浸沒(méi)式MBR工藝在工程化應(yīng)用中膜污染的三階段特征研究

程 磊 ,陳文清

(1.成都印鈔公司,成都 611130;2.川大——日立環(huán)境應(yīng)用技術(shù)研究中心,成都 610065)

1 引 言

MBR工藝的工程化應(yīng)用中,膜污染直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性,是工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制的重要因素[1]。本文以國(guó)內(nèi)某印鈔造紙企業(yè)MBR再生水工程為研究對(duì)象,結(jié)合膜污染理論,分析不同階段跨膜壓差變化特征,提出膜污染運(yùn)行控制措施,并實(shí)現(xiàn)膜系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2 工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行概況

2.1 設(shè)計(jì)處理流程

本研究課題來(lái)源于國(guó)內(nèi)某印鈔造紙綜合企業(yè)MBR再生水工程,設(shè)計(jì)規(guī)模為 10000噸/日,采用浸沒(méi)式MBR工藝,選用日本Mitsubishi Rayon公司中空纖維膜,膜孔徑為 0.4μm,過(guò)濾層材質(zhì)為PVDF,膜總面積 16000m2。工程設(shè)計(jì)MBR工藝池2個(gè),單池處理能力 5000噸/天,基本布局如圖 1所示,通過(guò)U型隔墻將池體分為缺氧區(qū)、好氧區(qū)和膜區(qū)。每個(gè)工藝池設(shè)計(jì) 2個(gè)抽吸系列,每系列并聯(lián)設(shè)計(jì)運(yùn)行 6個(gè)膜箱。

2.2 運(yùn)行概況

圖1 MBR池基本工藝布局圖Fig.1 The layout of the membrane bioreactor systems

MBR工藝池進(jìn)水為印鈔造紙綜合廢水經(jīng)絮凝沉淀后的出水,主要參數(shù)為CODCr：150～200mg/L; BOD5：50～60mg/L;SS：60～80mg/L;氨氮：3～5mg/L;總磷：0.5～1mg/L;水質(zhì)特征參數(shù)為鈦白粉 (TiO2)：5～10mg/L;Ca2+：100～120mg/L; Mg2+：50～60mg/L。工程出水指標(biāo)為 CODCr：20～40mg/L;BOD5：10～20 mg/L;SS＜1mg/L。

研究中固定選取 A抽吸系列中某一膜箱,在次臨界通量條件下采取恒流抽吸運(yùn)行方式,配備精密流量計(jì)和壓力真空表。系統(tǒng)運(yùn)行條件如下表所示,保持污泥濃度、開停比和氣水比等參數(shù)的穩(wěn)定性[2]。運(yùn)行中采集跨膜壓差數(shù)據(jù)時(shí),將MBR池內(nèi)水位調(diào)至溢流管口位置,消除水位變化因素對(duì)壓力真空表讀數(shù)的影響。

表 MBR系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Tab. Operation parameters ofMBR system

3 膜污染的三階段特征及理論分析

3.1 膜污染的三階段特征

運(yùn)行研究中采用壓力真空表測(cè)定系統(tǒng)跨膜壓差(T MP)值,并直接反映膜的污染程度。MBR系統(tǒng)在歷時(shí) 8個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行中,試驗(yàn)?zāi)は涞目缒翰钤诔跗?、中?(穩(wěn)定期)和后期三個(gè)階段有不同表現(xiàn)。

3.1.1 新膜初期運(yùn)行

膜片裝箱后,經(jīng)清水曝氣清洗,直接吊裝入培養(yǎng)成熟的活性污泥混合液中運(yùn)行,每個(gè)抽吸 -停止周期為 12min。新膜運(yùn)行初期跨膜壓差增加明顯,第 1個(gè)抽吸周期跨膜壓差為 20 kPa左右,運(yùn)行至第 8個(gè)周期達(dá)到 25kPa,之后趨于穩(wěn)定。如圖 2所示,其中第 8個(gè)周期與第 1個(gè)周期相比,跨膜壓差整體上升 25%左右。壓差平均上升速率 (△p/△t)約為 0.04kPa/min(2.4kPa/h)。此變化規(guī)律與超濾新膜運(yùn)行早期 12h內(nèi),滲透通量出現(xiàn)足夠大的不可逆下降過(guò)程類似[3]。

3.1.2 膜系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期

圖2 新膜運(yùn)行初期跨膜壓差變化 (第一階段)Fig.2 Variation of T MP during initial period(1ststage)

