CN104925938A

CN104925938A - 基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控方法及装置

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Publication number: CN104925938A
Application number: CN201410097826.4A
Authority: CN
Inventors: 李恩超; 金学文; 张宜莓; 任巍; 施亮; 张永杰; 侯红娟; 尹婷婷; 裘慕贤
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Shanghai Baosteel Chemical Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Shanghai Baosteel Chemical Co Ltd
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: CN104925938B

Abstract

本发明是一种基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控方法及装置，反应器包括设置有进出水口的外壳、在外壳内的膜组件；调控装置包括连接于膜组件的在线恒电位仪、在线流动Zeta电位仪、连接于在线恒电位仪和在线流动Zeta电位仪之间的可编程逻辑控制器、置于动态膜生物反应器膜腔内的参比电极；Zeta电位仪用以测定污泥混合液Zeta电位，恒电位仪用于调节动态膜表面相对参比电极的电位，Zeta电位仪对恒电位仪选值的调节通过可编程逻辑控制器实现。调控方法包括基于表面恒电位控制促进动态膜形成、基于表面恒电位控制对动态膜污染的调控、采用错流过滤使动态膜分离出渗透液；以及动态膜基材电化学保护。本发明可显著延长DMBR运行周期。

Description

基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控方法及装置

技术领域

本发明涉及一种污水处理装置和污水处理方法，具体说有关一种用于污水处理的动态膜生物反应器调控方法及装置。

背景技术

膜-生物反应器（Membrane bioreactors，简称MBR）由于膜的高效分离性能，与采用重力沉降分离为主的传统活性污泥法污水处理工艺相比，具有占地面积小、容积负荷高、出水水质好等突出优点，被认为是最具有发展前景的污水处理与回用技术之一，对其的研究和开发在世界范围内都备受关注。目前从技术角度讲，MBR工艺已相当成熟，然而其推广应用却不甚理想，主要存在三个问题：（1）能耗问题，目前好氧MBR的运行能耗明显高于常规活性污泥法。（2）通常采用的有机或无机膜价格较昂贵，致使MBR工艺的投资偏高；（3）膜污染控制不易，使膜性能快速下降。为解决以上问题，国内外进行了多方面的研究。动态膜技术是其中较有特色且效果较好的一种方法。

动态膜技术是指采用廉价大孔材料作为污水过滤介质，利用初期截留的污染物及后期粘附的微生物产物形成生物膜，从而达到改善出水水质的目的。动态膜组件与生物反应器结合构成动态膜-生物反应器（Dynamic membranebioreactor，简称DMBR），在保留MBR优点的同时克服其缺点，不仅大幅度降低MBR工艺造价，而且动态膜过滤阻力很小，可以在低至几毫米的水位差的驱动下自流出水。当动态膜发生污染后，采取加强膜下方曝气或气水反冲等方式即能完全恢复动态膜的通量。

近年来，国内外学者针对DMBR选材、操作模式优化进行了较多研究。范彬等则采用孔径为0.1mm左右的筛绢制成平板型过滤组件，代替微滤膜或超滤膜形成一体式的MBR，利用运行过程中形成于组件表面的动态膜过滤出水，研究了这种MBR对城市污水的处理效果。结果表明，用筛绢直接过滤城市污水可以在比较短的时间内形成自生生物动态膜，并且达到良好的分离效果，过滤开始35min后出水中即检测不到悬浮物（suspended solids,SS）；动态膜生物反应器对氨氮去除率达80.92%，充分说明硝化菌大量繁殖并被有效地截留在反应器内。膜阻力计算结果表明，动态膜的总过滤阻力要比传统MBR中的膜过滤阻力小2～3个数量级。高松等试验研究了200目不锈钢丝网为基材在曝气池内形成的生物动态膜的过滤性能，结果表明：水头和初始通量对动态膜的形成具有关键作用，但同时对膜的堵塞也有相当大的影响。30cm是较好的操作水头。而初始通量小于0.62m/h时，基材上未形成有效的生物动态膜。试验中的通量高于0.1m/h，远远超过微滤膜-生物反应器。目前，针对DMBR应用于污水处理领域已形成不同的技术方法及配套装置，如在中国专利申请公开第CN1363526号中公开一种应用动态膜对生物反应器混合液进行过滤的方法及装置；在中国专利申请公开第CN102180542A号中公开一种自生动态膜组件快速及稳定运行方法；在中国专利申请公开第CN101234813号中公开一种复合式动态膜生物处理污水的方法及其设备；在中国专利申请公开第CN101224357号中公开一种印染废水回用的两级动态膜过滤方法。

