CN102276055A - 一种控制膜-生物反应器中膜污染的新方法 - Google Patents

一种控制膜-生物反应器中膜污染的新方法 Download PDF

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梅晓洁
于鸿光
韩小蒙
秦爱东
冯金荣
邓伯林
张效刚
刘青友
达云祥
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Tongji University
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Abstract

一种控制膜-生物反应器中膜污染的新方法，涉及控制膜-生物反应器中膜组件污染的技术，适用于膜-生物反应器对水和废水的处理。本发明通过在反应器内投加一定量的填料作为生物膜的载体，形成生物膜法与膜-生物反应器的双重系统，从而降低膜组件表面的污染速率；同时，优化的曝气方式可通过控制微生物的新陈代谢来进一步减缓膜污染，并降低能耗。本发明方法对原有的膜-生物反应器无须进行结构上的改造，只需投加一定量的填料，而且本发明方法能进一步降低能耗，适用于各种膜组件形式的膜-生物反应器，实用性较强，适用范围广，具有运行成本低，操作管理方便等优点。本发明通过生物膜法与膜-生物反应器的高效融合，兼具有优化的曝气方式，能很好地控制膜污染，降低能耗，实现膜-生物反应器的长期稳定运行。

Description

一种控制膜-生物反应器中膜污染的新方法
技术领域
本发明属于水和废水处理技术领域，具体涉及一种控制膜组件污染的新方法。
背景技术
膜-生物反应器(MBR)工艺是现代膜分离技术与生物技术有机结合的一种新型水和废水生物处理技术，它利用膜分离装置将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质有效截留，替代传统的二次沉淀池，使生化反应池中的活性污泥浓度(生物量)大大提高；实现水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)的分别控制，将难降解的大分子有机物质截留在反应池中不断反应、降解。通过膜分离技术大大提高了生物反应器的处理效率，与传统的生物处理工艺相比，具有生化效率高、抗冲击负荷能力强、出水水质好且稳定、占地面积小、排泥周期长、易实现自动化控制等优点，是目前在高浓度有机废水处理、中水回用等领域领先的技术。
膜-生物反应器的分类方法很多，按孔径大小可以分为微滤膜-生物反应器、超滤膜-生物反应器，纳滤膜-生物反应器等；根据膜的材质可分为有机膜-生物反应器和无机膜-生物反应器；根据生物反应器是否需氧可分为好氧膜-生物反应器、厌氧膜-生物反应器以及膜分离装置与其他生物处理工艺的复合型式；按照膜组件的型式可以分为平板膜-生物反应器、中空纤维膜-生物反应器、毛细管膜-生物反应器以及管式膜-生物反应器等；根据膜的放置位置可分为分置式膜-生物反应器(也称作分体式膜-生物反应器)和浸没式膜-生物反应器(也称一体式膜-生物反应器)。
膜-生物反应器在长期的运行过程中，势必会导致膜污染，限制了膜-生物反应器的进一步推广应用。膜污染主要是由悬浮物或可溶性物质等在膜表面或膜孔内部的可逆及不可逆沉积而引起的，这种沉积包括吸附、堵塞、沉淀、形成滤饼等。膜污染可以分为如下过程：膜孔内壁的吸附，膜孔的堵塞，膜表面滤饼的压实和浓差极化。一般来讲，膜-生物反应器中膜污染的影响因素主要有三个方面：污泥混合液的性质、膜组件的性能和操作运行条件。相对而言，污泥混合液特性是造成膜污染的关键因素。
针对膜污染的影响因素，现有研究和文献报道主要从以下三个方面控制膜污染：(1)改变混合液性质，如吴志超(一种减轻平板膜-膜生物反应器膜污染的方法 发明专利公开号CN 1724410)，通过投加一定量的沸石粉，来改善混合液性质；同时利用沸石粉可以吸附氨氮的特性，进一步完善污水中氨氮的去除；陈坚(一种在膜生物反应器中抑制膜污染的方法 发明专利公开号CN 1974439)，在反应器内接种好氧颗粒污泥，试图通过改善混合液的性质减轻膜污染；文湘华(一种利用超声在线控制膜污染发展的方法 发明专利公开号CN 1724411)，在特定的超声频率和能量密度下，实现在较低的膜面错流速度情况下控制膜污染；黄霞(控制膜污染的一种膜生物反应器中混合液性质调控方法 发明专利公开号CN 1600705)，利用臭氧对反应器中的混合液进行一定的处理，减缓膜污染速率；孔健(一种利用纳米材料光催化氧化抑制膜污染的方法 发明专利公开号CN101224938)，提供了一种利用纳米材料光催化氧化抑制膜污染的方法；刘俊新(一种控制膜生物反应器中膜污染的方法 专利发明公开号CN101905918)，通过投加一定浓度的无机絮凝剂聚合硫酸铁，来调控膜生物反应器中污泥混合液的性质，然后排出适量处理后的混合液，实现控制膜污染；(2)优化膜组件形式，如吴志超(一种异位诱捕膜污染物的控制膜污染方法 