CN1772355A - 用于膜－生物反应器的在线化学清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于水和废水处理与净化技术领域的一种用于控制膜－生物反应器膜污染的在线化学清洗方法。该方法以碱洗为核心，辅以酸洗，针对小规模与大中规模的膜－生物反应器，推荐了两种相应的清洗模式(固定清洗周期与TMP发展速率控制清洗周期)。该方法能够有效清除由大分子有机物和胶体物质形成的膜孔堵塞和凝胶层污染，从而恢复膜过滤能力，且操作简便，维护成本低。应用该方法可以实现膜组件的长期稳定运行，延长膜组件的使用寿命，降低膜组件的维护费用，从而确保膜－生物反应器规模化工程应用的长期运行稳定性，并降低其运行成本。
Description
技术领域
本发明属于水和废水处理与净化技术领域，特别涉及控制膜-生物反应器中膜污染的一种用于膜-生物反应器的在线化学清洗方法。
背景技术
膜-生物反应器是一种将膜分离技术与传统生物处理技术有机结合的新型高效污水处理与回用技术。由于采用了高效的膜分离技术替代重力沉淀分离方法，因此与传统废水处理工艺相比，膜-生物反应器技术具有出水水质优良稳定、占地面积小、剩余污泥产量少等突出优点，而且膜-生物反应器装置结构紧凑，易于实现自动化控制，同时也可以方便地对传统城市二级污水处理厂进行改造，使其出厂水达到回用水的标准。
根据膜组件的设置位置，膜-生物反应器可分为分置式膜-生物反应器和一体式膜-生物反应器两大类。一体式膜-生物反应器由于省掉了混合液循环系统，并且靠负压抽吸出水，能耗相对较低，占地较分置式膜-生物反应器也更为紧凑。因此，近年来一体式膜-生物反应器在大型建筑和居民小区的中水回用、城市污水处理与回用、高浓度有机废水的处理、难降解有机废水的处理和微污染水源水的净化等领域已经初步开始了规模化工程应用。但如何有效地控制膜污染、降低控制膜污染的成本、延长膜组件的使用寿命对于膜-生物反应器规模化推广应用具有十分重要的意义。
众所周知，膜-生物反应器在运行时，膜组件不可避免地要受到污染，泥水混合液中小分子物质会堵塞膜孔，大分子物质及胶体会逐渐吸附到膜表面形成凝胶层，菌胶团等颗粒物质会沉积到膜表面形成泥饼层，这都会增大膜组件的过滤阻力，使膜通量显著下降或者跨膜压差显著上升，从而影响系统长期运行的稳定性。菌胶团等颗粒物质形成的泥饼层污染可以通过改善膜过滤的水动力学特点(错流过滤、气水两相流、水力反冲洗或空气反冲洗等)和采用合适的工作通量(次临界通量)得到较好的控制，但上述措施却不能清除由有机物和胶体物质形成的膜孔堵塞和凝胶层污染。由于碱洗(NaClO)对于有机物和微生物有很强的氧化分解溶蚀等作用，而酸洗(柠檬酸、乙二酸、盐酸)对于无机沉淀物有很好的溶解去除效应，所以化学清洗是彻底清除膜污染、恢复膜过滤能力的最有效的措施，也是维持膜组件长期稳定运行所必需的。
化学清洗分为浸渍清洗(体内或体外)和体内在线清洗两类。一般来说浸渍清洗效果较好，但对膜的损伤较大，操作也复杂。体外浸渍清洗不仅需要膜组件的提升、转移系统，还需要专门的清洗槽和清洗设备，而且要有足够的空间，同时还存在清洗废液的后处理问题；体内浸渍清洗需要将膜组件单独安装在分离槽内，同样也存在清洗废液的问题。而在线化学清洗既有相比其他膜污染控制措施效果好的优点，又比化学浸渍清洗简单易行，而且对膜的损伤小，因此是重要的膜污染控制措施。