DMBR依靠运行过程中在线形成的泥饼层和凝胶层实现对污染物的截留，随着运行时间的延长，动态膜孔径会因胶体颗粒的进一步沉积而逐渐减小，最终导致在膜面上形成过厚的生物膜（泥饼层）而DMBR无法出水，必须通过在线物理-化学清洗及离线物理-化学清洗恢复通量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态膜生物反应器（DMBR）调控方法及装置，能够在保证DMBR出水稳定达标的同时，最大程度降低DMBR运行中动态膜污染，以显著延长DMBR运行周期。

根据本发明一方面提供一种基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控装置，动态膜生物反应器包括设置有进出水口的外壳、在外壳内的膜组件，膜组件由基材和膜管组成；其特征在于，所述调控装置包括连接于所述膜组件的在线恒电位仪、在线流动Zeta电位仪、连接于在线恒电位仪和在线流动Zeta电位仪之间的可编程逻辑控制器、放置在动态膜生物反应器膜腔内的参比电极；Zeta电位仪用以测定污泥混合液Zeta电位，恒电位仪用于调节动态膜表面相对参比电极的电位，Zeta电位仪对恒电位仪选值的调节通过可编程逻辑控制器实现。

膜组件的基材是由PVC板、不锈钢铁丝网或无纺布组成。

所述参比电极采用Ag/AgCl制成。

不锈钢铁丝网的孔径直径是0.01～5mm，每块面积是0.2～3平方米。

在膜管与进出口管道连接处，采用0型硅橡胶密封圈密封。

恒电位仪连接至近不锈钢丝网中部位置。

根据本发明另一方面提供一种基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控方法，采用上述动态膜生物反应器调控装置实施，动态膜生物反应器包括设置有进出水口的外壳、在外壳内的膜组件；调控装置包括连接于膜组件的在线流动Zeta电位仪、在线恒电位仪与可编程逻辑控制器（PLC），放置在DMBR反应器膜腔内的Ag/AgCl参比电极；所述调控方法包括如下步骤：

基于表面恒电位控制促进动态膜形成：在DMBR运行初期，通过在线流动Zeta电位仪，测定DMBR内活性污泥胶体表面Zeta电位；以及以不锈钢丝网作为两电极体即工作电极，以Ag/AgCl为参比电极，利用恒电位仪，在不锈钢丝网表面施加+50～+100mV的恒电位；

基于表面恒电位控制对动态膜污染的调控：在DMBR稳定运行期，通过在线流动Zeta电位仪，测定反应器内活性污泥胶体表面Zeta电位；以及利用恒电位仪，在动态膜表面施加-20～-100mV恒电位；

采用错流过滤使动态膜分离出渗透液；

动态膜基材电化学保护：DMBR稳定运行过程中，在动态膜表面施加-20～-100mV恒电位负电。

在跨膜压差高于12.0kPa时进行反洗。

动态膜的清洗再生采用脉冲水流冲洗和压缩空气反冲，其中水冲强度在2～10L/m²·s，时间是2～10分钟，气冲强度在7～22L/m²·s，时间是2～3分钟。

本发明的有益效果如下：

通过恒电位控制，在反应器启动阶段可降低膜基材与胶体颗粒之间的静电斥力，加快负电粒子向膜表面的吸附沉积，从而在较短时间内例如<1小时即可形成动态膜，实现DMBR的过滤效果；

