平板陶瓷膜生物反應(yīng)器反沖洗方法研究
技術(shù)支持
隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)廢水的排放量與日俱增。高效低耗的有機廢水的處理技術(shù)成為了非常重要的研究課題。膜生物反應(yīng)器（MBR）是一項將生物處理過程與膜分離過程有機結(jié)合在一起的一種水處理技術(shù)，比傳統(tǒng)生物處理技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢，已經(jīng)在廢水處理領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。該工藝與傳統(tǒng)工藝相比，具有出水水質(zhì)好、出水可直接回用、設(shè)備占地面積小、活性污泥濃度高、剩余污泥產(chǎn)量低和便于自動控制等優(yōu)點。但是其廣泛應(yīng)用存在兩個主要問題：運行能耗高和膜污染，而膜污染卻會導(dǎo)致運行能耗的增加。因此減緩膜污染成為這個領(lǐng)域研究的一個重點問題。
目前，MBR系統(tǒng)主要采用的大多數(shù)污水處理企業(yè)通過定期用水反沖洗的方式減緩膜污染，延長其化學(xué)清洗周期，提高系統(tǒng)的污水處理效率。盡管完全用水反沖洗操作簡單方便，但是這種方法的耗水量過大，且存在水資源浪費的問題。研究表明用氣反沖洗過程中產(chǎn)水的氣泡高速浮升產(chǎn)水的泡振作用和氣泡尾跡的混摻作用及氣泡在浮升過程中出現(xiàn)的尾跡效應(yīng)有助于提高反沖洗的效果?；谶@些情況，提出新型的氣水聯(lián)合反沖洗和全氣反沖洗的方式，以解決反沖洗耗水量過大的問題。氣水聯(lián)合反沖洗為先用水反沖洗一定的時間再接著用氣反沖洗，全氣反沖洗為完全用氣代替水進(jìn)行反沖洗。
1 試驗裝置與方法
1.1 試驗裝置
為了提高MBR系統(tǒng)的處理效果，延長膜的使用壽命，減低耗水量。本研究在已有的專利基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的平板膜MBR進(jìn)行了優(yōu)化，將平板膜改為陶瓷平板膜，反沖洗系統(tǒng)改為水洗、氣水反洗、氣洗三種。
實驗采用改進(jìn)型MBR系統(tǒng)。膜池為矩形水槽，尺寸為L*W*H=700*350*700mm，其中共安置6片陶瓷平板膜，單個膜片面積均為0.25㎡，兩片膜為一組，共分三組。第一組為全水反沖洗，簡稱為全水組；第二組為全氣反沖洗，簡稱為全氣組；第三組為氣水聯(lián)合反沖洗，簡稱為水氣組。實驗中所用的進(jìn)/出水管和曝氣管皆為硅膠透明軟管，后簡稱為氣水管。氣水管包括氣水總管和氣水支管，總管與支管采取枝狀布置。支管數(shù)量與膜組件的分組數(shù)量一致，并通過三通在膜組件的上方與其相連接。氣水總管一端與上述三支支管相連，另一端通過支管分別連上空氣壓縮機、抽吸泵A和抽吸泵B，以實現(xiàn)出水和對膜片進(jìn)行反沖洗。在每根支管上安裝一個電磁閥，控制管路的開關(guān)，通過電磁閥的配合使用，可以使水泵和氣泵單獨作用于一組膜，節(jié)約設(shè)備成本。此外，在組件自帶的曝氣管上連接鼓風(fēng)機，對污水曝氣，給好氧微生物提供氧氣。真空壓力表置于膜組件與抽吸泵之間，以此監(jiān)控跨膜壓差（TMP）。
1.2 試驗方法
