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在线超声清洗对膜生物反应器污泥混合液特性的影响 ＊ 王盛勇 1,2 孙宝盛 1 田鹏飞 1 1.天津大学环境科学与工程学院, 天津 300072; 2.中钢集团武汉安全环保研究院, 武汉 430081 摘要 采用低功率超声波实现了膜生物反应器中膜污染的在线超声清洗, 考察在线超声清洗对污泥混合液特性的影 响。结果表明 在线超声清洗能有效控制膜污染, 但也会导致污泥浓度和污泥活性降低, 混合液过滤性能变差, 上清液 有机物浓度上升, 污泥絮体结构破解。 污泥混合液特性的恶化必然会影响膜生物反应器的稳定运行, 不利于膜污染的 控制。 为了避免混合液特性过度恶化, 每次超声清洗时间应该控制在 10 min 以内。 关键词 膜生物反应器; 在线超声清洗; 膜污染; 混合液特性 EFFECTS OF ONLINE ULTRASONIC CLEANING ON CHARACTERISTICS OF ACTIVATED SLUDGE MIXED LIQUOR IN MEMBRANE BIOREACTOR Wang Shengyong1 ,2 Sun Baosheng1 Tian Pengfei1 1. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Sinostell Wuhan Safety and Environmental Protection Research Institute, Wuhan 430081, China Abstract The online ultrasonic cleaning was actualized for membrane fouling control in membrane bioreactor using low power ultrasonic, and its effects on activated sludge mixed liquor characteristics were investigated.The results show that the membrane fouling can be controlled efficiently, but the mixed liquor suspended solid concentration and sludge activity are decreased, the membrane filterability of mixed liquor gets worse, the supernatant organic matter concentration is increased, and the sludge flocs are destroyed simultaneously . The deteriorationof mixed liquor characteristics is surely to affect the stable operation ofMBR, which is not conducive to control membrane pollution.In order to avoid worse characteristics of mixed liquor, the cleaning time should be controlledwithin 10 min. Keywords membrane bioreactor; online ultrasonic cleaning; membrane fouling; mixed liquor characteristics ＊天津市应用基础研究计划项目 07JCDJC02100 。 膜生物反应器 membrane bioreactor ,MBR 是生物 处理系统和膜分离技术有机结合的新型高效污水处 理工艺 。MBR工艺在污水处理与回用方面的优势突 出,但同时带来的膜污染问题严重影响了工艺运行的 稳定性与经济性 , 已成为限制 MBR 应用的关键 问题 [ 1-2] 。 目前MBR的在线清洗方法主要有化学清洗和反 冲洗两种, 但都存在着较大的不足 [ 3] 。与传统膜污染 控制方法相比, 超声波能有效地清除污染膜 ,提高膜 通量, 不产生二次污染, 显示了良好的应用前景 [ 4 -6] 。 