一种中低压在线控制膜生物反应器中膜污染的方法

摘要

本发明涉及一种中低压在线控制膜生物反应器中膜污染的方法，属于废水处理技术领域。一种中低压在线控制膜生物反应器中膜污染的方法，包括水动力学控制和在线化学清洗；所述的在线化学清洗进行条件为跨膜压差(TMP)净增为1.0～1.5mH

说明书

技术领域

本发明涉及一种中低压在线控制控制膜生物反应器中膜污染的方法，属于废水处理技术领域。

背景技术

膜生物反应器(MBR)集活性污泥的生物降解和膜的高效分离于一体，是污水生物处理技术与膜技术有机结合产生的废水处理新工艺。由于具有出水水质优异、操作运行简单、污泥产量低、占地面积小等优点。自从20世纪60年代的美国开发以来，MBR技术受到国内外水处理专家学者的高度重视，研究内容不断深入，应用范围不断扩大，MBR技术已应用日本、美国、德国、法国和加拿大等多个国家和地区，处理规模从10m³/d到100000m³/d，处理废水从生活污水处理延伸到工业废水、食品工业废水、水产加工废水、养殖废水、化妆品生产废水、填埋场渗滤液、染料废水、石油化工废水处理等领域。MBR技术在我国的研究起源于20世纪90年代，通过10余年的试验研究和工程实践经验，取得丰硕的研究成果，目前该技术正逐步从实验室研究过渡到实际的工程应用。MBR技术是作为近年来国家科技部“863”和“九五”重点攻关和推广的21世纪水处理新技术之一，开展MBR相关实验研究的高校有数十家。天津清华德人环保有限公司在膜生物反应器工程化应用方面成绩突出，已成果设计和运行实际中水回用工程达数10家。

昂贵的膜组件和因膜污染问题导致膜的使用寿命短限制了膜生物反应器从实验室向工业领域的推广应用。随着膜材料科学技术的发展，膜材料和膜组件的费用在逐渐降低。而膜污染导致膜的使用寿命短仍是膜生物反应器推广应用的主要障碍。

目前运行中的MBR污水处理工程的膜污染清洗方法有空曝气、水力反冲洗、在线药洗、离线化学清洗几种。空曝气控制膜污染就是当膜污染发展到一定程度后，停止运行，加大曝气强度，冲刷掉在膜表面沉积的污泥层，该法对于去除由于污泥沉积引起的污染较为有效，但对于膜内污染的去除效果较差，目前该法只能作为一种膜污染的辅助手段。水力反冲洗控制膜污染的方法就是当膜污染发展到一定程度后，停止出水，按与出水相反的方向注入清水，使膜上沉积物在水流的作用下冲刷下去，同空曝气类似，该法对于去除由于污泥沉积引起的污染较为有效，但对于膜内污染的去除效果较差，其只能作为一种膜污染的辅助手段。离线化学清洗即在膜污染发展到一定程度后，把膜组件从反应器内取出置入另外一个专门用于膜清洗的池子，进行长时间的浸泡清洗，该法与空曝气法和水力反冲洗发相比，膜污染清洗较为彻底，但该法存在的问题是清洗劳动强度很大，给实际运行增添了诸多不便，而且可能会对膜组件本身造成机械和化学损伤，降低膜的使用寿命，增加运行成本。和以上几种清洗方法比较，在线药洗是一种比较优越的方法，该法在清洗时不用将膜组件从反应器中取出，只需按与膜出水相反的方向注入清洗药剂，浸泡一定时间即可，其对膜的机械损伤较小，简单易行，膜污染在线清洗涉及内容较多，如清洗时间、清洗周期、清洗药剂浓度等，控制不好，膜污染的清洗效果不佳，目前针对膜污染在线清洗的有效方法鲜有报道。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种中低压在线控制膜生物反应器中膜污染的方法。

