相對(dui)于傳統的污水(shui)處理方法，膜生(sheng)(sheng)物(wu)反(fan)(fan)應(ying)器(MBR)由于其(qi)諸多優勢而備受青睞(lai)，而與分置式膜生(sheng)(sheng)物(wu)反(fan)(fan)應(ying)器相比，一體式膜生(sheng)(sheng)物(wu)反(fan)(fan)應(ying)器又具(ju)有運(yun)行能耗(hao)低、不因循環泵的剪(jian)切對(dui)污泥絮體產生(sheng)(sheng)不良影響(xiang)等優點(dian)。本文(wen)采用平片式膜生(sheng)(sheng)物(wu)反(fan)(fan)應(ying)器對(dui)抗生(sheng)(sheng)素(su)廢水(shui)進行了初步(bu)研究。

1材料與方法

1.1試驗裝置與流(liu)程

一(yi)體(ti)式(shi)(shi)膜生(sheng)(sheng)物(wu)反(fan)應器(qi)(qi)試驗裝置與工藝流程如圖1所示，該試驗裝置由生(sheng)(sheng)物(wu)反(fan)應器(qi)(qi)、一(yi)體(ti)式(shi)(shi)膜組(zu)件(jian)、膜抽(chou)吸系(xi)統(tong)及自(zi)(zi)動(dong)(dong)控制等(deng)系(xi)統(tong)組(zu)成(cheng)，其(qi)中生(sheng)(sheng)物(wu)反(fan)應器(qi)(qi)為(wei)活性污泥鼓風曝氣反(fan)應池(chi)，有(you)(you)(you)效容(rong)積(ji)為(wei)47L，反(fan)應器(qi)(qi)中間(jian)有(you)(you)(you)一(yi)隔板，一(yi)側放膜組(zu)件(jian)，組(zu)件(jian)下方設有(you)(you)(you)穿孔(kong)管(guan)曝氣，在供給微生(sheng)(sheng)物(wu)分解廢水中有(you)(you)(you)機(ji)物(wu)所需氧(yang)氣的(de)同時(shi)，在平片(pian)膜表面(mian)形成(cheng)循環流速以減輕膜面(mian)污染。抽(chou)吸系(xi)統(tong)采用型號BT01-100蘭格蠕(ru)動(dong)(dong)泵(beng)，對浸沒于(yu)反(fan)應器(qi)(qi)的(de)膜組(zu)件(jian)進(jin)行(xing)抽(chou)吸。自(zi)(zi)動(dong)(dong)控制部分采用時(shi)間(jian)控制器(qi)(qi)對抽(chou)吸泵(beng)及進(jin)水泵(beng)進(jin)行(xing)控制。一(yi)體(ti)式(shi)(shi)MBR中的(de)處(chu)理水經蠕(ru)動(dong)(dong)泵(beng)抽(chou)吸進(jin)入凈(jing)水池(chi)，凈(jing)水池(chi)的(de)水作(zuo)為(wei)膜沖洗備(bei)用。

1.2試驗用水

試(shi)驗用水(shui)為上海某制藥(yao)廠(chang)抗生素廢(fei)水(shui)，稀釋后(hou)(hou)的廢(fei)水(shui)基(ji)本水(shui)質情況(kuang)如表1，進水(shui)經100目篩網過濾后(hou)(hou)進入反(fan)應器。

表1實驗(yan)用水(shui)水(shui)水(shui)質

1.3試驗用(yong)膜(mo)

試(shi)驗用膜為(wei)平片(pian)膜，由中科院上海原子核研(yan)(yan)究(jiu)所膜分離技(ji)術研(yan)(yan)究(jiu)開發中心(xin)提供，膜組件(jian)自行(xing)研(yan)(yan)制，平片(pian)膜材質為(wei)PVDF(聚(ju)偏氟乙(yi)烯)，截留分子量為(wei)14萬(wan)，膜有(you)效面積(ji)為(wei)0.05m2。

1.4試驗方法(fa)

1.4.1水通量的測定(ding)

水通量的測定由下(xia)式得出：

Jθ=Vθ/(A×t)(1)