虽然国内外已有几项应用膜-生物反应器进行污水处理的专利文献，如国内的“抽吸内置式膜-生物反应器(专利号97228698.5)”，“穿流式膜-生物反应器的水处理工艺及其设备(专利号99111514.7)”，“一体式膜生物反应设备”(专利号98225338.9)，“中空纤维膜生物反应污水处理器”(专利号97228032.4)，“膜分离污水生物处理反应器”(专利号00250653.X)，“处理废水的膜-生物反应器”(专利号01212672.1)，以及国外的“Membrane bioreactor，process andaerator”(Pub.No.：US 2004/0108268 A1)，“Apparatus and method forcleaning membrane filtration modules”(Pub.No.：WO 00/18498)，“Chemicalcleaning backwash for immersed filtering membranes”(Pub.No.：WO01/08790 A1)，“Filter device”(Pub.No.：JP 2001079362 A)，“Separatingmembrane module and module assembly”(Pub.No.：JP 2003181248 A)，“Methodand apparatus for chemical cleaning of filter membrane module”(Pub.No.：JP 2003251159 A)，但这些专利均未涉及在线化学清洗或者只是笼统地提到而没有较详细明确的可操作参数。因此本发明在试验基础上提出了比较明确可操作性较强的有关在线化学清洗的操作规程。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于控制膜-生物反应器废水处理与回用工艺中膜污染的在线化学清洗方法。所述在线化学清洗方法是采用清洗药剂清洗并设置相应的装置：
1.清洗药剂的选择
a)碱洗
碱清洗药剂主要是次氯酸钠(NaClO)溶液：低浓度(有效氯50～200mg/L)；高浓度(有效氯3000～6000mg/L)。按膜面积药液用量V＝5～20L药液/m2；
b)酸洗
酸清洗药剂可选择柠檬酸、乙二酸或盐酸溶液(pH＝1～2)，按膜面积药液用量V＝5～20L药液/m2；
上述清洗首先选用碱洗，只有在碱洗效果不明显或料液中无机物含量较高时才使用酸洗。
2.清洗周期的判定
a)固定清洗周期
对于大中规模的膜-生物反应器采用每1～2周低浓度碱洗一次，每2～3月高浓度碱洗一次。该清洗模式下膜组件的跨膜压差(TMP)始终维持在较低水平上。此种模式清洗较频繁，操作管理较复杂，宜采用自动化控制。
b)以跨膜压差(TMP)发展速率控制清洗周期
小规模膜-生物反应器采用以TMPt达到起始过滤值TMP0加上5～20kPa时，作为实施清洗的标识，此时采用高浓度碱洗。该清洗模式下膜组件TMP呈现周期性的变化，在周期内TMP呈现升高趋势，但经在线化学清洗后，TMP恢复到接近初始水平。此种模式清洗频率低，操作管理简单，为降低成本可以手动操作。
3.在线化学清洗方法实施步骤如下：
a)根据膜面积及药液种类配置清洗药液；
b)停止膜组件进出水和曝气；
c)静置5～10分钟，并完成清洗操作所需的阀门切换；
d)开启加药泵，将全部药液在60～120分钟内分几次按与正常过滤方向相反注入膜组件内，然后静置30～60分钟；
e)重新开启曝气，10～15分钟内完成正常进出水操作所需的阀门切换，然后重新开启进出水连续运行。
4.实施在线化学清洗需要设置相应的化学清洗系统：药液储存池，加药泵，流量计，化学清洗管路，自动控制装置。另外，在膜组件抽吸管路上和化学清洗管路上需设置相应的阀门，以完成在线清洗操作。
本发明的有益效果是：在线化学清洗能够将膜污染始终控制在比较低的水平上，实现膜组件的长期稳定运行，延长膜组件的使用寿命，降低膜组件的维护费用，从而确保膜-生物反应器规模化工程应用的长期运行稳定性，并降低其运行成本。