发明概述

本发明为保证系统的高效、持续和稳定运行，集中于膜污染的机理考察及其有效在线控制措施研究，充分利用现代化分析方法及仪器(如电子扫描电镜、激光粒度分析仪)，从膜污染的形成机理出发，优化膜污染清洗的有效措施及其最佳的清洗周期。本发明的中低压在线控制膜生物反应器中膜污染的方法，包括水动力学控制和在线化学清洗；所述的在线化学清洗为膜污染中低压控制法，包括对清洗条件、清洗时间参数的控制及清洗药剂的选择和药剂用量的控制。水动力学控制包括曝气量控制和污泥浓度控制，均按现有技术参数进行设定。

发明详述

本发明的技术方案如下：

一种中低压在线控制膜生物反应器中膜污染的方法，包括水动力学控制和在线化学清洗；所述的在线化学清洗进行条件为跨膜压差(TMP)净增为1.0～1.5mH₂O，清洗时间为120～150min。

上述的在线化学清洗，优选的清洗药剂为有效氯为100～300mg/L的次氯酸钠溶液，清洗药剂用量为10～15L/m²膜面积。

所述在线化学清洗的具体操作步骤如下：

停止膜生物反应器进出水和曝气，根据10～15L/m²膜面积清洗药剂量，将清洗药剂在30～40min内注入膜生物反应器膜丝内部，静置浸泡120～150min，打开膜生物反应器的曝气水泵和进出水泵，重新连续运行。

上述的水动力学控制包括曝气量控制和污泥浓度控制，均按现有技即可术，其它未特别说明的也均按现有技术。

下面结合试验对本发明做进一步说明。

以控制膜污染发展程度为依据，作为膜污染清洗周期的判断。试验分别考察了在膜污染上升了1.0m、1.5m、2.0m、2.5m四种情况下的膜清洗效果。

操作条件如下：

膜通量8.3L/m².h，

混合液污泥浓度5-6g/L，

曝气量100L/h。

药剂的选择：次氯酸钠(NaClO)

药剂浓度选择：0.1％-0.3％(有效氯)

清洗时间：120-150min

清洗周期确定：控制膜污染发展到一定程度，(ΔP＝1.0-2.5mH₂O)。

(1)低压控制下膜污染清洗效果(ΔP≈1.0mH₂O)

为了缩短试验周期，采取较高的通量运行，膜污染发展十分迅速。试验发现，在一定操作条件下，膜污染上升速率为1683Pa/d，在6天内ΔP就增加了1.0mH₂O。此时进行膜污染的在线清洗，采用浓度为0.1％NaClO清洗药剂，清洗时间为2h，可以发现，通过2h的清洗后，膜污染去除了38.08％，效果不够理想，紧接着又采用浓度为0.2％NaClO清洗药剂，清洗时间为1h，不难发现，膜污染恢复较好，膜污染去除率达到了99.28％。这表明当膜污染发展程度为1.0mH₂O，0.1％NaClO清洗药剂在线清洗不够理想，需联合采用0.2％NaClO进行1h的浸泡才能使膜污染较为彻底的恢复。

清洗后继续运行的膜污染发展同清洗前相似，不过在这个阶段，膜污染发展速率稍有减缓，dp/dt＝1457Pa/d，小于原来的1683Pa/d。同样膜污染程度也很快达到设定的数值(ΔP＝1.0m)。此时，采用0.2％的NaClO清洗药剂进行2h的浸泡清洗，可以发现，膜污染恢复效果良好，达到了98.68％。如图2所示。

(2)中压控制下膜污染清洗效果(ΔP≈1.5mH₂O)

