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        污水處理技術篇:膜生物反應器處理抗生素廢水研究

        相對于傳統的污水處理方法,膜生物反應器(MBR)由于其諸多優勢[1]而備受青睞。而與分置式膜生物反應器相比,一體式膜生物反應器又具有運行能耗低[2]、不因循環泵的剪切對污泥絮體產生不良影響[3]等優點。本文采用平片式膜生物反應器對抗生素廢水進行了初步研究。




        1材料與方法

        1.1試驗裝置與流程

        一體式膜生物反應器試驗裝置與工藝流程如圖1所示,該試驗裝置由生物反應器、一體式膜組件、膜抽吸系統及自動控制等系統組成,其中生物反應器為活性污泥鼓風曝氣反應池,有效容積為47L,反應器中間有一隔板,一側放膜組件,組件下方設有穿孔管曝氣,在供給微生物分解廢水中有機物所需氧氣的同時,在平片膜表面形成循環流速以減輕膜面污染。

        抽吸系統采用型號BT01-100蘭格蠕動泵,對浸沒于反應器的膜組件進行抽吸。自動控制部分采用時間控制器對抽吸泵及進水泵進行控制。一體式MBR中的處理水經蠕動泵抽吸進入凈水池,凈水池的水作為膜沖洗備用。

        1.2試驗用水

        試驗用水為上海某制藥廠抗生素廢水,稀釋后的廢水基本水質情況如表1,進水經100目篩網過濾后進入反應器。

        抗生素廢水

        1.3試驗用膜

        試驗用膜為平片膜,由中科院上海原子核研究所膜分離技術研究開發中心提供,膜組件自行研制,平片膜材質為PVDF(聚偏氟乙烯),截留分子量為14萬,膜有效面積為0.05m2。

        1.4試驗方法

        1.4.1水通量的測定

        水通量的測定由下式得出:

        Jθ=Vθ/(A×t)(1)

        式中:Jθ—θ℃下所測定的實際膜通量;

        Vθ—θ℃下在t時間內實際過濾液體積;

        A—平片膜有效面積。


        在測定膜水通量時,為了便于比較試驗的不同階段水溫所帶來的差異,該試驗將不同溫度測得的數據換算成20℃下的通量值,換算公式為:

        J20—Jθ×(ηwθ/ηw20)(2)

        式中:J20—換算成20℃時的通量;

        ηwθ—θ℃下純水的粘度;

        ηw20—20℃時純水的粘度。

        注:下文中的通量J皆經上式轉換為20℃下的通量值。

        1.4.2阻力分析方法

        膜污染可以分為物理污染、化學污染及生物污染,對于不同的反應器形式、生物的不同生長階段、不同的組件形式及不同的運行方式,占主導地位的污染形式不同。

        在本試驗中,膜污染阻力可以分為三部分:一部分為膜固有的阻力(Rm);一部分為泥餅阻力(Rc),包括濃差極化、膜表面的吸附及沉積等形成的阻力,可以采用水沖洗。海棉擦洗等方法將其除去;另一部分為膜孔的吸附及堵塞阻力(Rf),這部分阻力可以采用化學清洗等方法全部或部分去除。通過試驗測定的有關通量數據,用RIS(resistance一in一series)阻力模型計算出各部分阻力及其所占比例。表達式如下:

        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—純水在2O℃時的粘度(μ0=1.0050×10-3Pa˙S);

        μ1—膜過濾液粘度。

        測定過程如下:

        ①在不同的抽吸壓力下,用新膜對純水過濾,通過公式(4)計算出膜固有阻力;

        ②用該膜對反應器混合液進行過濾,利用公式(3)可以得出運行過程中膜總阻力的瞬時值;

        ③一定時間后,把膜組件從反應器中取出,清水無壓力清洗,并用柔軟的海綿擦去膜面吸附物,然后對純水過濾,由公式(5)得到膜孔吸附及堵塞阻力;