附图说明
图1为小规模一体式膜-生物反应器实施例示意图；
图2为大中规模一体式膜-生物反应器实施例示意图；
图3为采用TMP发展速率控制清洗模式的运行结果；
图4为采用固定清洗周期清洗模式的运行结果。
具体实施方式
本发明为一种用于控制膜-生物反应器中膜污染的在线化学清洗方法。所述在线化学清洗方法是采用清洗药剂清洗并设置相应的装置。
下面结合附图对本发明予以进一步说明。
图1所示是采用TMP发展速率控制在线化学清洗模式的小规模一体式膜-生物反应器示意图。该系统由进水泵1及进水管路、生物反应器2、膜组件3、鼓风机5及曝气管路6、抽吸/加药泵7及出水管路、流量计10、清水池9、抽吸/加药7及药洗管路、药液池8以及相应的阀门11、12、13、14、控制器15和液位计17组成。进水泵1由液位计17自动控制运行，以保证生物反应器2内液位基本稳定。生物反应器2为上方开口的长方体或圆筒体形状，导流板或导流筒4将生物反应器2分成升流区和降流区两部分，膜组件3(可为有机或无机的中空纤维、板式、管式的微滤或超滤膜)置于升流区内，曝气装置6位于膜组件3的正下方。压力传感器16和18分别测量膜组件内、外压力以计算TMP。药液池8和清水池9分别用来储存在线化学清洗的药液和处理出水。通过对阀门11、12、13、14相应的切换可以使得抽吸泵与加药泵合二为一，这样可以降低投资成本。流量计10用来计量处理出水和化学清洗药液流量。
正常过滤运行时，原水经进水泵1提升后进入生物反应器2，原水中的有机物经反应器内的好氧微生物充分降解后，处理水在抽吸/加药泵7的抽吸作用下，经膜组件3过滤成为系统出水。正常运行时，阀门11、14关闭，阀门12、13开启，使得抽吸/加药泵7能够实现抽吸出水功能。抽吸/加药泵7由控制器15以一定时间间隔控制间歇运行，以减轻污染物的持续累积。
进行在线化学清洗时，首先停止进水泵1和抽吸/加药泵7，然后停止鼓风机5，接下来完成在线化学清洗所需的阀门切换：阀门11、14开启，阀门12、13关闭，使得抽吸/加药泵7能够实现反向清洗功能。根据所需药液种类及用量，在药液池8内配制好清洗所需药液，然后开启抽吸/加药泵7加药，将全部药液在60～120分钟内分几次注入膜组件(与正常过滤方向相反)内，然后静置30～60分钟。接下来重新开启鼓风机5进行曝气，10～15分钟内完成正常进水操作所需的阀门切换：阀门11、14关闭，阀门12、13开启。接着，重新开启进水泵1和抽吸/加药泵7连续运行。
图2所示是采用固定清洗周期在线化学清洗模式的大中规模一体式膜-生物反应器示意图。该系统由进水泵1及进水管路、生物反应器2、膜组件3、鼓风机5及曝气管路6、抽吸泵7及出水管路、流量计10、清水池9、加药泵22及药洗管路、药液池8、清水泵23以及相应的阀门11、12、24、电磁阀20、电磁阀21和PLC控制装置19组成。
进水泵1由PLC控制装置19自动控制运行，以保证生物反应器2内液位基本稳定。生物反应器2为上方开口的长方体或圆筒体形状，导流板或导流筒4将生物反应器2分成升流区和降流区两部分，膜组件3(可为有机或无机的中空纤维、板式、管式的微滤或超滤膜)置于升流区内，曝气装置6位于膜组件3的正下方。压力传感器16和18分别测量膜组件内、外压力以计算TMP。药液池8和清水池9分别用来储存在线化学清洗的药液和处理出水。通过PLC控制装置19对系统中进水泵1、鼓风机5、抽吸泵7、加药泵22、清水泵23、电磁阀20与21、压力传感器16与18的自动控制完成包括正常过滤运行与在线化学清洗的全部操作。三个流量计10分别用来计量化学清洗剂浓溶液流量、清洗药液稀释水流量与处理出水流量。