在稳定运行阶段，通过恒电位控制可以使动态膜表面带负电，从而提升动态膜表面能，增强了污泥胶体颗粒与动态膜之间的静电斥力，缓解泥饼层的形成，防止膜孔进一步堵塞，延长了DMBR的运行周期；

好氧DMBR反应器动态膜组件通量30～40L/(m²·h)，动态膜物理清洗周期可达2个月；

动态膜表面保持负电位，可减缓氧还原在基材表面产生的电化学腐蚀，从而延长膜组件的使用寿命，进一步降低DMBR成本；

通过使用控制器，实现在线流动Zeta电位仪与恒电位仪联用，通过Zeta电位仪测定结果，调控恒电位仪施加电位大小，从而精确、恒量控制动态膜表面电位及动态膜与混合溶液中胶体颗粒的静电作用；可针对不同进水水质、不同污泥混合液电化学特性、不同膜基材材质与孔径，恒电位仪反馈不同膜表面电位，用以控制动态膜形成与膜污染。

总之，本发明中，通过对动态膜表面电位的精确、恒量控制，可以有效增强DMBR运行稳定性；由于典型活性污泥颗粒表面带负电，在动态膜形成初期可以施加正恒电位，有效降低膜基材表面能，增强胶体颗粒向膜面吸附沉积；在稳定运行过程中，通过施加负恒电位，可显著增加动态膜表面能，既可以增加带负电颗粒与动态膜之间的静电斥力，也可减缓膜基材电化学腐蚀。本发明可以与大部分数据库管理系统（DMS）联用，处理一般城镇生活污水与部分工业废水；在保证DMBR出水稳定达标的同时，缩短启动阶段动态膜形成所需时间，并大幅度降低DMBR运行中动态膜污染，显著延长DMBR运行周期。因此，本发明有效降低溶解氧在动态膜基材表面发生电化学还原而产生腐蚀，提升了基材的电化学稳定性，延长了动态膜组件的使用寿命。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控装置示意图；

图2为本发明一个实施例的一种基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控方法中促进动态膜形成原理图；

图3为本发明一个实施例的一种基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控方法中控制动态膜污染原理图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来作最宽泛的理解。图中相同或相似的构件采用相同的附图标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控装置，如图所示，其中动态膜生物反应器（DMBR）1包括设置有进水口1b、经过滤水出水口1c、污水出水口1c’的外壳1a、放置在外壳1a内的膜组件2，膜组件2由作为工作电极的基材2b和膜管2a组成，基材2b形成有多个孔2c；调控装置包括连接于膜组件2的在线恒电位仪3、在线流动Zeta电位仪5、连接于在线恒电位仪3和在线流动Zeta电位仪5之间的可编程逻辑控制器（PLC）4、放置在动态膜生物反应器1的膜腔内的Ag/AgCl参比电极10；Zeta电位仪5用以测定污泥混合液Zeta电位，恒电位仪3用于调节动态膜表面相对Ag/AgCl参比电极10的电位，Zeta电位仪5对恒电位仪选值的调节通过可编程逻辑控制器4实现。

膜组件2的基材2b可由PVC板、不锈钢铁丝网或无纺布组成，在本实施例中基材2b采用不锈钢铁丝网，不锈钢铁丝网的孔径直径是0.01～5mm，可采用多块不锈钢铁丝网基材2b（图中显示2块），每块面积是0.2～3平方米。动态膜生物反应器1的液面与经过滤水出水口1c之间具有一个高度差（未标示），动态膜生物反应器1在液面和出水口1c之间的高度差重力作用自流出水。

较佳地，在膜管2a与进出口管道（未标示）连接处，采用0型硅橡胶密封圈密封，以完全杜绝膜两侧的泄漏可能。Zeta电位的典型值为-20～-5mV。恒电位仪3较理想是连接至近不锈钢丝网的中部位置。

