立式缺氧好氧膜生物反应器延缓膜污染的中试试验研究

摘要

随着全球化水危机的出现，污水的处理和回用显得举足轻重，尤其是城市污水分散式处理回用技术的发展，为解决水资源日益短缺的难题提供了有效途径。其中，膜生物反应器(MBR)技术因其自身的优势特点，逐渐大规模应用于污水分散式处理领域。本论文课题来源于西部建筑科技国家重点实验室(筹)开放研究基金项目--分散聚居区污水处理及资源化技术研究(No.08KF08)，重点探讨基于膜生物反应器的污水处理及减缓膜污染的试验研究。
　　 通过阅读相关中外文献发现，膜材料的改进、改变污泥混合液的性质、优化运行操作条件等方式都可以减缓膜污染。近年来对改变曝气强度和投加填料来减缓膜污染的研究越来越多。但通过改变曝气方式进而影响曝气强度并在反应器内形成气升式循环气流来减缓膜污染的研究却很少；而向反应器内投加悬浮填料可以改变混合液的性质，但通过投加悬浮填料对膜污染的形成过程进行理论分析也并不多见。因此，本论文旨在为膜生物反应器延缓膜组件污染提供理论依据，并实现操作条件的优化，降低运行费用，达到系统稳定运行和经济合理的双赢。
　　 本论文将MBR技术与传统缺氧/好氧(A/O)工艺相结合，建立了立式缺氧/好氧膜生物反应器(A/O-MBR)污水处理系统，利用该系统对校园生活污水进行处理。研究内容包括：第一阶段，对反应器装置的曝气方式改变后，探讨各操作条件对反应器循环流速的影响，运用非牛顿流体的三种模型(Bingham模型、Ostwald模型、Herschel-Bulkley模型)与剪切强度建立函数关系来分析剪切强度对膜污染的影响情况，得出最佳剪切强度，并在此条件下考查MBR处理效果与运行稳定性的受影响情况，对试验用膜进行了SEM图像分析及清洗。第二阶段：将试验分为八个不同工况，考察投加悬浮填料和不投加悬浮填料时跨膜压差(TMP)的变化情况，选取两个不同工况(MLSS=5000mg/L，投加填料量分别为1％和10％)，对膜污染进行定量分析，得出最优Vc/Vt值，并考察了在最优填料投加量的情况下反应器的出水水质。
　　 反应器由原来的传统曝气方式改变为膜片两侧增加两块挡板，曝气头分布在挡板之间，且比挡板的最底端高5cm，这样在曝气的作用下，反应器曝气面积就被分为气体上升区和气体下降区，两个区域的不同的气含率造成不同的静水压力，进而产生了一个循环流速；根据非牛顿流体力学的三种数学模型：确定了剪切强度和曝气量之间的函数关系，当剪切强度G分别为20s-1、40s-1、60s-1、80s-1时，综合考虑各方面因素后，确定G=60s-1为最佳剪切强度；根据SEM图片，膜表面粘附的污染层上分布着大小不一的斑点，但污染物积累并不是很明显，说明曝气方式的改变对减缓膜污染从表观上看有积极意义。
　　 在不投加悬浮填料和投加悬浮填料(5％)时，膜生物反应器临界通量值的变化范围分别为19.5-27.8L/m2·h和18.3-25.6L/m2·h。膜的临界通量区减小了，其原因可能与污泥粒径有关；向膜生物反应器中投加5％悬浮填料时，TMP表现出一个急剧的上升趋势，和没有投加悬浮填料时的情形类似；试验所用悬浮填料比重比水小，因此在曝气状况下可以很容易循环流动，这种循环流通的填料可以对膜表面产生一个冲刷效应，阻止污泥颗粒的沉积；另一方面，它可以与污泥絮体发生碰撞，如果二者之间的相互作用力太大，污泥絮体就有可能被破坏；在MLSS浓度为8g/L，投加填料量分别为1％、5％和10％时，TMP由于悬浮填料的投加量增大而出现上升趋势减缓的现象，表明悬浮填料对膜污染控制的积极作用；但当悬浮填料的投加量增多时，投加悬浮填料比未投加时TMP上升速度更快，表明悬浮填料对膜污染控制的消极作用；在给定的MLSS浓度下，泥饼层质量和悬浮填料的投加量之间的关系：△M1近似以vc/vt的幂函数而增加，而△M2近似以vc/vt的指数函数而减小，当vc/vt=pb时，△M是最大的，表明膜污染控制效率最高；当vc/vt=pmax，△M为0，说明冲刷膜表面的积极作用和破坏污泥絮体的消极作用平衡。根据试验分组和理论分析，在MLSS=5g/L时，确定pb≈7％。