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一体式平片膜生物反应器处理抗生素废水

更新时间:2008-09-17 16:02 来源: 作者: 阅读:3544 网友评论0

  相对于传统的污水处理方法,膜生物反应器(mbr)由于其诸多优势[1]而备受青睐。而与分置式膜生物反应器相比,一体式膜生物反应器又具有运行能耗低、不因循环泵的剪切对污泥絮体产生不良影响等优点。

        1 材料与方法

        1.1 试验装置与流程
     
        一体式膜生物反应器试验装置与工艺流程如图1所示,该试验装置由生物反应器、一体式膜组件、膜抽吸系统及自动控制等系统组成,其中生物反应器为活性污泥鼓风曝气反应池,有效容积为47L,反应器中间有一隔板,一侧放膜组件,组件下方设有穿孔管曝气,在供给微生物分解废水中有机物所需氧气的同时,在平片膜表面形成循环流速以减轻膜面污染。抽吸系统采用型号bt01-100兰格蠕动泵,对浸没于反应器的膜组件进行抽吸。自动控制部分采用时间控制器对抽吸泵及进水泵进行控制。一体式mbr中的处理水经蠕动泵抽吸进入净水池,净水池的水作为膜冲洗备用。

        1.2 试验用水
     
        试验用水为上海某制药厂抗生素废水,稀释后的废水基本水质情况如表1,进水经100目筛网过滤后进入反应器。

         表1 实验用水水水质

测试项目

数据

ρcodcr/mg·l-1

25004000

ρss/mg·l-1

4001000

ρnh3-n/mg·l-1

3.57.4

ph

68

        1.3 试验用膜
     
        试验用膜为平片膜,由中科院上海原子核研究所膜分离技术研究开发中心提供,膜组件自行研制,平片膜材质为pvdf(聚偏氟乙烯),截留分子量为 14万,膜有效面积为0.05m2。
   
        1.4 试验方法
   
        1.4.1 水通量的测定
     
        水通量的测定由下式得出:
    
       jθ=vθ/(a×t)        (1)

        式中:jθ—θ℃下所测定的实际膜通量;
           vθ—θ℃下在 t时间内实际过滤液体积;
           a—平片膜有效面积。

     在测定膜水通量时,为了便于比较试验的不同阶段水温所带来的差异,该试验将不同温度测得的数据换算成20℃下的通量值,换算公式为:

     j20—jθ×(ηwθ/ηw20)         (2)

     式中:j20—换算成20℃时的通量;
              ηwθ—θ℃下纯水的粘度;
              ηw20—20 ℃时纯水的粘度。

        注:下文中的通量j皆经上式转换为20℃下的通量值。
   
        1.4.2 阻力分析方法
     
        膜污染可以分为物理污染、化学污染及生物污染,对于不同的反应器形式、生物的不同生长阶段、不同的组件形式及不同的运行方式,占主导地位的污染形式不同。
     
        在本试验中,膜污染阻力可以分为三部分:一部分为膜固有的阻力(rm);一部分为泥饼阻力(rc),包括浓差极化、膜表面的吸附及沉积等形成的阻力,可以采用水冲洗。海棉擦洗等方法将其除去;另一部分为膜孔的吸附及堵塞阻力(rf),这部分阻力可以采用化学清洗等方法全部或部分去除。通过试验测定的有关通量数据,用ris(resistance一in一series)阻力模型计算出各部分阻力及其所占比例。表达式如下:
     
        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:μ0—纯水在2o℃时的粘度(μ0=1.0050×10-3pa•s);
           μ1—膜过滤液粘度。

        测定过程如下:

        ①在不同的抽吸压力下,用新膜对纯水过滤,通过公式(4)计算出膜固有阻力;

        ②用该膜对反应器混合液进行过滤,利用公式(3)可以得出运行过程中膜总阻力的瞬时值;
     
        ③一定时间后,把膜组件从反应器中取出,清水无压力清洗,并用柔软的海绵擦去膜面吸附物,然后对纯水过滤,由公式(5)得到膜孔吸附及堵塞阻力;
     
        ④由公式(6)可得膜表面的泥饼阻力。

        2 结果和讨论

        2.1 处理效果
     
        用前述工艺流程和试验方法,使用该制药厂的废水处理站的污泥接种半个月后,直接把pvdf平片膜浸没于反应器中以 4+6的周期运行(4 min抽吸6 min停抽),反应器的运行参数列于表2。