试验发现，在较高的膜通量下，膜污染在9天内就达到了1.5mH₂O，污染上升速率为1668Pa/d。此时进行膜污染的在线清洗，采用浓度为0.2％NaClO清洗药剂，清洗时间为2h。可以发现，2h的清洗效果不够理想，膜污染仅去除了31.63％，，紧接着又采用浓度为0.3％NaClO清洗药剂，清洗时间为2h，膜污染恢复较好，膜污染去除率达到了98.18％。这表明当膜污染发展程度为1.5mH₂O，0.2％NaClO清洗药剂在线清洗不够理想，需联合采用0.3％NaClO进行1h的浸泡才能使膜污染较为彻底的恢复。清洗后继续运行的膜污染发展与同清洗前相似，不过在这个阶段，膜污染发展速率稍有增加，dp/dt＝1682.5Pa/d。同样膜污染程度也很快达到设定的数值(ΔP＝1.5m)。此时，采用0.3％的NaClO清洗药剂进行2h的浸泡清洗，可以发现，膜污染恢复效果良好，达到了97.27％。如图3所示。

(3)中高压控制下膜污染清洗效果(ΔP≈2.0mH₂O)

ΔP＝2.0mH₂O时的膜污染清洗效果如图3所示。试验发现，在较高的膜通量下，膜污染在12天内就达到了2.0mH₂O，污染上升速率为1814.1Pa/d。此时进行膜污染的在线清洗，采用浓度为0.3％NaClO清洗药剂，清洗时间为2h，试验结果显示，2h的清洗效果不够理想，膜污染仅去除了14.97％，，紧接着又采用浓度为0.3％NaClO清洗药剂，清洗时间为2h，膜污染恢复依然不好，膜污染去除率仅为13.61％。这表明当膜污染发展程度为2.0mH₂O，0.3％NaClO清洗药剂在线清洗不够理想，需联合采用其它控制措施，曝气强度从原来的60m³/m².h提高到100m³/m².h。空曝气8h，发现膜污染又去除了21.77％，可见曝气对于膜污染的去除较为有效，为此又进行10h的曝气，膜污染去除了20.41％，紧接着又采用0.3％NaClO进行在线清洗，膜污染去除了12.25％，通过多次的在线化学清洗和空曝气，膜污染的总恢复率达到了97.96％。如图4所示。

中高压控制下膜清洗试验表明，当膜污染发展程度较高时(ΔP＝2.0mH₂O)，采用0.3％的NaClO化学清洗药剂进行浸泡清洗，效果不够理想，必须采用加强曝气和多次化学清洗的方式才能使膜污染得到较好的恢复。但这种清洗方式不仅操作麻烦，而且还会对微生物产生一定的影响，从而影响系统的处理效果。

(4)高压控制下膜污染清洗效果(ΔP≈2.5H₂O)

试验结果发现，膜污染发展速率比以上试验有所增加，dp/dt为1903.3Pa/d，膜污染在12天内就达到了2.5mH₂O，此时进行膜污染的在线清洗，采用浓度为0.3％NaClO清洗药剂，清洗时间为4h，可以发现，4h的清洗效果不够理想，膜污染去除率仅为12.5％，，紧接着又采用了加强曝气的控制方式，曝气强度从原来的60m³/m².h提高到100m³/m².h，空曝气12h，发现膜污染又去除了9.09％，可见膜污染严重后，空曝气对于膜污染的去除也未能奏效，为此又采用浓度为0.3％NaClO清洗药剂浸泡4h，膜污染恢复依然不好，膜污染去除率仅为6.82％。通过在线化学清洗和空曝气，膜污染的总恢复率仅为28.41％。如图5所示。

高压控制下膜清洗试验表明，清洗试验表明当膜污染发展程度为2.5mH₂O，采用加强曝气和在线化学清洗的方式不能使膜污染得到较好的恢复。为了防止过量的曝气和化学药剂对微生物活性的影响，只有采用离线清洗的方式。