試驗用水采用藥劑調(diào)節(jié)河水模擬受污染的河道水，未經(jīng)處理的水質(zhì)的指標(biāo)為pH為7.5～8.5，COD為200～250mg/L，氨氮為4～7mg/L，總磷為2～4mg/L，濁度為4～5NTU。通過對比不同反沖洗方式下膜片的污染情況及出水水質(zhì)，探究一種較佳反沖洗方式并得到其較佳運行參數(shù)。
試驗中表征膜污染的指標(biāo)為膜通量和跨膜壓差，表征處理效果的指標(biāo)為濁度和氨氮濃度。膜通量由單位時間出水量計算得到，跨膜壓差由真空表讀數(shù)得到，TDS用便攜式TDS筆測得，濁度用便攜式濁度儀測得，氨氮濃度用納氏試劑分光光度法測得。
2 試驗結(jié)果分析
本試驗裝置運行參數(shù)如下：MBR氣水比20：1，進(jìn)水pH為7.5～8.5，溫度保持20～25℃，陶瓷膜單片膜面積為0.25㎡，穩(wěn)態(tài)膜通量為60L/（㎡·h），改進(jìn)型MBR曝氣周期為12h，在該條件下運行，利用膜通量和跨膜壓差的變化趨勢來探究不同反沖洗方式對膜污染的改善情況。
2.1 膜污染情況研究
2.1.1 膜通量變化情況分析
反沖洗時間分別采用20s、30s和40s，反沖洗時間為20s時，全水組、水氣組和全氣組平均膜通量分別為50.7、51.5和48.0L/（㎡·h）；反沖洗時間為30s時，全水組、水氣組和全氣組平均膜通量分別為60.3、58.2和56.9L/（㎡·h）；反沖洗時間為40s時，全水組、水氣組和全氣組平均膜通量分別為55.5、54.5和51.1L/（㎡·h）。對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)反沖洗時間30s對于膜通量的穩(wěn)定有較好的效果，其次是40s反沖洗時間，再者是20s反沖洗時間。
另外，不同反沖洗方式對平均膜通量的影響表現(xiàn)為：反沖洗時間為20s時，采用水氣組優(yōu)于全水組和全氣組，水氣組對應(yīng)平均膜通量較全水組、全氣組分別高1.58%、7.3%；反沖洗時間為30s和40s時，采用全水組優(yōu)于水氣組和全氣組，其中反洗時間為30s時，全水組對應(yīng)平均膜通量較水氣組、全氣組分別高3.6%、6.0%，其中反洗時間為40s時，全水組對應(yīng)平均膜通量較水氣組、全氣組分別高1.8%、8.6%；全氣組對應(yīng)的膜通量均處于較低的狀態(tài)。
反洗時間為30s時，三種反洗方式的MBR膜通量均值較高，故暫優(yōu)先考慮反洗時間為30s。由于反洗時間40s時，水氣組與全水組對應(yīng)膜通量接近，考慮到全水組耗水量較大，且水氣組平均膜通量與全水組差距較小，故反洗時間40s也納入考慮范圍。
2.1.2 跨膜壓差情況分析
跨膜壓差=真空表讀書（取正）+（生化池液面高度-抽吸泵進(jìn)水口高度）。
跨膜壓差定義為驅(qū)動水透過膜所需的壓力，為進(jìn)水壓力和過濾壓力的差值。孔徑較小的膜所需的跨膜壓差也較大，在水溫較低，通量較高以及發(fā)生污染時，跨膜壓差也較高。
反沖洗時間為20s、30s和40s，全水組、水氣組和全氣組平均跨膜壓差分別為0.0359、0.0364和0.0367MPa；反沖洗時間為30s時，全水組、水氣組和全氣組平均跨膜壓差分別為0.0386、0.0358和0.0379MPa；反沖洗時間為40s時，全水組、水氣組和全氣組平均跨膜壓差分別為0.0443、0.0444和0.0449MPa。
反沖洗時間為20s時，全水組跨膜壓差率先在36h出現(xiàn)下降趨勢，隨后上升，于180h時同水氣組和全氣組同時下降，跨膜壓差整體來看波動幅度大、變化不穩(wěn)定，故同樣不考慮此反洗時間。