        表2 膜生物反应器运行参数

测试项目

数据

水温/℃

1520

ph

6.07.6

泥龄/d

500

水力停留时间/d

1.5

曝气量(m3·h-1

1.4


        从图2可以看出在此运行过程中反应器中mlss的质量浓度经过一段时间后基本维持在15g/l左右,出水codcr去除率为86%。可见,水中悬浮和溶解的codcr并没有在mbr中累积。但运行至1月中旬膜出水codcr与上清液codcr相比,并没有多大差别,由此可知,pvdf膜所起的作用主要是截留水中悬浮物,使mlss维持在较高浓度,从而达到高效降解水中有机物的目的。
   
        2.2 过滤过程中的阻力分析
   
        2.2.1 膜固有阻力的测定
     
        新膜粘结后,放入纯水中浸泡24 h以消除环境对膜性能的影响,调节抽吸压力,连续测定5次对应压力下的通量,取其平均值,由公式(4)可以得出,膜固有阻力rm为 1.082 × 1012m-1。
   
        2.2.2 pvdf膜放入反应器后总阻力的变化
     
        为了考察pvdf膜在尽量长时间内运行中阻力的变化,我们把膜组件在设定压力 30 kpa,ρ(mlss)为13.8 g/l,曝气量为 l.45 m3/h的条件下放入反应器中进行连续抽吸运行,由图3可知,总阻力经大约 25 min渐趋稳定,从开始 2.81×1012m-1逐渐上升至 5.29×1012m-1。也就是,膜固有的阻力从开始占总阻力的98.6%逐渐降低至52.4%。可见,尽管反应器曝气冲刷对减弱悬浮固体向膜面吸附迁移有一定作用[4],由于很高的悬浮固体浓度,导致较高的粘度(实测粘度高达6.3×10-3pa•s),膜污染随时间加剧。

   同时,我们也考察厂pvdf膜在设定周期(4min抽吸6 min停抽)下运行,其间不进行任何清洗,总阻力的变化规律如图4所示。可见,间歇运行 27 d,阻力达到 5.34 ×1012m-1。把连续抽吸的25 min内阻力变化延长至 27d,充分体现了一体式膜生物反应器中间歇运行中曝气冲刷膜面的效果。
 
        2.2.3 pvdf膜水力清洗及海绵擦洗后的阻力比较
     
        长期运行过程中,泥饼阻力是导致膜通量下降的主要因素。表3所示,在1d的连续运行过程中,泥饼阻力占总阻力的比例从开始的35.87%上升至 94.01%。新开发的 pvdf平片膜组件其优点在于能够通过简单便捷的在线海绵擦洗的方法,消除泥饼阻力,如图4,从而使水通量迅速恢复接近初始通量。

        表3 运行过程中阻力分布的分析

运行时间/h

阻力/×1012m-1

rm

rc

rf

rt

rcrt/%

1

1.082

1.01

0.72

2.81

35.87

10

12.67

0.85

14.60

86.77

24

35.21

1.16

37.45

94.01

  在一体式mbr中,泥水混合液处于循环流动状态,在运行过程中,膜表面泥饼层处于一种动态的相对稳定状态,形成膜过滤的主要阻力,并且由于膜的长期使用,形成阻力的因素也具有累积效应[5];而且,由于化学清洗价格昂贵、操作复杂且不可能完全恢复膜通量[6]。因此,海绵定期在线擦洗对于膜通量的增强非常有利。再者,从长期运行的角度来看,在线擦洗至少可以减弱各种阻力因素的累积,从而具有积极的实践意义。

  3 结论
  ①由于膜过滤对混合液悬浮固体的完全截留,尽管原水含有少量抑菌物质,出水codcr去除率仍可达86%。
     
  ②膜组件长时间运行导致膜污染,因此必须对其进行定期的清洗,而平片膜组件具有清洗高效。操作简单的优点。
     
  ③平片膜组件只需用简单的在线海绵擦洗的方法,便可以部分恢复膜通量,从而减少价格昂贵的化学清洗,具有相当的实用价值。
     
  ④膜性能指标有压力与通量两个变量,而运用ris阻力模型可以统一两者,因此,在研究膜生物反应器中膜性能时,用阻力这个指标分析是可行的。

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