新膜初始運(yùn)行穩(wěn)定后,系統(tǒng)跨膜壓差保持在25kPa左右。由于每日內(nèi)各抽吸周期跨膜壓差變化值不大,因此每天定時(shí)讀取數(shù)據(jù) 1次,并以周為單位對(duì)膜系統(tǒng)進(jìn)行清洗研究。圖 3為連續(xù) 12周跨膜壓差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),其中每周數(shù)據(jù)中,周末比周初跨膜壓差增加 3～4kPa,△p/△t約為 0.024kPa/h,此變化值與國(guó)內(nèi)學(xué)者黃圣散等[4]對(duì)次臨界通量下膜污染的研究結(jié)果類似。與新膜初始運(yùn)行相比,跨膜壓差平均上升速率僅為其 1/100左右。每周運(yùn)行末期用 0.5%次氯酸鈉液和 2%的檸檬酸液進(jìn)行反向通液清洗后,膜系統(tǒng)跨膜壓差基本能恢復(fù)前一周狀況,因此可以推測(cè)每周內(nèi)膜污染絕對(duì)增量不大。圖3中各周數(shù)據(jù)連續(xù)統(tǒng)計(jì)中,系統(tǒng)整體跨膜壓差呈現(xiàn)緩慢上升規(guī)律,第 12周與第 1周比較,初始?jí)翰钌仙?5.5 kPa左右,末期壓差上升 6.5 kPa左右,壓差平均增加值約 6kPa,該變化值直接反應(yīng)出膜的絕對(duì)污染程度。

圖3中的第 3周,膜系統(tǒng)經(jīng)反向通液清洗后,跨膜壓差降低值不大,分析原因?yàn)榉聪蛲ㄒ呵逑催^(guò)程中未采取停止膜系統(tǒng)曝氣的措施,自膜內(nèi)滲出到膜面的藥液很快稀釋到池內(nèi)混合液中,不能在膜表面形成藥液膜,導(dǎo)致清洗效果不佳。自第 4周起,在反向通液清洗中停止膜系統(tǒng)的曝氣,使藥液自膜絲內(nèi)腔滲出至膜面后,能夠在其表面保持一定時(shí)間藥液膜,膜面清洗效果較充分,系統(tǒng)跨膜壓差降低明顯。

圖3 穩(wěn)定運(yùn)行期的跨膜壓差變化 (第二階段)Fig.3 Variation of T MP during the steady operation period(2ndstage)

3.1.3 膜系統(tǒng)運(yùn)行后期

經(jīng)連續(xù) 8個(gè)月 (35周)的穩(wěn)定運(yùn)行后,系統(tǒng)跨膜壓差達(dá)到 40kPa的上限值。繼續(xù)運(yùn)行的 1周時(shí)間內(nèi),如圖 4所示,跨膜壓差呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)的變化特征,其差值迅速?gòu)?40kPa上升至 65kPa,△p/△t均值約為 0.15kPa/h,此變化規(guī)律與國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)次臨界通量下的膜過(guò)濾后期跨膜壓差劇烈變化過(guò)程相仿[5]。每周末期的反向通液清洗后,對(duì)跨膜壓差的降低不明顯,系統(tǒng)進(jìn)入非穩(wěn)定運(yùn)行階段。

圖4 運(yùn)行后期的跨膜壓差變化 (第三階段)Fig.4 Variation of T MP during the later period(3rdstage)

3.2 膜污染的理論分析

整個(gè)研究過(guò)程中,MBR系統(tǒng)跨膜壓差 (T MP)表現(xiàn)為初期短暫升高、穩(wěn)定期緩慢上升和后期急劇升高的三階段變化特征,與國(guó)外學(xué)者 Pierre等[6]報(bào)道的規(guī)律類似。筆者試圖根據(jù)不同的機(jī)理對(duì)膜污染進(jìn)行階段性劃分。

第一階段為膜污染形成期。此階段在新膜進(jìn)入活性污泥混合液后,有一個(gè)短暫的膜本體與活性污泥系統(tǒng)融合過(guò)程[7,8],主要為腐殖質(zhì)、聚糖酯與微生物的代謝產(chǎn)物 (S MP)等大分子物質(zhì)在膜面上吸附,形成一層具備微生物生存條件的生物膜。國(guó)內(nèi)學(xué)者李春杰等[9]對(duì)膜的過(guò)濾定律研究也證明：膜過(guò)濾最初幾分鐘內(nèi),其過(guò)濾阻力主要來(lái)源于沉積阻力,堵塞阻力的影響可忽略。另有學(xué)者的研究也表明[10,11]：膜表面電荷與混合液中帶電膠體顆粒、雜質(zhì)等存在著吸附或排斥的作用,其中主體料液中粒子在膜面沉積速度越快,膜通量衰減得也越快。

第二階段為膜污染的穩(wěn)定發(fā)展期。主要機(jī)理為S MP和胞外聚合物 (EPS)的作用,即膜表面肽類、多糖類、蛋白質(zhì)類、核酸、腐殖質(zhì)等粘性物質(zhì)的量增加和無(wú)機(jī)鹽類的沉積,導(dǎo)致膜表面凝膠層及泥餅層的形成及發(fā)展。此階段中,膜污染層經(jīng)初期構(gòu)建后,處于一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,進(jìn)入緩慢積累時(shí)期,系統(tǒng)跨膜壓差呈現(xiàn)緩慢上升的態(tài)勢(shì)。