正常过滤运行时，原水经进水泵1提升后进入反应器2，原水中的有机物经反应器内的好氧微生物充分降解后，处理水在抽吸泵7的抽吸作用下，经膜组件3过滤成为系统出水。正常运行时，电磁阀20关闭，电磁阀21开启，使得抽吸泵7能够实现抽吸出水功能。抽吸泵7由PLC控制装置19以一定时间间隔控制间歇运行，以减轻污染物的持续累积。
进行在线化学清洗时，PLC控制装置19首先自动停止进水泵1和抽吸泵7，然后停止鼓风机5，接下来完成在线化学清洗所需的阀门切换：电磁阀21关闭，电磁阀20开启，使得加药泵22和清水泵23能够实现反向清洗功能。根据所需药液种类及用量，预先在药液池8内配制好该次清洗所需浓药液。PLC控制装置19自动开启加药泵22、同时自动开启清水泵23，将浓溶液与处理出水以一定流量比例在管道内进行混合，使混合后药液浓度达到预定值，这样将会节省药液池8的容积，并简化配置清洗药液的操作程序。全部药液在60～120分钟内分几次注入膜组件(与正常过滤方向相反)内，然后静置30～60分钟。接下来PLC控制装置19自动开启鼓风机5进行曝气，10～15分钟内完成正常进水操作阀门切换：电磁阀20关闭，电磁阀21开启。最后，自动开启进水泵1和抽吸泵7重新连续运行。
图3所示为某一体式膜-生物反应器中水回用工程采用TMP发展速率控制在线化学清洗模式的运行结果。该工程处理规模为240m3/d，采用聚乙烯中空纤维膜组件，处理对象为居民小区的洗浴污水，处理后回用于小区绿化和景观用水。在采用TMP发展速率控制在线化学清洗模式下，实现了中水回用工程的稳定运行。
图4所示为某一体式膜-生物反应器中试装置采用固定周期在线化学清洗模式的试验结果。该装置处理典型的城市污水，日处理量Qd＝17m3/d，采用聚偏氟乙烯中空纤维膜组件。在定期在线药洗(每1～2周低浓度碱洗一次，每2～3月高浓度碱洗一次)操作模式下，实现了高通量(J＝30L/m2/h)条件下的长期稳定运行。
由于碱洗(NaClO)对于有机物和微生物有很强的氧化分解溶蚀等作用，而酸洗(柠檬酸、乙二酸、盐酸)对于无机沉淀物有很好的溶解去除效应，所以在线化学清洗(碱洗和酸洗)对于清除有机物、胶体及无机物沉淀造成的污染、恢复膜过滤能力是非常有效和彻底的。
Claims (1)
1.一种用于控制膜-生物反应器膜污染的在线化学清洗方法，其特征在于：所述在线化学清洗方法是采用清洗药剂清洗：
1)清洗药剂的选择
a)碱洗
碱清洗药剂主要是次氯酸钠NaClO溶液：有效氯为50～200mg/L的低浓度或有效氯为3000～6000mg/L的高浓度；其药液用量为V＝5～20L药液/m2膜面积；
b)酸洗
酸清洗药剂可选择柠檬酸、乙二酸或盐酸溶液，pH＝1～2，药液用量为V＝5～20L药液/m2膜面积；
上述清洗首先选用碱洗，或先用碱洗后再用酸洗；
2)清洗周期的判定
a)固定清洗周期
对于大中规模的膜-生物反应器采用每1～2周低浓度碱洗一次，每2～3月高浓度碱洗一次；
b)以跨膜压差TMP速率控制清洗周期
对于小规模膜-生物反应器采用以TMPt达到起始过滤值TMP0加上5～20kPa时，作为实施清洗的标识，此时采用高浓度碱洗；该清洗模式下膜组件TMP呈现周期性的变化，在周期内TMP呈现升高趋势，但经在线化学清洗后，TMP恢复到接近初始水平；
3)在线化学清洗方法实施步骤如下：
a)按膜面积及药液种类配置清洗药液；
b)停止膜组件进出水和曝气；
c)静置5～10分钟，完成清洗操作所需的阀门切换；
d)开启加药泵，将全部药液在60～120分钟内分几次按与正常过滤相反方向注入膜组件内，然后静置30～60分钟；
e)重新开启曝气，10～15分钟内完成正常进出水操作所需的阀门切换，然后重新开启进出水连续运行。
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