采用超声波在线清洗膜污染的研究只有几年历史 ,国 内外报道还相对较少 。 在MBR工艺中 , 污泥混合液特性在很大程度上 决定了膜分离性能和最终的出水水质 [ 7- 8] 。本研究旨 在通过连续超声试验 ,考察在线超声清洗对膜生物反 应器污泥混合液特性的影响。从而为优化膜生物反 应器在线超声清洗工艺参数提供依据。 1 试验部分 1. 1 试验装置 试验装置与流程如图 1 所示 。反应器主要由生 物反应池、中空纤维帘式膜组件和超声波发生器 3 部 分组成 。膜材质为 PVDF ,膜孔径为0. 2 μ m ,膜面积为 0. 5 m 2 。膜组件下方设微孔曝气, 曝气量控制在 0. 6 m 3 m2 h 。生物反应池有效容积为14 L, 污泥混 合液取自天津大学游泳馆中水站MBR。超声清洗装 置采用超声振板的方式, 超声振板由固定支架平行布 置在池壁, 以保证超声波对膜组件均匀作用。采用连 续超声方式 超声波频率40 kHz,功率352 W , 考察在 线超声清洗对污泥混合液特性的影响。 44 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 图 1 试验装置示意 1. 2 分析项目与方法 常规分析项目 污泥浓度 MLSS 、溶解性化学需 氧量 SCOD 、比耗氧速率 SOUR 、污泥容积指数 SVI 、 总有机碳 TOC 等均按照标准方法测定 [ 9] ; 污 泥混合液的过滤性能测定 小膜抽滤试验。 胞外聚合物 EPS EPS 的含量以TOC 表征 [ 10] 。 污泥絮体形状的特征观察 光学显微镜 JEM- 100CXⅡ 观察其絮体结构 。 2 结果与讨论 2. 1 在线超声清洗对MLSS 和 SCOD 的影响 超声波对活性污泥有一定的破解作用 [ 11 -13] ,在进 行超声波在线清洗的过程中必需兼顾破解作用对混 合液特性的影响 。连续超声过程中 MLSS 和 SCOD 的 变化如图 2 所示 。 图2 在线超声清洗对混合液MLSS 和SCOD 的影响 从图 2 可以看出 , 随着超声时间的延长, 混合液 MLSS 呈下降趋势, 但总体变化并不大, 即使连续超声 30 min MLSS 也 只 下 降 了 6. 36。 污 泥 混 合 液 ρ SCOD 的变化分为两个阶段 在 0 ～ 10 min ,SCOD 变化较小, 由34. 80 mg L上升到46. 34 mg L ,处于一个 较平稳期; 10～ 30 min,SCOD 呈现阶梯形快速增长趋 势, 由46. 34 mg L逐渐增加到92. 44 mg L。分析认为 超声空化作用能引起反应器内较强的水力剪切力 ,这 对混合液污泥絮体和微生物细胞具有解体和破碎作 用,胞内物质溶出 , 导致 MLSS 降低。溶出的胞内物 质由固相转移到液相 ,即由颗粒态的 COD 转变为溶 解态的COD,导致 SCOD 的快速增加 。为了尽量减少 超声对污泥的破解作用 , 超声时间应控制在10 min 之内 。 2. 2 在线超声清洗对污泥活性的影响 活性污泥比耗氧速率是评价污泥活性的一个重 要指标 [ 14] 。它是指单位质量活性污泥在单位时间内 的耗氧量。污泥的 SOUR 随超声时间的变化如图 3 所示 。从图 3 可以看出 ,污泥 SOUR的变化呈现先升 后降 的 趋 势。 并 且 5 min 达 到 最 大 值 5. 87 10 -5 mg mg min 。5 min 后 SOUR 开 始 下 降 , 到 30 min时, SOUR 已降至 3. 02 10 -5 mg mg min , 比 未经超声作用污泥的活性还要低。这表明施加短暂 低功率的超声波可以提高生物活性 。这可能是因为 低强度的超声对微生物形成了稳态空化作用 ,促进了 细胞内、 外氧气和底物的传输 ,提高了酶促反应速率, 从而增强微生物活性 。但超声时间并不是越长越好, 连续超声5 min以后, 连续超声对污泥絮体的破解作 用开始显现 ,污泥活性逐渐降低。 图 3 在线超声清洗对混合液SOUR 的影响 2. 3 在线超声清洗对污泥沉降性能的影响 图 4 给出了连续超声过程中 SVI 的变化情况。 由图 4 可以看出 ,在 0～ 10 min,SVI 变化较小 ,保持在 较低水平。连续超声10 min后,SVI 先急剧增加 ,后又 急剧下降 , 很不稳定。取一定量污泥混合液并经 30 min沉降, 发现超声清洗少于10 min时 ,污泥 - 水界 面清晰,上清液清澈 。而10 min以后, 上清液则出现 了明显的浑浊现象。