式(shi)中：Jθ—θ℃下所(suo)測定的(de)實(shi)際膜通(tong)量;

Vθ—θ℃下在t時(shi)間內實際過濾液體積(ji);

A—平(ping)片膜(mo)有效(xiao)面積。

在測(ce)定膜(mo)水通量時，為了便于比較試(shi)驗的(de)不同階段(duan)水溫所(suo)帶來的(de)差異，該(gai)試(shi)驗將(jiang)不同溫度測(ce)得(de)的(de)數據換(huan)算成20℃下(xia)的(de)通量值，換(huan)算公式為：

J20—Jθ×(ηwθ/ηw20)(2)

式中：J20—換算(suan)成20℃時的(de)通量(liang);

ηwθ—θ℃下純水的粘度(du);

ηw20—20℃時純水的粘度。

注：下文(wen)中的通量(liang)J皆(jie)經上式轉換(huan)為20℃下的通量(liang)值。

1.4.2阻力分析方(fang)法

膜污(wu)(wu)(wu)染(ran)可以(yi)分為(wei)物(wu)理(li)污(wu)(wu)(wu)染(ran)、化學污(wu)(wu)(wu)染(ran)及生(sheng)物(wu)污(wu)(wu)(wu)染(ran)，對于不(bu)(bu)(bu)同(tong)的反應器形式(shi)(shi)(shi)、生(sheng)物(wu)的不(bu)(bu)(bu)同(tong)生(sheng)長階段、不(bu)(bu)(bu)同(tong)的組(zu)件形式(shi)(shi)(shi)及不(bu)(bu)(bu)同(tong)的運行方式(shi)(shi)(shi)，占主導地位(wei)的污(wu)(wu)(wu)染(ran)形式(shi)(shi)(shi)不(bu)(bu)(bu)同(tong)。

在本試(shi)驗中，膜(mo)(mo)污染阻(zu)(zu)力(li)(li)可(ke)以分(fen)為三部(bu)(bu)(bu)分(fen)：一部(bu)(bu)(bu)分(fen)為膜(mo)(mo)固有的阻(zu)(zu)力(li)(li)(Rm);一部(bu)(bu)(bu)分(fen)為泥餅(bing)阻(zu)(zu)力(li)(li)(Rc)，包括濃差極化、膜(mo)(mo)表面的吸附及沉積等(deng)形成(cheng)的阻(zu)(zu)力(li)(li)，可(ke)以采(cai)用(yong)水沖洗。海(hai)棉(mian)擦洗等(deng)方(fang)法將其(qi)除去(qu);另一部(bu)(bu)(bu)分(fen)為膜(mo)(mo)孔(kong)的吸附及堵塞(sai)阻(zu)(zu)力(li)(li)(Rf)，這部(bu)(bu)(bu)分(fen)阻(zu)(zu)力(li)(li)可(ke)以采(cai)用(yong)化學清洗等(deng)方(fang)法全部(bu)(bu)(bu)或部(bu)(bu)(bu)分(fen)去(qu)除。通過試(shi)驗測定的有關通量數據(ju)，用(yong)RIS(resistance一in一series)阻(zu)(zu)力(li)(li)模型計算出各部(bu)(bu)(bu)分(fen)阻(zu)(zu)力(li)(li)及其(qi)所(suo)占(zhan)比(bi)例。表達式(shi)如下：

Rt=△p/(μ1·J1)=Rm+Rc+Rf (3)

Rm=△p/(μ0·J0) (4)

Rf=△p/(μ0·J0)-Rm (5)

Rc=△p/(μ1·J1)-Rm-Rf (6)

式中(zhong)：μ0—純(chun)水在2O℃時(shi)的(de)粘度(μ0=1.0050×10-3Pa·S);

μ1—膜過濾液粘度。

測定(ding)過程如下：

①在不同的抽吸(xi)壓力下，用(yong)新膜對純(chun)水過(guo)濾，通過(guo)公式(shi)(4)計算出膜固有阻力;

