一种异位诱捕膜污染物的控制膜污染方法

摘要

一种异位诱捕膜污染物的控制膜污染方法，涉及控制膜－生物反应器中膜的污染技术，适用于膜－生物反应器水和废水处理。本发明通过在MBR内另外设置比MBR内主体膜组件膜面积小的膜组件来过量吸附污泥体系中的凝胶层污染物，实现在不同于主体膜组件的位置诱捕膜污染物质，从而降低主体膜组件表面的凝胶层污染，能够维持MBR的长期稳定运行和提高了MBR的适应性。本发明方法对原有的MBR生物反应器无须进行结构上的改造，只需添加“诱捕”膜组件及相应的曝气、出水系统即可，而且本发明方法应用范围广，可应用于处理低浓度生活污水的MBR，也可应用于处理高浓度工业废水的MBR，以及应用在低温状况下，具有投资费用、运行成本低，操作管理方便，及便于推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及控制膜-生物反应器中膜的污染技术，适用于膜-生物反应器水和废水处理。

背景技术

膜-生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)是膜分离技术与活性污泥法相结合的水处理技术。由于MBR具有出水水质好、运行稳定、流程短、占地省、管理方便、自动化程度高等优点，与其它污水处理技术相比在水污染控制及中水回用方面具有广阔的应用前景。但是MBR在运行过程中，膜不可避免的会受到污染。膜污染会导致膜过滤阻力的上升，当阻力上升到一定程度，就会导致膜通量的下降，此时就需要对膜进行清洗。当膜清洗频率加大，就会导致膜寿命缩短，运行费用增加，同时还增加了管理维护的难度。

膜污染主要受膜的材质、水和废水处理混合液性质及膜分离操作条件的影响，目前，针对膜污染控制的研究也主要从这几方面开展。针对因膜材质而容易污染的控制方法主要是通过对膜材质或膜表面进行改性，提高膜自身的抗污染性能，以制成抗污染膜，但目前在这方面的研究进展不大。水和废水处理混合液是一个复杂的多相混合液，包括进水的成分和生物反应的产物，悬浮物、胶体和溶解性物质，现在通常通过改变污泥混合液性质来控制对膜的污染，如：在混合液中投加粉末状或颗粒状的吸附物来改善活性污泥的过滤性能，减小泥饼层的形成，从而降低膜污染，但在整个水或废水处理过程中需不断投加吸附物，保证和提高处理的质量，这样就会大大增加水处理成本。对于改善膜分离操作条件对膜污染的影响，目前通常是增大MBR的曝气量，以增加混合液的紊度，使得膜表面的剪切力加大，控制和延缓污泥层对膜的污染，但是增大曝气会使电耗增加，并显著提高水处理的运行成本，不利于MBR的推广。

通过长期研究，对于已投入运行的MBR来讲，由于膜组件和操作条件都已设定，可变程度小，因此，在MBR体系内对膜污染的影响主要是污泥混合液，尤其是污泥混合液中的溶解性有机物浓度、胶体浓度和污泥浓度会直接影响膜污染的严重程度。这些污染物质在膜表面形成的污染可以分为泥饼层污染、凝胶层污染和膜孔堵塞，而泥饼层污染和凝胶层污染对膜污染更是主要的。在一体式MBR中，泥饼层污染由污泥絮体在膜面大量沉积造成，其产生的原因在于对造成膜污染的认识不足，致使MBR的设计不当或者设定的操作运行条件不适宜等，而凝胶层污染是活性污泥体系中小颗粒物质，包括胞外聚合物(EPS)、微生物溶解性产物(SMP)、糖类和蛋白质等一些极易堵塞膜孔的有机物质，经吸附在膜表面聚集而形成，其厚度随着抽吸时间的增加而增加。目前在水处理运行过程中，通过采用次临界通量的运行模式，可以控制泥饼层的形成，然而，在次临界通量模式下运行，即使泥饼层污染得到了控制，膜受到污染仍是在不断缓慢发展，原因是凝胶层污染物成为膜污染的主要污染物。但是，对于凝胶层污染物造成的膜污染，现在还不能够进行有效的控制。

发明内容

针对上述现有膜污染控制措施存在的问题，本发明提供了一种投资建造、运行费用低，操作管理方便，便于工程化推广应用，通过在MBR中异位诱捕膜污染物来控制膜污染的方法。

本发明通过异位诱捕膜污染物质来控制膜污染的方法，是通过在MBR内另外设置比MBR内主体膜组件膜面积小的膜组件来过量吸附污泥体系中的凝胶层污染物，实现在不同于主体膜组件的位置诱捕膜污染物质，从而降低主体膜组件表面的凝胶层污染。这种面积明显小于主体膜组件且可通过控制不同运行条件大量吸附诱捕凝胶层污染物质的膜组件称为“诱捕”膜组件。对于MBR来说，由于“诱捕”膜组件的设置，膜污染物存在向主体膜组件和“诱捕”膜组件两方面吸附的趋势。“诱捕”膜组件设有单独的曝气系统，而且使其形成的错流速率大于主体膜组件，从而在污泥性质不变的前提下，控制“诱捕”膜组件的通量大于主体膜组件、但小于“诱捕”膜组件自身临界通量的通量，在这种大通量情况下，对于直径较大的造成泥饼层污染的颗粒，其向“诱捕”膜组件沉积的趋势大于主体膜组件，但由于“诱捕”膜组件在次临界通量下运行，故也不会在其表面沉积；对于直径较小的造成凝胶层污染的颗粒，向“诱捕”膜组件沉积的趋势也远大于主体膜组件而被“诱捕”膜组件诱捕，由此降低了MBR体系内凝胶层污染物质的浓度，从而降低了主体膜组件受到的的凝胶层污染，有效实现控制膜污染。

