床膜生物反应器、设置在流化床膜生物反应器升流区内的膜组件、与膜组件相连接的压差计及出水泵、复合频率超声波换能器、载体颗粒,其特征在于:在流化床膜生物反应器内设有复合频率超声波换能器,该换能器设置在膜生物反应器升流区侧壁上与膜组件相对应的位置,其与膜组件的距离为5-lOOcm,并与一个设置在膜生物反应器之外的复合频率超声波电源及其控制装置相连接。
[0010] 本发明还提供了一种采用上述装置在线控制流化床膜生物反应器膜污染的方法, 该方法包括下列步骤:
[0011] 1)待处理原水由进水泵提升到流化床膜生物反应器内,经活性污泥微生物处理后通过膜组件经出水泵抽吸出水,并由压差计记录跨膜压差;
[0012] 2)超声波电源及控制装置定期给予超声波换能器信号,超声波换能器开始工作并对膜组件进行在线超声清洗;所述超声波功率密度为0. 15ff/cm2-0. 5W/cm2,频率为中低频、中高频、高低频和高中低频几种不同组合的复合频率,其中低频为25kHz,中频为 50kHz,高频为90kHz。每次超声工作时间为0. 5-30min,超声间隔时间为12_24h。
[0013] 本发明的有益效果是,对流化床膜生物反应器的膜污染采用复合频率超声进行在线控制,可以消除由单一频率超声产生的驻波场,使反应器内声场分布更加均勻,而且可以充分发挥不同频率超声波适用于清洗不同类型污垢的特性,更加有效地控制膜污染的发展,从而提高运行的稳定性,减少化学清洗对膜的损伤,延长膜的使用寿命,且装置结构简单,操作程序简便,便于自动化操作与控制。
附图说明
[0014] 图1为复合频率在线超声流化床膜生物反应器工艺示意图;
[0015] 图2为不同频率超声对膜污染的控制效果;
[0016] 图3为系统长期运行时在线超声对膜污染的控制效果。
[0017] 附图标记列表:
[0018] 1-调节池,
[0019] 2-进水泵,
[0020] 3-流化床膜生物反应器,
[0021] 4-复合频率超声波电源及控制装置,
[0022] 5-复合频率超声波换能器,
[0023] 6-膜组件,
[0024] 7-曝气装置,[0025] 8-空气泵,
[0026] 9-循环挡板,
[0027] 10-填料颗粒,
[0028] 11-压差计,
[0029] 12-出水泵。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,但不限于此。
[0031] 实施例:本发明所述复合频率在线超声流化床膜生物反应器如图1所示,它包括进水泵、流化床膜生物反应器、设置在流化床膜生物反应器升流区内的膜组件、与膜细件相连接的压差计及出水泵、填料颗粒及循环挡板,其特征在于:在流化床膜生物反应器内设有复合频率超声波换能器,该超声波换能器设置在膜生物反应器升流区侧壁上与膜组件相对应的位置,其与膜组件的距离为5-lOOcm,并与一个设置在膜生物反应器之外的超声波电源及控制装置相连接。待处理原水从调节池1由进水泵2提升后进入流化床膜生物反应器3 内,经过活性污泥微生物处理后,由出水泵10对膜组件6进行抽吸出水。空气泵8和曝气装置7对流化床膜生物反应器内混合液进行曝气充氧,同时对膜组件6提供错流流速以冲刷清洗膜表面。系统运行后,超声波电源及控制装置5控制复合频率超声波换能器4开始工作,对膜组件6进行超声空化作用。
[0032] 采用跨膜压差(TMP)来表征膜污染的程度。当膜在抽吸过程中,膜污染发展到一定程度时,即流化床MBR的TMP达到27-33kPa时,开展了不同频率超声对膜污染的在线清洗试验。试验过程中,在膜生物反应器的每个出水周期中(即出水泵抽12min,停止3min, 共计15min),选取与出水周期对应的超声作用时间为5min,间歇时间为lOmin,共计15分钟。试验过程持续运行180min,考察了超声功率密度为0. 25ff/cm2时,在不同超声频率下, 在线超声清洗对膜污染的去除效果,结果如图2所示。当超声频率为中频(45KHz)、低频 (25KHz)、中低频和高中低频作用时,TMP的下降非常明显,可以获得良好的清洗效果。