现结合图1至图3说明本发明一个实施例的一种基于表面恒电位控制的动态膜调控方法，采用上述动态膜生物反应器调控装置实施，动态膜生物反应器1包括设置有进水口1b、出水口1c、1c’的外壳1a、在外壳1a内的膜组件2；调控装置包括连接于膜组件2的在线流动Zeta电位仪5、在线恒电位仪3与可编程逻辑控制器（PLC）4，放置在动态膜生物反应器1膜腔内的Ag/AgCl参比电极10；所述调控方法包括如下步骤：

基于表面恒电位控制促进动态膜形成，如图2所示，包括：在DMBR1运行初期，通过在线流动Zeta电位仪5，测定DMBR内活性污泥12胶体表面Zeta电位，其典型值为-20～-5mV；以及以不锈钢丝网2b作为两电极体即工作电极，以Ag/AgCl参比电极10，利用恒电位仪3，在不锈钢丝网2b表面施加+50～+100mV的恒电位，增加动态膜基材2b与混合液胶体颗粒之间的静电引力，降低动态膜表面能，从而促进动态膜12’形成；

基于表面恒电位控制对动态膜污染的调控，如图3所示，包括：在DMBR稳定运行期，通过在线流动Zeta电位仪5，测定动态膜生物反应器1内活性污泥12胶体表面Zeta电位；以及利用恒电位仪3，在动态膜12’表面施加-20～-100mV恒电位，以增加动态膜12’与混合液胶体颗粒之间的静电斥力，提升动态膜表面能，降低活性污泥混合液中带负电的颗粒、胶体物质及微生物向动态膜12’表面的沉积，减缓动态膜12’污染从而强化DMBR运行稳定性。

采用错流过滤使动态膜12’分离出渗透液；

动态膜基材2b电化学保护：在DMBR稳定运行过程中，在动态膜12’表面施加-20～-100mV恒电位负电，以有效降低溶解氧在动态膜基材2b表面发生电化学还原而产生腐蚀，提升了基材2b的电化学稳定性，从而延长动态膜组件2的使用寿命。

采用上述调控方法，动态膜12’的平均膜通量是5～30L/m².h，压力是0.5～3.2MPa，得水率80%～95%，运行温度是15～35度。

在上述方法中，在跨膜压差高于12.0kPa时进行反洗。

在所述方法中，动态膜的清洗再生是采用脉冲水流冲洗和压缩空气反冲，其中水冲强度在2～10L/m²·s，时间是2～10分钟，气冲强度在7～22L/m²·s，时间是2～3分钟。

经过滤的水可从底部出水口1c流出，污水可通过出水泵7由上部出水口1c’通过污水流路9排出，流出的污水的压力和流量可通过设置在污水流路中的压力计6和液体流量计8测得。

跨膜压差高于12.0kPa时需要反洗，动态膜的清洗再生采用脉冲水流冲洗和压缩空气反冲。水冲强度在2～10L/m²·s，时间是2～10分钟，气冲强度在7～22L/m²·s，时间是2～3分钟。

本发明中，通过对动态膜12’表面电位的精确、恒量控制，可以有效增强DMBR1的运行稳定性。由于典型活性污泥颗粒表面带负电，在动态膜12’形成初期可以施加正恒电位，有效降低膜基材2b表面能，增强胶体颗粒向膜面吸附沉积；在稳定运行过程中，通过施加负恒电位，可显著增加动态膜12’表面能，既可以增加带负电颗粒与动态膜12’之间的静电斥力，也可减缓膜基材2b电化学腐蚀。本发明可以与大部分数据库管理系统（DMS）联用，处理一般城镇生活污水与部分工业废水。在保证DMBR出水稳定达标的同时，缩短启动阶段动态膜12’形成所需时间，并大幅度降低DMBR1运行中动态膜12’污染，显著延长DMBR运行周期。

