CN102858694A - 在膜生物反应器中的混合液过滤性处理 - Google Patents

Abstract

膜生物反应器(MBR)(10)使用用于定量给料通量增强化学品(FEC)的方法和设备以响应引起或可能引起膜污染的临时操作阶段。提供FEC定量给料装置(32)与分隔MBR的过程储罐(12)和膜过滤系统(14)的通道(20)连通。通道(20)中的混合器(36)将定量给料的FEC与流入膜储罐的混合液(18)快速混合。定量给料装置(32)与感测通道或膜过滤系统(14)或二者中的状况的传感器(40，42)连接。考虑流到膜单元的混合液(18)的状况或膜操作参数或二者，将FEC加入到流入膜过滤系统(14)的混合液(18)中。FEC剂量可在0.05-10mg/gMLSS范围。所述方法可包括开始定量给料、调节定量给料浓度和终止定量给料的步骤。

Description

在膜生物反应器中的混合液过滤性处理

 

发明领域

本说明书涉及膜生物反应器的控制和使用化学品过滤性增强剂来处理膜生物反应器中的混合液。

发明背景

以下不是承认以下描述的任何信息可作为现有技术或公知常识而引用。

膜生物反应器(MBR)将膜过滤与生物方法组合来处理废水。通常，通过将膜过滤器放置在储罐之一中或在与过程储罐连接的再循环回路中，使一个或多个生物学过程储罐与膜过滤器集成。例如，可使用膜过滤器来代替活化淤渣方法中的澄清器。将经处理的流出物(通常称为渗透物)过滤并通过膜取出。如果膜过滤器位于单独的储罐中，则保留的淤渣从膜储罐再循环返回至过程储罐，或者如果膜过滤器直接浸入过程储罐内，则简单地留在过程储罐中。因为膜过滤器不是所有的方式如澄清器一样操作，而是各种过程变化是可能的或需要的。例如，由于膜过滤器不需要生物质从混合液中沉降出来，相对于使用澄清器的过程，混合液悬浮固体浓度(MLSS)可提高。然而，混合液随时间污染膜的孔，并且处理膜污染仍为操作MBR中的主要关注。

处理膜污染的主要的考虑为膜单元必须处理的通量(每单位膜表面积的水的流动速率)。在其它过程参数中经历小的临时变化，通量通常与进料流速除以膜表面积成比例。提高通量通常提高污染，并且在MBR的临界通量之上污染可快速提高。

另一个考虑为混合液引起污染的趋势，有时称为其过滤性或污染指数。过滤性涉及各种因素，例如混合液悬浮固体浓度(MLSS)和温度。然而，通过将通量-增强化学品(FEC)加入到进料水或过程储罐中，可提高过滤性。如在美国专利号6,926,832中描述的，通过加入基于MBR的混合液体积约25-100 ppm的初始浓度，各种聚合FEC可与混合液混合。随后加入另外的聚合物，以发现提高过滤性的有效浓度，同时监测渗透物总有机碳(TOC)、化学氧需求(COD)或生物学氧需求(BOD)，以确保聚合物保持低于妨碍混合液的生物学活性的浓度。在实践中，大多数FEC的有效浓度在200-800 ppm范围。例如，Yoon等人(Desalination 191 (2006) 52-61)描述了使用200 ppm的MPE50，一种阳离子聚合FEC，得自Nalco。建立有效浓度后，需要维持剂量的FEC来补偿由于化学反应或除去废物驱动的淤渣引起的FEC的损失。特别是对于大的设备，例如市政废水处理设备，FEC对于每年的操作费用增加显著的成本。

处理污染的其它方法涉及指向膜单元的过程。这些方法包括松弛(临时除去跨膜压力)、膜反洗、气泡冲洗和化学清洁。这些方法均具有缺点，例如扰乱过滤过程(松弛、反洗、化学清洁)或消耗能量(气泡冲洗)。

使用许多MBR，例如市政废水处理设备，由于通量和过滤性随时间而变化，污染控制复杂化。例如，MBR可接受超过平均流量显著倍数的每日峰值进料流量。季节性温度变化也引起过滤性变化。因此，MBR在操作中遇到各种各样预期的污染状况。足够的膜面积来处理预期的峰值流量通常可用，但是这导致在非高峰时间期间过量的膜面积。由于膜具有与它们的表面积粗略成比例的显著的成本，选择用于预期的峰值流量的膜面积提高成本。MBR还可不时地遇到异常状况。例如，在非常冷的天气，高峰值流量可引起污染意外提高。结果是，许多MBR不时地变得不稳定。