[0033] 对中频、低频和中低频超声进行了长期运行试验,并同时进行了普通MBR的对比试验。试验中超声功率密度为0. 25W/cm2,每次超声工作时间为3min,超声间歇时间12h。
[0034] 其余操作条件如下:膜通量7. 5L/m2 · h,污泥混合液浓度3_6g/L,曝气量250L/h, 采用出水泵抽吸12min,停止3min的间歇式出水方式。
[0035] 普通流化床MBR以及中频、低频和中低频复合频率在线超声MBR对膜污染的控制效果如图3所示。运行过程中,普通流化床膜生物反应器压差随时间增长的速度明显比超声流化床膜生物反应器的快,尤其到20天之后,普通流化床膜生物反应器的跨膜压差增长的更快,说明此时膜污染逐渐加剧。在整个运行过程中,中低频复合频率在线超声系统的跨膜压差由9kPa增至21kPa,控制效果优于中频超声,与低频超声效果接近。我们知道,低频超声适于清洗比较顽固的污垢,而在线超声控制膜污染的思路是在MBR系统运行的同时进行在线超声作用,从而阻止膜污染的形成与发展,因此膜表面不存在顽固的污垢。在这种情况下,低频超声反而可能损坏膜表面,造成膜强度的下降,不利于膜生物反应器长期稳定的运行。因此比较而言,中低频复合频率超声既可以保证对膜污染的控制效果,又可保护膜丝表面不受损伤。

Claims (5)

1. 一种复合频率超声在线控制流化床膜生物反应器膜污染的装置,含有调节池(1)、 进水泵(2)、流化床膜生物反应器(3)、复合频率超声波电源及控制装置(4)、复合频率超声波换能器(5)、膜组件(6)、压差计(11)、出水泵(12)、曝气装置(7)、空气泵(8)、循环挡板 (9)及填料颗粒(10)。其特征在于:所述的流化床膜生物反应器中部设有一个循环挡板, 将反应器分为升流区和降流区,复合频率超声波换能器(5)安装在反应器升流区,与一个设置在反应器外部的复合频率超声波电源及控制装置(4)相连接,反应器中加入颗粒状填料。
2.如权利要求1所述的复合频率超声在线控制流化床膜生物反应器膜污染的装置,其特征在于所述的超声波频率为中低频、中高频、高低频和高中低频几种不同组合的复合频率,其中低频为25kHz,中频为50kHz,高频为90kHz。
3.如权利要求1所述的复合频率超声在线控制流化床膜生物反应器膜污染的装置,其特征在于所述的复合频率超声波换能器(5)安装在升流区侧壁上与膜组件相对应的位置, 其与膜组件的距离为5-lOOcm。
4. 一种复合频率超声在线控制流化床膜生物反应器膜污染的方法,其特征在于该方法包括下列步骤:1)待处理污水由进水泵提升到流化床膜生物反应器升流区上部,在反应器内循环流动,污水经由反应器内活性污泥混合液和填料颗粒表面生物膜处理,然后通过膜组件经出水泵抽吸出水,由压差计记录跨膜压差;2)通过调节超声波电源及控制装置可以设定不同的复合频率组合,定期给予超声波换能器信号,对膜组件进行在线超声清洗。
5.如权利要求4所述的一种复合频率超声在线控制流化床膜生物反应器膜污染的方法,其特征在于所述的超声波功率密度为0. 15ff/cm2-0. 5W/cm2,频率为中低频、中高频、高低频和高中低频几种不同组合的复合频率,每次超声工作时间为0. 5-30min,间隔时间为 12-24h。
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