本发明基于表面恒电位控制的动态膜调控方法及装置，通过恒电位的电化学技术手段，对廉价大孔基材（如不锈钢丝网）表面电化学特性进行改性，在DMBR运行过程中控制动态膜基材与污水中胶体颗粒之间的微界面作用力，从而保证在反应器运行初期动态膜快速形成，反应器运行过程中防止动态膜进一步增厚堵塞，最终实现DMBR长期稳定运行。该技术及装置能够在保证DMBR出水稳定达标的同时，最大程度降低DMBR运行中动态膜污染，显著延长DMBR运行周期。

综上所述，本发明具有以下优点：

通过恒电位控制，在动态膜生物反应器启动阶段降低膜基材与胶体颗粒之间的静电斥力，加快负电粒子向膜表面的吸附沉积，从而在较短时间内（<1小时）即可形成动态膜，实现DMBR的过滤效果；

好氧DMBR反应器动态膜组件通量30～40L/(m2·h)，动态膜物理清洗周期可达2个月；

通过使用控制器，实现在线流动Zeta电位仪与恒电位仪联用，通过Zeta电位仪测定结果，调控恒电位仪施加电位大小，从而精确、恒量控制动态膜表面电位及动态膜与混合溶液中胶体颗粒的静电作用。针对不同进水水质，不同污泥混合液电化学特性，不同膜基材材质与孔径，恒电位仪反馈不同膜表面电位，用以控制动态膜形成与膜污染。

钢铁行业一直属于废水消耗和排放大户，节能减排是一大发展趋势。本发明专利一种基于表面恒电位控制的动态膜调控方法及装置系统技术方案，不仅废水出水水质好，而且可以有效的降解废水处理费用。因此本发明具有经济和环保双重效果，具有良好的社会效益和环境效益。

为了更好地理解本发明的特点和优点，下面进一步说明本发明的具体应用实例。

[实例1]

使用厌氧DMBR处理冷轧废水，膜组件为平板膜形式，进水COD浓度为1587±256.4mg/L，出水COD浓度为225±20.5mg/L，平均去除率为92.1%。运行过程中混合液污泥浓度为13g/L，厌氧污泥Zeta电位‐60mV，控制动态膜表面电位‐100mV。运行通量为20L/m²·h。

[实例2]

采用好氧DMBR处理焦化污水，膜组件采用380目不锈钢丝网。反应器污泥浓度MLSS=4.5g/L，膜组件运行通量20L/m²·h，运行过程中活性污泥Zeta电位为‐10mV。进水COD浓度为286.0±71.2mg/L。动态膜生物反应器启动阶段在膜表面施加+30mV恒电位，反应器出水在20分钟内悬浮物（SS）降至10mg/L以下。DMBR稳定运行出水COD平均浓度为25±5mg/L，在膜表面施加‐30mV恒电位。对照组在反应器启动阶段与稳定阶段均未施加恒电位控制，反应器出水至2小时SS降至10mg/L以下。

[实例3]

膜组件采用250目不锈钢丝网，构建DMBR处理某工业废水，进水COD浓度为386±82mg/L，氨氮浓度为34±8mg/L。在膜表面施加‐80mV恒电位。DMBR污泥浓度MLSS=8g/L，膜组件运行通量20L/m²·h。DMBR稳定运行出水COD平均浓度为20±4.3mg/L，氨氮浓度<1.0mg/L。

[实例4]

使用好氧DMBR反应器处理冷轧平整液废水，膜组件为平板膜形式，材质选用300目不锈钢丝网。进水COD浓度为6587±256.4mg/L，出水COD浓度为725±50.5mg/L，去除率88.9%。DMBR运行通量为15L/m²·h，动态膜生物反应器运行过程中控制膜表面电位‐50mV，运行18天，跨膜压差到2.5kPa，通量未衰减。对照组未采用恒电位控制策略，运行18天，跨膜压差到8.0kPa。

[实例5]