美国专利申请公布2007/0039888 A1描述了其中当膜在操作中时考虑测量膜的阻力，可变化膜单元的操作中的一个或多个因素的方法。对于每一个因素，存在至少两个非连续的操作状态，其中之一提供提高的污染控制，另一个更经济。如果阻力超过阈值，一个或多个因素转向更加抗污染的操作状态。主要实例为改变充气频率因素，特别是从每40秒提供气泡冲洗10秒，变为每20秒提供气泡冲洗10秒。FEC的使用列举在可能响应膜阻力变化的因素的层级中。如果阻力超过上限设定点，并且已进行层级中的其它变化(关于反冲、提高反冲流速、打开备用膜系列、提高空气流速、提高充气频率因素转向)，则可加入活化淤渣过滤性增强剂。如果阻力下降低于下限设定点，并且充气频率因素已从其最大可用值下降，则可停止加入活化淤渣过滤性增强剂。虽然这一点可能有效，但是消耗大量的FEC，类似地需要大的储存和定量给料设备，并且化学品可能有时不利地影响生物反应器的操作或其流出物品质。

介绍

该部分旨在向读者介绍采用的详细说明而不是限制或限定任何权利要求。

以下更详细描述的方法和设备提供使用FEC来解决在MBR中临时污染状况的新的方式。可足够快速地实现FEC的效果以响应存在短时间段(例如2小时至2或3天)的高污染或低过滤性状况，同时仅消耗少量的FEC。可引起短的持续时间应力状况，例如，通过突然载荷变化或冷水峰值事件，例如融雪或冬雨。使用另外的装置来抵消异常的临时污染状况，在具有给定容量的设备中可降低膜表面积，或者在困难状况期间设备稳定操作的能力可增强。

在设备中，提供FEC定量给料装置与分隔MBR的过程储罐和膜系统的通道连通。通道中的混合器将定量给料的FEC与流入膜储罐的混合液快速混合。定量给料装置与感测通道、膜系统或二者中的状况的传感器连接。响应于混合液或膜系统中的状况，该设备允许FEC定量给料至流入膜系统的混合液，而不是定量给料至设备进料或过程储罐。

在该方法中，考虑流入膜系统的混合液中的状况或膜操作参数或二者，将FEC加入到流入膜系统的混合液。FEC剂量可在0.05-10或0.5-5 mg/g与混合液一起向膜系统流动的固体的范围。该方法可包括开始定量给料、任选调节定量给料浓度和终止定量给料的步骤。定量给料时间可在30分钟-8小时或30分钟-3小时范围。剂量持续的效果是定量给料时间的约2-10倍。

随着混合至流入膜过滤系统的混合液，FEC可产生膜过滤阻力的立即下降，即使在相对于MBR系统混合液体积非常低的瞬时浓度下。在否则会引起提高的膜污染的阶段期间，膜系统的操作可因此稳定，同时使用具有小的定量给料容量的定量给料系统和降低的化学品消耗(相对于目的是调节整个MBR系统的混合液的系统)。

附图

图1示意性表示具有化学品定量给料系统的MBR。

详述

图1显示具有一个或多个过程储罐12和膜过滤系统14的MBR 10。设备(原始)进料16进入过程储罐12并与混合液18混合。再循环混合液18通过通道20向膜过滤系统14流动。通道20可为敞开的通道或封闭的通道例如管道。在大的MBR中，通道20可为敞开的流动分布通道，其接受来自两个或更多个平行的过程储罐的出口并且进料至两个或更多个平行的膜储罐的入口。膜过滤系统14可为浸没的膜系统，其中膜过滤单元26浸没在敞开的储罐中，并且渗透物通过抽吸取出。或者，膜过滤系统可具有在封闭的容器中的膜过滤单元26，其中渗透物通过对混合液加压并且采用错流方法操作而除去，或者具有阶段性反洗和稀释步骤的闭端(dead end)方法。来自膜系统14的保留物通过返回管线24返回至过程储罐12。渗透物通过渗透物集管22取出。废物活化淤渣按需通过排放管28除去。