分析认为 在超声初期 ,低强度 超声辐射形成的稳态空化作用增加了细胞的通透性, 污泥结构变得松散 ,但还不足以破坏其结构 ,因而上 清液较为清澈。随着超声的持续输入,污泥絮体结构 开始破坏, 细胞内物质溶出, 上清液变得浑浊。这与 图2 中 SCOD 在10 min后的快速增加是一致的 。 2. 4 在线超声清洗对 EPS 和上清液 TOC 的影响 EPS 和上清液 TOC 是膜污染的优势污染物 [ 15] , 极易引起膜污染 。图 5 给出了混合液 EPS 和上清液 45 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 图4 在线超声清洗对混合液SVI的影响 TOC 的变化情况。由图 5 可以看出 , 超声作用前 3 min ,污泥混合液的 EPS 浓度总体上保持下降 , 到 30 min时, EPS 浓度由未经超声的58. 27 mg L降至 44. 10 mg L 。而在超声作用的前10 min, 上清液有机 物浓度变化较小, 此后则呈现快速上升, 在30 min时 达到4. 28 mg L ,约为未经超声作用时的4. 4 倍。分析 认为,超声辐射的空化作用使 EPS 结构变的松散, EPS 逐渐降低 , 并转移到水相中, 加上胞内物质的溶 出共同导致了上清液 TOC 的快速增加。应将超声时 间控制在 5～ 10 min, 此时上清液有机物浓度稳定在 较低的范围内, 而 EPS 浓度也比较稳定 , 对膜污染的 作用最小 。 图 5 在线超声清洗对混合液 EPS 和上清液 TOC 的影响 2. 5 在线超声清洗对混合液过滤性能的影响 随着MBR的运行 ,污染物会逐渐附着在膜孔内 部或表面 ,形成膜污染 ,使膜过滤阻力增加 [ 16] 。以抽 吸10 min时的膜过滤阻力 R10来表征混合液的过滤性 能 [ 17] 。 R10随超声时间的变化如图 6所示。 图 6 在线超声清洗对混合液过滤性能的影响 从图 6 可以看出 , 随着超声时间的延长, 混合液 的过滤性能逐渐变差 。0 ～ 10 min, 混合液膜过滤阻 力 R10基本不变; 10 ～ 20 min, 膜过滤阻力呈线性增 加, R10由 2. 63 10 12 m -1 增 加到 4. 48 10 12 m -1 。 20～ 30 min, 膜过滤阻 力急剧增加 , R10由 4. 48 10 12 m -1增加到 13. 37 1012 m -1 。分析认为随着超声 辐射的持续输入 ,超声对污泥颗粒的剪切和破碎作用 使得细小污泥颗粒大量增加, 致使膜孔极易被堵塞, 导致混合液过滤性能恶化 。 2. 6 在线超声清洗对污泥絮体结构的影响 不同超声时间段的污泥絮体光学显微照片如图 7 所示 。从图 7 可以看出 ,未经超声作用的活性污泥 絮体结构比较紧凑 ,絮体颜色较深, 污泥絮体四周的 液体非常清澈; 随着超声时间的延长, 污泥絮体开始 变得松散, 絮体四周开始有半透明状物质 。超声作用 10 min, 絮体周围的液体开始出现颗粒状物质 , 但仍 然保持着絮体骨架; 超声作用15 min, 污泥絮体骨架 已遭到破坏 ,絮体周围液体中颗粒物质增多 ,微生物 细胞已遭到较大的伤害 ; 超声作用到30 min后 , 絮体 被完全打碎 ,大量胞内物质进入水相 。在保证膜污染 清洗效果的同时 ,也应考虑超声对污泥絮体的破解作 用,超声时间应尽量控制在10 min以内 。 a 未经超声; b超声 5 min; c 超声10 min; d超声15 min; e 超声20 min; f超声 30 min。 图7 污泥絮体光学显微照片 100 46 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 3 结论 1在线超声清洗对污泥的破解作用会引起 MBR 污泥混合液特性的恶化, 导致污泥浓度和污泥活性降 低,混合液过滤性能变差 ,污泥絮体结构破解 ,上清液 有机物浓度增加 。 2适宜的在线超声清洗能形成稳态空化作用, 提高污泥活性, 改善混合液的沉降性能 , 降低污泥胞 外聚合物含量。 3为了保证膜污染的清洗效果, 同时避免污泥 混合液特性的过度恶化 。每次在线超声清洗时间应 尽量控制在10 min以内 。 参考文献 [ 1] Lim A L, Bai R B. 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