②用該(gai)膜對反應(ying)器混合液進行過濾，利用公式(shi)(3)可以得出運行過程中膜總(zong)阻力的(de)瞬(shun)時值;

③一定時間后，把膜組件(jian)從(cong)反應器中取出(chu)，清(qing)水(shui)無壓力清(qing)洗，并用柔軟(ruan)的(de)海綿擦(ca)去膜面吸(xi)附(fu)物，然后對純水(shui)過濾(lv)，由公(gong)式(5)得到膜孔吸(xi)附(fu)及堵塞阻力;

④由公式(6)可得膜表(biao)面的泥餅阻力。

2結果和討論

2.1處理效果(guo)

用前述工藝流(liu)程和試驗(yan)方法，使用該制藥廠的(de)(de)廢水(shui)處理站的(de)(de)污泥接(jie)種半個月后，直接(jie)把(ba)PVDF平片(pian)膜浸(jin)沒于反應(ying)器(qi)中以4+6的(de)(de)周(zhou)期(qi)運行(xing)(4min抽吸6min停抽)，反應(ying)器(qi)的(de)(de)運行(xing)參(can)數列于表2。

表(biao)2膜生物反應器運行參數

在此運(yun)行(xing)過(guo)程中(zhong)反(fan)應器中(zhong)MLSS的質量濃度經過(guo)一段(duan)時間后基本(ben)維持(chi)在15g/L左右，出水(shui)(shui)(shui)CODcr去除率為86%。可(ke)見，水(shui)(shui)(shui)中(zhong)懸(xuan)浮(fu)和溶解的CODcr并(bing)沒有(you)(you)在MBR中(zhong)累積。但運(yun)行(xing)至1月中(zhong)旬(xun)膜出水(shui)(shui)(shui)CODcr與上清液CODcr相(xiang)比，并(bing)沒有(you)(you)多大差(cha)別，由此可(ke)知，PVDF膜所(suo)起的作用主要是(shi)截(jie)留水(shui)(shui)(shui)中(zhong)懸(xuan)浮(fu)物，使(shi)MLSS維持(chi)在較(jiao)高濃度，從(cong)而達到高效(xiao)降(jiang)解水(shui)(shui)(shui)中(zhong)有(you)(you)機物的目的。

2.2過(guo)濾過(guo)程(cheng)中的阻力(li)分析(xi)

2.2.1膜固(gu)有阻力的測定

新膜粘結后，放入純水(shui)中浸泡24h以消除環境對膜性能的影響，調(diao)節(jie)抽(chou)吸(xi)壓力，連(lian)續(xu)測定5次對應壓力下的通量，取其平均值，由公(gong)式(shi)(4)可以得出，膜固(gu)有(you)阻力Rm為1.082×1012m-1。

2.2.2PVDF膜放入反應器后總(zong)阻(zu)力的變化

為(wei)了考察PVDF膜(mo)在盡(jin)量長時(shi)間(jian)內(nei)運(yun)(yun)行(xing)中阻力(li)的(de)(de)變(bian)化，我們把(ba)膜(mo)組件(jian)在設定(ding)(ding)壓力(li)30kPa，ρ(MLSS)為(wei)13.8g/L，曝(pu)(pu)氣量為(wei)l.45m3/h的(de)(de)條件(jian)下放入(ru)反應器中進行(xing)連續抽(chou)吸(xi)運(yun)(yun)行(xing)，由圖3可知，總阻力(li)經大約25min漸趨穩定(ding)(ding)，從開(kai)始(shi)2.81×1012m-1逐漸上升(sheng)至5.29×1012m-1。也就是，膜(mo)固(gu)有的(de)(de)阻力(li)從開(kai)始(shi)占總阻力(li)的(de)(de)98.6%逐漸降(jiang)低至52.4%。可見，盡(jin)管反應器曝(pu)(pu)氣沖刷對減弱懸(xuan)浮(fu)固(gu)體向膜(mo)面吸(xi)附遷移有一定(ding)(ding)作用，由于很高的(de)(de)懸(xuan)浮(fu)固(gu)體濃度，導致較(jiao)高的(de)(de)粘(zhan)度(實測(ce)粘(zhan)度高達(da)6.3×10-3Pa·S)，膜(mo)污(wu)染隨時(shi)間(jian)加(jia)劇。