化学品定量给料系统30与膜过滤系统14和通道20连接。化学品定量给料系统具有与化学品储存储罐34连接的定量给料装置32。定量给料装置32可为具有手动或自动校准装置的模拟或数字可控的定量给料泵。化学品储存储罐34保持通量-增强化学品(FEC)。定量给料装置32从储存储罐34取出FEC，并且将其泵送至通道20中。FEC在通道中的混合器36上游或通过混合器36进入通道20。混合器36将进入的FEC与在通道中流动的混合液混合。混合器36可为例如含有引起通道20中的流动方式突然变化的元件的静态在线混合器或含有移动混合元件的机动在线混合器。将FEC直接混合至通道20中允许几乎瞬时流通处理流入膜过滤单元14的混合液18。或者，膜储罐可设计成允许当FEC流入膜储罐时将其混合至混合液中。

FEC可为例如聚合物或无机絮凝剂，例如金属盐(Water Research，43 (2009):822-830)。各种聚合FEC描述于美国专利号6,723,245、6,872,312、6,926,832、7,378,023和7,611,632和美国公布号2004/0168980和2006/0272198。聚合FEC的实例包括(甲基)丙烯酰胺和一种或多种阳离子单体的聚合物、阳离子聚合物、丙烯酰胺和一种或多种阳离子单体的共聚物、聚胺絮凝剂、聚DADMAC、聚METAC、AETAC和丙烯酰胺的共聚物和含有丹宁的聚合物。商品FEC 包括阳离子聚合FEC，例如由Nalco Corporation或Naperville，Illinois，USA制备的MPE50以及Ciba Zetag 7631。可用的无机絮凝剂可选自含有Ca、Mg、Al、Fe或它们的组合的无机盐或它们的聚合形式，例如FeCl₃、明矾和聚氯化铝。

化学品定量给料系统30还包括控制元件，该元件包括定量给料装置控制器38。控制器38与一个或多个膜操作传感器40、一个或多个过程传感器42或二者连接。考虑由一个或多个传感器40，42接受的信号，控制器38操作定量给料装置32。例如，控制器38可为可编程的逻辑控制器，其设置用于根据下述过程进行操作。膜操作传感器40可测量例如跨膜压力(TMP)和渗透物流速中的一个或多个。通常在膜过滤器控制策略中，TMP和渗透物流速之一固定，而另一个可变并且可用作化学品定量给料系统30的感测的变量。过程传感器42可测量例如以下一个或多个：通道20中的混合液流速和通道20中的混合液的物理或化学性质，例如温度、溶解氧含量和MLSS浓度。虽然优选在通道20中感测这些性质，如果通道20中的值可能类似，则过程储罐12中的传感器还可用于测量混合液的物理或化学性质。控制器38还可连接或并入计时器或计数器来计算衍生的实例，例如计算混合液过滤性或随时间或在反洗过程期间阻力的变化(基于TMP和渗透物流速信息)。

样品控制过程具有三个基本的步骤：开始定量给料动作、调节定量给料速率和终止定量给料动作。当一个或多个感测的参数达到预定的设定点时，可触发开始定量给料动作。控制器38以规则的时间间隔测验一个或多个传感器40、42，并且比较取回值与在控制器38中的储存器中储存的设定点。当取回值超过设定点时，开始定量给料子路线。

在开始定量给料动作中可用于考虑的参数包括向膜系统14流动的混合液的流速、向膜系统流动的混合液的温度、向膜系统流动的混合液的溶解氧含量、TMP (或渗透物流量，如果TMP固定)、过滤阻力、TMP或阻力的变化速率和过滤性。任选地，可考虑两个或更多个参数的组合。如果渗透为连续的，通过比较由预定的时间间隔分隔的值，可确定TMP或阻力的变化速率。如果渗透为间歇的，被反洗或松弛阶段中断，则TMP或阻力的变化速率可通过下面确定：测量渗透循环内的提高(比较在接近渗透阶段的开始和结束时的值)、比较在不同的渗透阶段的相同点取的值、或者比较在不同的渗透阶段之间的循环内的提高。涉及过滤性的可用的测量为在渗透循环期间累积的滤饼加上孔阻挡阻力(Rb + Rc)，其可通过从反洗之前的阻力减去在反洗期间的阻力来计算。