发明专利公开号CN 101607758)，通过在反应区内另设置比膜-生物反应器的主体膜组件膜面积小的诱捕膜组件来过量吸附污泥体系中的凝胶层污染物，实现在不同于主体膜组件的位置诱捕膜污染物质，从而降低膜污染；(3)优化曝气方式，如张凯松(一种提高膜污染控制效果的曝气方法 发明专利公开号CN 101767866)，通过控制曝气装置，使曝气间歇性产生单个大气泡，大气泡在上升过程中对膜表面的剪切力和传质效果明显高于普通的自由曝气产生的小气泡，进而减缓膜污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制膜-生物反应器在水和废水处理过程中膜污染的方法，通过投加填料和优化曝气方式，充分利用生物膜法和膜-生物反应器的优势，实现控制膜污染和降低能耗的双重目的。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
(1)在膜-生物反应器的反应区内投加一定量的填料，作为系统中部分微生物附着的载体，形成生物膜体系，实现附着型和悬浮型微生物系统的有效结合。在相同生物量的情况下，部分微生物能附着在载体表面，部分代谢产物及死亡菌体可以维持在生物膜体系内部，减少系统中微生物代谢产物的数量；而这部分代谢产物又是导致膜污染，尤其是凝胶层污染的主要因素，从而很好地在源头上减轻膜污染；
(2)常规的好氧膜-生物反应器大多是间歇性抽吸以减缓膜污染，本发明中在膜组件停止抽吸出水的过程中停止曝气。这样做，一方面可以降低能耗，另一方面，通过低溶解氧条件来限制微生物的新陈代谢活动，产生相对较少的微生物代谢产物，也可以进一步优化膜污染情况。
本发明工艺具有以下优点：
(1)投加的填料不会对系统的微生物活性产生较大的影响，而投加各种絮凝剂或者紫外催化氧化等均会对微生物产生较大的影响；本发明中，填料只是作为一种微生物附着的载体，分流系统中活性污泥部分的微生物，从而减少游离于活性污泥中的微生物代谢产物，进而控制其对膜污染的影响；
(2)微生物分布在生物膜和活性污泥两种体系中，充分利用两种微生物系统的优势，在减轻膜污染的同时，能更好地发挥微生物新陈代谢过程中降解有机污染物的特性，实现水和废水的高效处理；
(3)通过间歇曝气的方式能有效地控制反应器活性污泥中的溶解氧浓度，抑制膜组件停止出水过程中微生物的代谢活动，减少各种微生物代谢产物的生成，以减少无水力冲刷条件下凝胶类污染物的形成，不仅降低能耗，而且能抑制膜污染。
(4)投加的填料可以是多种形式、材质和形状，例如：形式可以是蜂窝状、束状、筒状、列管状、波纹状、板状、网状、盾状、圆环辐射状以及不规则粒状和球状等；形状可以为硬性、半软性、和软性等；材质可以为塑料、玻璃钢和纤维等。
(5)投加填料的数量可以灵活调控，依据处理水和废水的水质不同，可以采用不同的填料数量，更好地实现生物膜法和膜-生物反应器的高效配合，优化出水水质。
(6)好氧膜-生物反应器也可采用多种膜组件形式，包括材质、形式、孔径、膜厚度等各种差异的膜组件形式。例如：各种膜型式，中空纤维、平板膜、管式膜和毛细管膜等；各种膜材质，包括无机膜和有机膜，其中有机膜材料包括PVDF、PAN、PE、PVC等，无机膜材料包括陶瓷、各种金属非金属及各种化合物等；膜孔径大小也可采用不同形式，可采用超滤、纳滤和微滤。
具体实施方式
[实施例1]
两组膜-生物反应器处理同样的城市生活污水，设计水力停留时间8h，污泥龄90d，膜组件采用聚偏氟乙烯(PVDF)的平板膜，膜孔径0.20μm，膜通量恒定在25L/(h·m2)；其中实验组投加填料，填料为蜂窝状塑料填料，填料投加量为反应器容积的5％，另一组作为对照组。运行结果表明，实验组的膜清洗周期为120d，能耗为0.51kwh/m3，空白组的膜清洗周期为50d，能耗为0.55kwh/m3。
[实施例2]
两组膜-生物反应器处理同样的某工业废水，设计水力停留时间10h，污泥龄120d，膜组件采用聚氯乙烯(PVC)的平板膜，膜孔径0.25μm，膜通量恒定在15L/(h·m2)；其中实验组投加填料，填料为波纹状板硬聚氯乙烯填料，填料投加量为反应器容积的10％，另一组作为对照组。运行结果表明，实验组的膜清洗周期为87d，能耗为0.53kwh/m3，空白组的膜清洗周期为35d，能耗为0.59kwh/m3。
[实施例3]
两组膜-生物反应器处理同样的粪便污水，设计水力停留时间8h，污泥龄90d，膜组件采用聚偏氟乙烯(PVDF)的平板膜，膜孔径0.20μm，膜通量恒定在20L/(h·m2)；其中实验组投加填料，填料为软性纤维状填料，填料投加量为反应器容积的5％，另一组作为对照组。运行结果表明，实验组的膜清洗周期为100d，能耗为0.51kwh/m3，空白组的膜清洗周期为45d，能耗为0.56kwh/m3。