反沖洗時間為30s時，三種反沖洗方式都在裝置運行開始階段就出現(xiàn)下降，檢查管道密閉性后，壓差出現(xiàn)回升。后期水氣組跨膜壓差較為穩(wěn)定并于144h時回到初始壓差值，全水組跨膜壓差于144h回升后又在180h處下降，于216h時回到初始壓差值。對比而言，水氣組恢復(fù)較快，且恢復(fù)后很長一段時間內(nèi)跨膜壓差保持穩(wěn)定。
反沖洗時間為40s時，三種反沖洗方式對應(yīng)的跨膜壓差整體均較穩(wěn)定。全水組運行72h后較早出現(xiàn)下降趨勢，隨后于144h處回升至穩(wěn)定值。水氣組跨膜壓差初始值偏低，但隨后即穩(wěn)定在0.045MPa左右，在運行144h時有小趨勢下降并于216h時恢復(fù)至穩(wěn)定值。全氣組在108h時有小趨勢的下降并于216h時恢復(fù)初始值。對比發(fā)現(xiàn)，此反沖洗時間裝置運行過程中，水氣組跨膜壓差較晚出現(xiàn)下降趨勢，同時在極短時間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定值。
結(jié)合對膜通量變化的分析，綜合考慮，反洗時間采用40s，反沖洗方式為氣水聯(lián)合反沖洗較為合適。
2.2 出水水質(zhì)情況研究
改進(jìn)型MBR運行中反沖洗時間為40s，反沖洗方式為氣水聯(lián)合反沖洗：傳統(tǒng)MBR運行中反沖洗時間為30s，反沖洗方式為全水反沖洗。
本試驗進(jìn)水采用的是河水進(jìn)行配制的實驗用水，且在48h與336h處進(jìn)行加試劑調(diào)整水質(zhì)。上述兩種反洗方式的出水水質(zhì)各項指標(biāo)數(shù)值幾乎一致，可見本試驗裝置的改進(jìn)對出水影響不大。其中，出水濁度穩(wěn)定后數(shù)值保持在0.3～0.5NTU，兩次投加試劑后氨氮的去除率分別為92.5%和62.2%，整體而言，本試驗裝置處理效果較為穩(wěn)定。
3 裝置運行能耗情況
改進(jìn)型MBR設(shè)備主要的能耗為電耗和反沖洗用水，包括水泵和氣泵。以下對設(shè)備的電耗和反沖洗用水量進(jìn)行分析，對比該改進(jìn)型MBR設(shè)備和傳統(tǒng)MBR設(shè)備產(chǎn)生的能耗。
（1）改進(jìn)MBR設(shè)備運行參數(shù)為膜面積0.25㎡，膜通量60L/（㎡·h），MBR氣水比20：1，抽停比10min：2min，反洗周期12min，反洗時間30s。實際產(chǎn)水量為0.69m3/d，其噸水耗電量為1.19kW·h，日反沖洗耗水量為0.240L/d。
（2）傳統(tǒng)MBR設(shè)備運行參數(shù)為膜面積0.25㎡，膜通量60L/（㎡·h），MBR氣水比20：1，抽停比10min：2min，反洗周期12min，反洗時間30s。實際產(chǎn)水量為0.684m3/d，其噸水耗電量為1.20kW·h，日反沖洗耗水量為0.475L/d。
4 結(jié)論
（1）對比全水反沖洗、全氣反沖洗、氣水聯(lián)合反沖洗三種方式，全水反沖洗的耗水量為0.475L/d，氣水聯(lián)合反沖洗的耗水量為0.240L/d，而全氣反沖洗的耗水量盡管為0，但是其對應(yīng)的膜通量較氣水聯(lián)合反沖洗低7%左右。氣水聯(lián)合反沖洗是耗水較少、處理效果良好的反沖洗方式。
（2）反沖洗時間選用20s、30s、40s三種情況，考量膜通量和跨膜壓差的變化情況，當(dāng)反沖洗時間為40s時，氣水聯(lián)合反沖洗對膜污染的緩解效果較好，成功延長了膜的使用周期。