在定量给料期间化学品的加入速率基于流通固体含量而不是生物反应器系统中的总MLSS和或进入的原始水进料流来确定，并且可在0.05-10 mg/g向膜系统流动的混合液固体的范围。如下计算瞬时定量给料浓度(以mg FEC/g干燥MLSS计)：FEC溶液定量给料速率乘以溶液中的FEC浓度然后除以向膜储罐流动的混合液流速与MLSS浓度的乘积。

化学品定量给料可以预定的最小定量给料速率开始，例如1 mg/g在向膜系统14流动的混合液中的悬浮固体。在定量给料阶段内，化学品定量给料可为连续或间歇的。开始后，定量给料速率可以离散的增量提高，例如1 mg/g向膜系统14流动的混合液中的悬浮固体，在预定的时间段后或在开始渗透循环时。可提高定量给料速率，直至在循环中的TMP或阻力提高，或在所选的时间段期间的TMP或阻力提高，低于预定的设定点。继续定量给料，直至从定量给料操作开始已经过预定的时间段，或者只要触发开始定量给料阶段的设定点保持高于其设定点即可。FEC用于使对变化的工艺条件的阻力的影响最小化和稳定膜过滤过程的操作。于2007年2月22日公布的Ginzburg等人的美国专利申请公布2007/0039888 A1通过引用而全文结合到本文中。其中描述的控制策略和测量技术可适用于本文件中描述的方法或与之组合。

实施例

用于测试的试用系统具有充气储罐和膜储罐。充气储罐的体积为14立方米。膜储罐的体积为0.97立方米。膜储罐包括3个ZeeWeed 500D膜模块，各自具有约370平方英尺的膜表面积。膜使用两个充气机充气，接受20 cfm的总空气流量，每10秒从一个充气机切换到另一个。在12分钟渗透接着30秒松弛的循环中进行渗透。淤渣以5倍于进料流速的速率(38-88 L/分钟)从充气储罐泵送，通过溢流堰堤，将过量的淤渣返回至充气储罐。在测试期间，在进料水中，TCOD在360-445 mg/L范围；TN在32-40 mg/L范围；TSS在174-296 mg/L范围，pH在5.74-7.82范围。系统中的总MLSS为140-150 kg。F/M (基于TCOD，MLSS)为0.18-0.4 kg TCOD/(kg MLSS.天)。

在各种测试中，膜通量设定在对于水温的高值以产生膜通常将被快速污染的条件。在美国专利7,611,632中描述的含有丹宁的聚合物用作FEC，该专通过引用而全文结合到本文中。具体地，FEC为聚合水性产品，含有约38重量%的丹宁和AETAC(N,N-二甲基氨基乙基丙烯酸酯甲基氯化物)的共聚物(分子量为约75,000)。将FEC混合至将混合液从充气储罐向膜储罐递送的管道。在以下实施例中所有TMP值在反洗前测量。

在一个测试中，混合液的温度为12.3℃。在14 gfd的固定通量下操作在约1.2 psi的TMP下产生通常稳定的操作。将通量提高并保持至24 gfd。这引起TMP立即升高至约2.2 psi，并且经过下一个小时的操作提高至约2.4 psi。随后开始FEC的定量给料，并以0.32 mg/g MLSS持续约150分钟。在该时间期间，在TMP从约2.4 psi缓慢升至约2.5 psi时操作通常稳定。定量给料速率随后提高至1.5 mg/g保持160分钟。在系统中共已加入2.92 mg FEC/g MLSS。TMP立即降至约2.3 psi，并在定量给料阶段结束时，进一步下降至约2.1 psi。

在另一个测试中，混合液的温度为15.2-17.5℃，并且通量在30 gfd下保持恒定。在不存在FEC下，TMP为约2.7 psi，随着时间的推移趋势向上。FEC以0.38 mg/g MLSS定量给料并保持50分钟，引起TMP立即下降至2.5 psi，随着时间的推移趋势向下。将剂量提高至0.75 mg/g MLSS保持另一个50分钟，在该阶段结束时，TMP降低至约2.2。进一步提高剂量至1.65 mg/g MLSS保持40分钟，TMP降低至接近2.0 psi。在系统中共已加入2.85 mg FEC/g MLSS。在FEC定量给料停止后，在接下来的100分钟内TMP提高至约2.2，此时试验停止。