Claims (5)

1.一种控制膜-生物反应器中膜污染的新方法，其特征在于：通过投加填料和优化曝气方式，充分利用生物膜法和膜-生物反应器的特点，实现控制膜污染和降低能耗的目的。
2.在膜-生物反应器的反应区内投加一定量的填料，作为微生物附着的载体，形成生物膜体系，实现生物膜法和膜-生物反应器的有效结合。在相同生物量的情况下，部分微生物能附着在载体表面，部分代谢产物及死亡菌体可以维持在生物膜体系内部，减少系统中的微生物代谢产物的数量；而这部分代谢产物又是导致膜污染，尤其是凝胶层污染的主要因素，从而很好地在源头上减轻膜污染。
3.投加的填料可以是多种形式、材质和形状，例如：形式可以是蜂窝状、束状、筒状、列管状、波纹状、板状、网状、盾状、圆环辐射状以及不规则粒状和球状等；形状可以为硬性、半软性、和软性等；材质可以为塑料、玻璃钢和纤维等。
4.投加填料的数量可以灵活调控，依据处理水和废水的水质不同，可以采用不同的填料数量，更好地实现生物膜法和膜-生物反应器的高效配合，优化出水水质。
5.根据权利要求1所述的一种控制膜-生物反应器中膜污染的新方法，其特征在于：好氧膜-生物反应器也可采用多种膜组件形式，包括材质、形式、孔径、膜厚度等各种差异的膜组件形式。例如：各种膜型式，中空纤维、平板膜、管式膜和毛细管膜等；各种膜材质，包括无机膜和有机膜，其中有机膜材料包括PVDF、PAN、PE、PVC等，无机膜材料包括陶瓷、各种金属非金属及各种化合物等；膜孔径大小也可采用不同形式，可采用超滤、纳滤和微滤。
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