采用好氧DMBR处理低浓度热轧污水，膜组件采用300目不锈钢丝网。反应器污泥浓度MLSS=8g/L，膜组件运行通量30L/m²·h，运行过程中活性污泥Zeta电位为‐20mV。进水COD浓度为350～785mg/L，悬浮固体浓度SS为200～460mg/L。反应器启动阶段在膜表面施加+50mV恒电位，反应器出水在0.5小时内SS降至10mg/L以下。DMBR稳定运行出水COD平均浓度为21±4.3mg/L，在膜表面施加‐50mV恒电位。对照组在反应器启动阶段与稳定阶段均未施加恒电位控制，反应器出水至2.5小时SS降至10mg/L以下。

综上所述，本发明所述的一种基于表面恒电位控制的动态膜调控方法及装置系统一次性投资低；废液处理效果稳定；生产运行成本低；自动化程度高，操作简单。本发明充分体现了节能减排的效果，是环境友好型的绿色钢铁生产工艺。

应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控装置，动态膜生物反应器包括设置有进出水口的外壳、在外壳内的膜组件，膜组件由基材和膜管组成；其特征在于，所述调控装置包括连接于所述膜组件的在线恒电位仪、在线流动Zeta电位仪、连接于在线恒电位仪和在线流动Zeta电位仪之间的可编程逻辑控制器、放置在动态膜生物反应器膜腔内的参比电极；Zeta电位仪用以测定污泥混合液Zeta电位，恒电位仪用于调节动态膜表面相对参比电极的电位，Zeta电位仪对恒电位仪选值的调节通过可编程逻辑控制器实现。

2.根据权利要求1所述的基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控装置，其特征在于，所述膜组件的基材是由PVC板、不锈钢铁丝网或无纺布组成。

3.根据权利要求2所述的基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控装置，其特征在于，所述不锈钢铁丝网的孔径直径是0.01～5mm，每块面积是0.2～3平方米。

4.根据权利要求1所述的基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控装置，其特征在于，所述参比电极采用Ag/AgCl制成。

5.根据权利要求1所述的基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控装置，其特征在于，在所述膜管与进出口管道连接处，采用0型硅橡胶密封圈密封。

6.根据权利要求1所述的基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控装置，其特征在于，所述恒电位仪连接至近不锈钢丝网中部位置。

7.一种基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控方法，所述动态膜生物反应器包括设置有进出水口的外壳、在外壳内的膜组件；其特征在于实施所述调控方法所采用的调控装置包括连接于膜组件的在线流动Zeta电位仪、在线恒电位仪与可编程逻辑控制器，放置在动态膜生物反应器膜腔内的参比电极；所述调控方法包括如下步骤：

基于表面恒电位控制促进动态膜形成：在动态膜生物反应器运行初期，通过在线流动Zeta电位仪，测定动态膜生物反应器内活性污泥胶体表面Zeta电位；以及以不锈钢丝网作为两电极体即工作电极，以参比电极，利用恒电位仪，在不锈钢丝网表面施加+50～+100mV的恒电位；

基于表面恒电位控制对动态膜污染的调控：在动态膜生物反应器稳定运行期，通过在线流动Zeta电位仪，测定反应器内活性污泥胶体表面Zeta电位；以及利用恒电位仪，在动态膜表面施加-20～-100mV恒电位；

采用错流过滤使动态膜分离出渗透液；

动态膜基材电化学保护：动态膜生物反应器稳定运行过程中，在动态膜表面施加-20～-100mV恒电位负电。

8.根据权利要求7所述的基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控方法，其特征在于，还包括在跨膜压差高于12.0kPa时进行反洗。

9.根据权利要求7所述的基于表面恒电位控制的动态膜生物反应器调控方法，其特征在于，还包括动态膜的清洗再生采用脉冲水流冲洗和压缩空气反冲，其中水冲强度在2～10L/m²·s，时间是2～10分钟，气冲强度在7～22L/m²·s，时间是2～3分钟。