在另一个测试中，混合液的温度为15.1-17.7℃，并且通量在35 gfd下保持恒定。未加入任何FEC，在20分钟内TMP达到10 psi，测试必须暂时关闭。以0.23 mg/g MLSS加入FEC保持30分钟，恢复测试，在此时间期间TMP为约3.5-4.5 psi之间，随着时间的推移趋势向上。将定量给料速率提高至0.51 mg/g MLSS保持40分钟，在此时间期间TMP为4.5-3.5 psi之间，随着时间的推移趋势向下。进一步提高定量给料速率至1.17 mg/g保持接下来的30分钟，在定量给料阶段结束时，产生约3 psi的TMP。在系统中共已加入2.9 mg FEC/g MLSS。停止化学品定量给料，则在接下来的110分钟内TMP提高至约4 psi，此时测试停止。

在另一个测试中，混合液的温度为18.0℃，并且通量在38 gfd下保持恒定。不加入FEC，系统运行30分钟，以建立每个循环的基线TMP提高。FEC以1.2 mg/g MLSS定量给料保持72分钟，这引起TMP立即下降0.3 psi，并且随着时间的逝去变得平稳。在系统中共已加入3.2 mg FEC/g MLSS。在定量给料间隔结束后，TMP上升，但是未达到每个循环的基线TMP提高保持另一个430分钟。

在以上实施例中，所用的FEC的总量为约430-480 g。为了比较，作为整体向系统中加入FEC至200-800 ppm的浓度将需要约3000-12,000 g的FEC。考虑较大的设备，设计温度为10℃的1 MGD MBR可具有约1500立方米的总混合液体积，MLSS浓度为10 g/L，并且向膜储罐的流量为5 MGD。加入FEC至200-800 ppm的浓度将需要300-1200 kg的FEC。与此相反，以0.5-5 mg/g MLSS的瞬时平均剂量加入FEC保持2小时的定量给料时间以控制持续4-16小时的高污染状况将仅使用8-80 kg的FEC。

当淤渣过滤性否则会降低时，上述使用FEC的方法可用于处理意想不到的短的持续时间阶段。该方法还可作为改进而加入以操作正在经历偶然不稳定操作阶段的MBR。然而，该方法还可用于预期的短的事件，例如在市政废水处理设备中预期的峰值时刻、最大日通量或预期的最低温度日。可依赖FEC来提供在那些时间期间的过滤性提高例如20%。通过在这些时间段期间提高过滤性，可基于较少的挑战性条件来计算需要的膜表面积。这将允许降低的膜表面积和资金成本用于设计。

以上描述提供方法和设备的一个或多个实例，但是不局限或限定本发明。其它方法和设备也可在一个或多个以下权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种在包含过程储罐和膜储罐的MBR中处理废水的方法，所述方法包括将通量增强化学品混合至从过程储罐向膜储罐流动的混合液中。

2.权利要求1的方法，其中通量增强化学品以0.05-10 mg/g从过程储罐向膜储罐流动的混合液悬浮固体的速率加入。

3.权利要求1的方法，其中将通量增强化学品混合至混合液中保持30分钟-8小时的连续定量给料阶段。

4.权利要求3的方法，其中，在权利要求3的定量给料阶段之后，通量增强化学品不加入到MBR中保持至少2小时。

5.权利要求3的方法，其中当以下一个或多个超过预定的限度时，开始所述定量给料阶段：混合液的流速、混合液的温度、混合液的溶解氧含量、施用于膜储罐中的膜的TMP、施用于膜储罐中的膜的TMP的变化速率、混合液的过滤性以及在渗透循环期间的滤饼加上位置阻挡阻力累积。

6.权利要求3的方法，其中，在定量给料阶段开始后，通量增强化学品加入的速率提高，直至以下一个或多个低于预定的设定点：在一个循环中的膜TMP或阻力提高和在所选的时间段期间的TMP或阻力提高。

7.权利要求1的方法，其中通量增强化学品包含含有丹宁的聚合物。

8.一种用于处理废水的设备，所述设备包含：

过程储罐；

含有过滤膜的膜储罐；

用于使混合液从过程储罐向膜储罐流动的通道；

与通道连通的通量增强化学品的供应；和

用于将通量增强化学品混合至在通道中流动的混合液的混合器。

9.权利要求8的设备，所述设备具有与通量增强化学品的供应和在通道或膜储罐中的一个或多个传感器连接的控制器。

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