同(tong)時，我們也(ye)考察(cha)廠PVDF膜(mo)在設定周期(4min抽吸6min停抽)下運行，其間(jian)不進行任何清(qing)洗，總阻(zu)力的變化規律如圖(tu)4所示。可見，間(jian)歇運行27d，阻(zu)力達到(dao)5.34×1012m-1。把連續抽吸的25min內阻(zu)力變化延長至27d，充(chong)分體現(xian)了一體式膜(mo)生物反應器中間(jian)歇運行中曝(pu)氣沖(chong)刷膜(mo)面的效果。

2.2.3PVDF膜水力清洗及海綿擦洗后的阻力比較

長期運(yun)行過程中(zhong)(zhong)，泥(ni)餅阻(zu)(zu)力(li)是導致膜通量(liang)下降的(de)主要因素(su)。表3所示，在1d的(de)連(lian)續運(yun)行過程中(zhong)(zhong)，泥(ni)餅阻(zu)(zu)力(li)占總阻(zu)(zu)力(li)的(de)比例從開始(shi)(shi)的(de)35.87%上升(sheng)至94.01%。新開發(fa)的(de)PVDF平片膜組件(jian)其優(you)點在于能夠(gou)通過簡(jian)單便捷的(de)在線(xian)海(hai)綿擦洗的(de)方法，消除泥(ni)餅阻(zu)(zu)力(li)，從而使水通量(liang)迅速恢(hui)復接(jie)近初(chu)始(shi)(shi)通量(liang)。

表(biao)3運行過程(cheng)中阻力(li)分(fen)布的分(fen)析

在一體式MBR中，泥水(shui)混合液(ye)處(chu)于(yu)(yu)循環流(liu)動狀(zhuang)態(tai)，在運行(xing)過(guo)程中，膜(mo)表面泥餅層處(chu)于(yu)(yu)一種動態(tai)的(de)相對(dui)穩定狀(zhuang)態(tai)，形(xing)成膜(mo)過(guo)濾的(de)主要阻力，并且由于(yu)(yu)膜(mo)的(de)長(chang)期使(shi)用，形(xing)成阻力的(de)因(yin)(yin)素也具(ju)有累積(ji)效(xiao)應(ying);而且，由于(yu)(yu)化學(xue)清洗價格昂貴、操作復(fu)雜且不可能完全恢復(fu)膜(mo)通(tong)量。因(yin)(yin)此，海(hai)綿定期在線擦(ca)洗對(dui)于(yu)(yu)膜(mo)通(tong)量的(de)增強非(fei)常有利。再者(zhe)，從(cong)長(chang)期運行(xing)的(de)角度來(lai)看(kan)，在線擦(ca)洗至少可以減弱各種阻力因(yin)(yin)素的(de)累積(ji)，從(cong)而具(ju)有積(ji)極的(de)實踐意義(yi)。

3結論

①由于膜過濾對混合液懸浮(fu)固體的完全截留，盡管原水含有少量抑菌(jun)物質，出水CODCr去除(chu)率仍可達86%。

②膜(mo)組(zu)件(jian)長時間運行導致膜(mo)污(wu)染(ran)，因此必須對其進(jin)行定期(qi)的清洗，而(er)平片膜(mo)組(zu)件(jian)具有清洗高效。操作簡單的優點。

③平片膜(mo)組(zu)件(jian)只需用簡單的在線海綿(mian)擦洗的方法，便可以部(bu)分恢復膜(mo)通量(liang)，從(cong)而減少價(jia)格昂貴的化學清洗，具有(you)相當的實用價(jia)值。

④膜(mo)性能指標(biao)有壓力與通量兩個(ge)變量，而運用RIS阻力模型可(ke)以統一兩者，因(yin)此，在研究膜(mo)生物反(fan)應器中膜(mo)性能時，用阻力這個(ge)指標(biao)分析是可(ke)行的。

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