膜污染离线清洗试验结果表明，沉积于膜表面的由颗粒物、微生物体和悬浮物质所组成的滤饼层污染是造成膜阻力的主要原因，其占总阻力的57％，清水冲洗可有效去除污泥层污染，但对凝胶层的去除作用则不大。凝胶层对膜污染的贡献率达37％，NaClO清洗可使之较好去除，一般认为凝胶层主要是由微生物胞外多聚物、溶解性微生物代谢产物等大分子(主要为多糖和蛋白质)有机物构成的，NaClO作为一种强氧化剂可以使这类物质彻底氧化分解。而对于一些由无机离子形成的垢粒，采取HCl清洗可以使之较好去除，其占污染构成的6％，推测认为是HCL清洗没有消除的一些无机垢粒引起膜孔吸附和堵塞造成的。黄霞采用MBR处理微污染源水的研究结果也表明，膜面沉积的污泥层主要大量污泥絮体、颗粒状物质引起的，属于可逆污染层，采用一般的水动力学方法(如提高曝气强度)可有效地去除。而对属于不可逆污染的凝胶层的去除，通常采用化学药液清洗的措施才能奏效。

膜污染在线清洗实验表明，根据膜污染形成机理，确定了在线控制膜清洗的有效方法：通过膜污染在线清洗试验研究，当膜污染发展到一定程度时，在中低压控制下，即ΔP＝1.0-1.5mH₂O，采用0.3％的次氯酸钠化学药剂可以使膜污染得到较好的去除，污染恢复率达到95％以上。在线清洗试验研究表明，膜的离线清洗频率从原来的3-4次/年降低到1次/年以下，甚至更低，从而提高了运行的稳定性，减少了对膜的机械损伤，提高了膜的使用寿命，降低了运行成本。

本发明的有益效果是，采取中低压条件下进行膜清洗，可以使膜污染得到较好的恢复，从而提高了运行的稳定性，减少了对膜的机械损伤，提高了膜的使用寿命，降低了运行成本。

附图说明

图1为膜生物反应器工艺示意图；

图2为低压控制下膜污染清洗效果；

图3为中压控制下膜污染清洗效果；

图4为中高压控制下膜污染清洗效果；

图5为高压控制下膜污染清洗效果；

其中：1.鼓风机，2.气体阀门，3.气体流量计，4.膜组件，5.穿孔曝气管，6.真空表，7.时间继电器，8.出水泵，9.加药泵，10.储药箱，11.电控系统，12.液体阀门，13.药液阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例本发明进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明所述膜生物反应器如图1所示，它包括供气系统、出水系统和加药系统三部分构成。供气系统由鼓风机1、气体阀门2、气体流量计3和穿孔曝气管5构成；出水系统由膜组件4、真空表6、液体阀门12、时间继电器7和出水泵8构成；加药系统由储药箱10、加药泵和药液阀门13构成。鼓风机1、出水泵8和加药泵9的启闭由电控系统11控制，时间继电器7控制出水泵的抽停时间比例。

膜污染在线清洗的具体实施方案为：采取膜污染中低压控制法，由真空表6读数可知，当跨膜压差TMP净增为1.0～1.5mH₂O时，停止鼓风机1和出水泵8，关闭液体阀门12，进行在线化学清洗；采用次氯酸钠溶液为主要的清洗药剂，在储药箱10内调制药液，使得药剂有效氯浓度控制为100～300mg/L，控制药剂用量为10～15L/m²膜面积，打开加药泵9和清洗管路上的药液阀门13，在30～40min内把清洗药液反向注入膜组件4的内部；药液注入完毕，静置浸泡120～150min后，关闭清洗管路上的药液阀门13，打开鼓风机1、出水泵8和液体阀门12，重新连续运行，当跨膜压差TMP再次上升为1.0～1.5mH₂O时，循环以上操作进行膜污染在线清洗，从而保障该系统长期稳定运行。

为保证清洗效果以实现膜生物反应器系统的稳定运行，目前通常采用离线化学清洗的方法，清洗频率一般在3-4次/年，较为频繁的清洗操作，会对膜造成较大机械损伤，导致膜过滤性能降低，膜的使用寿命从4-5年降低到2-3年，甚至更低。采用中低压(ΔP＝1.0-15mH₂O)在线控制膜生物反应器膜污染的方法，可离线清洗频率降低到1次/年，甚至更少，膜的使用寿命可以维持在4-5年，甚至更高，从而降低了膜组件折旧成本，降低了系统运行的成本。