本发明是这样实现的：在一体式MBR内分别放置主体膜组件和“诱捕”膜组件，主体膜组件和“诱捕”膜组件分别设有单独的曝气系统和出水系统。主体膜组件的作用主要是过滤出水，“诱捕”膜组件主要用于吸附诱捕MBR内造成凝胶层污染的物质。“诱捕”膜组件根据有效面积的不同，所采用的运行通量也有所不同，一般相当于主体膜组件通量的几倍，但小于“诱导”膜组件自身的临界通量。为了维持MBR的运行负荷，“诱捕”膜组件的出水回流到MBR体系内。当“诱捕”膜组件运行一段时间达到清洗压力时，对“诱捕”膜组件进行清洗，清洗后再继续进行“诱捕”膜污染物质。“诱捕”膜组件可以采用各种形式的膜组件，如：平板膜、中空纤维膜、管式膜。

本发明的优点在于：在一体式MBR内设置“诱捕”膜组件对MBR的膜污染进行控制，可以：1、控制膜污染，使混合液的胶体和溶解性有机物即上清液有机物浓度降低，维持MBR的长期稳定运行；2、扩展了MBR的应用范围，使其可以在工业废水等高上清液有机物浓度的状况下稳定运行；3、克服了在冬季低温条件下，由于微生物活性变差，反应器上清液有机物浓度增多，造成凝胶层污染加重的情况，提高了MBR的适应性。此外，本发明方法对原有的MBR生物反应器无须进行结构上的改造，只需添加“诱捕”膜组件及相应的曝气、出水系统即可。而且本发明方法应用范围广，可应用于处理低浓度生活污水的MBR，也可应用于处理高浓度工业废水的MBR，以及应用在低温状况下，由于异常情况导致混合液上清液有机物浓度陡增情况的MBR，具有投资费用、运行成本低，操作管理方便，及便于推广应用。

附图说明

图1为本发明方法的膜-生物反应器装置的结构示意图。

图2为本发明方法与常规膜-生物反应器水处理比较示意图。

图3为本发明方法与常规膜-生物反应器低温状态下水处理比较示意图。

图中，生物反应池1，主体膜组件2，“诱捕”膜组件3，出水泵4，空压机5，曝气装置6，曝气装置7，压力表8。

具体实施方式

本发明方法采用的MBR由生物反应池1，主体膜组件2，“诱捕”膜组件3，出水泵4，空压机5，曝气装置6，曝气装置7，压力表8及进水和排泥管路组成。在主体膜组件2正常运行的状况下，“诱捕”膜组件3以几倍于主体膜组件2的高通量运行，在吸附污泥混合液内凝胶层膜污染物质的同时，将过滤出水回流到膜生物反应池内1，既维持了MBR负荷的稳定，又降低了体系内凝胶层污染物的量。

实施例一  对生活污水的处理

在MBR内采用平板膜作为主体膜组件2，和“诱捕”膜组件3，主体膜组件2和“诱捕”膜组件3为聚偏氟乙烯(PVDF)材质，孔径为0.2μm，其中主体膜组件2的膜面积约为0.168m²，通量为20L/(m²·h)，“诱捕”膜组件3的膜面积为主体膜组件2的1/3，运行通量为40L/(m²·h)，曝气量为0.5m³/h。并与采用平板膜的常规膜-生物反应器进行生活污水处理的比较。

在20～25℃的状况下，运行参数如下所示：

水力停留时间(h)固体停留时间(d)混合液悬浮物浓度(mg/L)曝气量(m³/h)43030001.0

图2显示本发明方法的MBR(反应器1)与常规膜-生物反应器(反应器2)进行生活污水处理结果比较，采用本发明“诱捕”膜污染物方法控制膜污染的反应器1的膜污染程度比常规的反应器2的膜污染轻，以跨膜压力(TMP)增长速率作为膜污染的衡量指标，反应器1的压力增长速率约为0.51kPa/d，比反应器2的0.69kPa/d减少26％。此外，对两个反应器运行过程中混合液上清液有机物浓度的变化进行了监测，反应器1的上清液有机物浓度为28～35mgCOD/L，而反应器2的浓度为40～50mgCOD/L，“诱捕”膜组件3降低了凝胶层污染物质的浓度，达到了控制膜污染的要求。

实施例二  在冬季低温下进行水处理

在温度8～10℃下，主体膜组件2的运行通量为15L/(m²·h)，水力停留时间为5.3h，“诱捕”膜组件3的膜面积为主体膜组件2的1/3，运行通量为30L/(m²·h)。

图3显示本发明方法MBR(反应器1)与常规膜-生物反应器(反应器2)进行生活污水处理结果比较，反应器1的压力增长速率约为0.63kPa/d，比反应器2的1.15kPa/d减少45％以上，反应器1的上清液有机物浓度为42～50mgCOD/L，反应器2的浓度为67～75mgCOD/L。采用诱捕膜污染物控制膜污染的方法在冬季低温条件下，在高上清液有机物浓度条件下效果更好，达到异位控制膜污染的要求。