第三階段為膜污染層的水力變化期,此期間跨膜壓差上升過(guò)程較為迅速。筆者認(rèn)為屬于膜污染層的短期水力結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的結(jié)果,該過(guò)程可分為前期和后期,前期變化率相對(duì)較小,主要為抽吸壓差超過(guò)臨界跨膜壓差后,膜局部通量平衡被破壞,膜孔的吸附和堵塞加劇,膜面水力阻力不斷增大。后期跨膜壓差變化率大,主要為壓差升至極限值后,膜表面濾餅層被迅速壓密,滲透系數(shù)急劇下降,導(dǎo)致跨膜壓差快速上升。類似現(xiàn)象國(guó)內(nèi)學(xué)者黃霞[12]、賈輝[13]等人在研究膜在不同階段特征時(shí)也有報(bào)道。

截取MBR系統(tǒng)在第一階段后期、第二階段中期 (穩(wěn)定發(fā)展期)和第三階段 (水力變化期)后期的膜絲相近位置樣本,作徑向斷面的 SEM觀察。如圖 5所示,(a)圖、(b)圖和 (c)圖的左側(cè)均為膜絲表層斷面,右側(cè)為內(nèi)腔斷面。各階段的 SEM圖中,膜絲內(nèi)腔支撐層孔隙結(jié)構(gòu)完整,膜污染物質(zhì)均集中在表層。通過(guò)對(duì)比觀察,第一階段后期的 (a)圖中,膜絲表皮層結(jié)構(gòu)清晰,并附著有零星沉積顆粒物,過(guò)濾層結(jié)構(gòu)完整單一;穩(wěn)定運(yùn)行期的圖 (b)中,膜絲表面濾餅層結(jié)構(gòu)疏松,水力條件好;而水力變化期后期的圖(c)中,膜絲表面濾餅層被明顯的壓密,水力條件變差,由此產(chǎn)生災(zāi)難性膜污染現(xiàn)象。

圖5 第一階段 (a)、第二階段 (b)及第三階段 (c)膜絲橫斷面 SEM觀察 (400X)Fig.5 400-times SEM of the cross-section observation ofmembrane in the 1ststage(a),2ndstage(b)and 3rdstage(c)

4 運(yùn)行維護(hù)控制

根據(jù)膜污染的三階段特征及理論分析,膜系統(tǒng)短期可逆污染可通過(guò)定期在線清洗消除,在長(zhǎng)期運(yùn)行中,膜的絕對(duì)污染只能通過(guò)體外拆片浸泡清洗去除,將系統(tǒng)抽吸壓差控制在臨界跨膜壓差范圍內(nèi),可有效避免災(zāi)難性膜污染現(xiàn)象發(fā)生。本工程運(yùn)行控制中,通過(guò)調(diào)試確定出MBR系統(tǒng)臨界跨膜壓差(40kPa),結(jié)合新膜初期運(yùn)行穩(wěn)定后的跨膜壓差(25kPa),將其差值 (15kPa)作為整個(gè)膜系統(tǒng)周期性跨膜壓差升高值 (△T MP)的控制點(diǎn),在系統(tǒng)跨膜壓差整體升高 15kPa時(shí)停止運(yùn)行,對(duì)膜箱進(jìn)行體外拆片浸泡清洗,清洗步驟為：首先將膜箱吊出反應(yīng)池,拆片后用人工清理膜絲間的纏繞物,再用低壓高速水沖刷掉膜表面的積泥,放入質(zhì)量濃度為 0.5%次氯酸鈉溶液中浸泡 2h,最后用 2%檸檬酸液浸泡 2h,重新將膜片裝箱入池。根據(jù)此維護(hù)方法,工程在連續(xù)運(yùn)行的 2年時(shí)間內(nèi),膜系統(tǒng)共進(jìn)行 3次體外拆片清洗,每次清洗投運(yùn)后,膜通量均恢復(fù)到原來(lái)的 95%以上,系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行通量衰減不明顯,保證了MBR工藝的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論及建議

5.1 MBR系統(tǒng)跨膜壓差特點(diǎn)

在長(zhǎng)期運(yùn)行的工程化MBR系統(tǒng)中,跨膜壓差表現(xiàn)為初期短暫升高、穩(wěn)定期緩慢上升和后期急劇升高的三階段變化特征,膜系統(tǒng)在不同運(yùn)行階段的適用于不同的膜污染理論。

5.2 MBR系統(tǒng)的運(yùn)行建議

工程化MBR系統(tǒng)運(yùn)行初期保持成熟的活性污泥狀況,并采取低通量運(yùn)行方式,可減少不可逆污染發(fā)生;膜系統(tǒng)在水力變化期的運(yùn)行極不經(jīng)濟(jì),應(yīng)避免此階段的運(yùn)行。

5.3 MBR系統(tǒng)的維護(hù)建議

在長(zhǎng)期運(yùn)行的MBR系統(tǒng)中,采取定期在線清洗與體外拆片清洗方式,可有效的恢復(fù)膜系統(tǒng)性能;將周期性的跨膜壓差增加值 (△T MP)作為膜污染程度的反饋點(diǎn)準(zhǔn)確可靠,具有較強(qiáng)的工程適用性。

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