        ④由公式(6)可得膜表面的泥餅阻力。

        2結果和討論

        2.1處理效果

        用前述工藝流程和試驗方法,使用該制藥廠的廢水處理站的污泥接種半個月后,直接把PVDF平片膜浸沒于反應器中以4+6的周期運行(4min抽吸6min停抽),反應器的運行參數列于表2。

        抗生素廢水

        從圖2可以看出在此運行過程中反應器中MLSS的質量濃度經過一段時間后基本維持在15g/L左右,出水CODcr去除率為86%??梢?,水中懸浮和溶解的CODcr并沒有在MBR中累積。但運行至1月中旬膜出水CODcr與上清液CODcr相比,并沒有多大差別,由此可知,PVDF膜所起的作用主要是截留水中懸浮物,使MLSS維持在較高濃度,從而達到高效降解水中有機物的目的。

        2.2過濾過程中的阻力分析

        2.2.1膜固有阻力的測定

        新膜粘結后,放入純水中浸泡24h以消除環境對膜性能的影響,調節抽吸壓力,連續測定5次對應壓力下的通量,取其平均值,由公式(4)可以得出,膜固有阻力Rm為1.082×1012m-1。

        2.2.2PVDF膜放入反應器后總阻力的變化

        為了考察PVDF膜在盡量長時間內運行中阻力的變化,我們把膜組件在設定壓力30kPa,ρ(MLSS)為13.8g/L,曝氣量為l.45m3/h的條件下放入反應器中進行連續抽吸運行,由圖3可知,總阻力經大約25min漸趨穩定,從開始2.81×1012m-1逐漸上升至5.29×1012m-1。也就是,膜固有的阻力從開始占總阻力的98.6%逐漸降低至52.4%??梢?,盡管反應器曝氣沖刷對減弱懸浮固體向膜面吸附遷移有一定作用[4],由于很高的懸浮固體濃度,導致較高的粘度(實測粘度高達6.3×10-3Pa˙S),膜污染隨時間加劇。

        抗生素廢水

        同時,我們也考察廠PVDF膜在設定周期(4min抽吸6min停抽)下運行,其間不進行任何清洗,總阻力的變化規律如圖4所示??梢?,間歇運行27d,阻力達到5.34×1012m-1。把連續抽吸的25min內阻力變化延長至27d,充分體現了一體式膜生物反應器中間歇運行中曝氣沖刷膜面的效果。

        抗生素廢水

        2.2.3PVDF膜水力清洗及海綿擦洗后的阻力比較

        長期運行過程中,泥餅阻力是導致膜通量下降的主要因素。表3所示,在1d的連續運行過程中,泥餅阻力占總阻力的比例從開始的35.87%上升至94.01%。新開發的PVDF平片膜組件其優點在于能夠通過簡單便捷的在線海綿擦洗的方法,消除泥餅阻力,如圖4,從而使水通量迅速恢復接近初始通量。

        抗生素廢水

        在一體式MBR中,泥水混合液處于循環流動狀態,在運行過程中,膜表面泥餅層處于一種動態的相對穩定狀態,形成膜過濾的主要阻力,并且由于膜的長期使用,形成阻力的因素也具有累積效應[5];而且,由于化學清洗價格昂貴、操作復雜且不可能完全恢復膜通量[6]。因此,海綿定期在線擦洗對于膜通量的增強非常有利。再者,從長期運行的角度來看,在線擦洗至少可以減弱各種阻力因素的累積,從而具有積極的實踐意義。

        3結論

        ①由于膜過濾對混合液懸浮固體的完全截留,盡管原水含有少量抑菌物質,出水CODCr去除率仍可達86%。

        ②膜組件長時間運行導致膜污染,因此必須對其進行定期的清洗,而平片膜組件具有清洗高效。操作簡單的優點。

        ③平片膜組件只需用簡單的在線海綿擦洗的方法,便可以部分恢復膜通量,從而減少價格昂貴的化學清洗,具有相當的實用價值。

        ④膜性能指標有壓力與通量兩個變量,而運用RIS阻力模型可以統一兩者,因此,在研究膜生物反應器中膜性能時,用阻力這個指標分析是可行的。


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