SMBR工艺处理废水时操作方式的研究.pdf

水 污 染 治 理 SMBR 工艺处理废水时操作方式的研究 ＊ 王志伟 吴志超 顾国维 俞国平 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092 摘要 膜生物反应器 MBR 在废水处理中必须能保证长期稳定运行, 而操作方式与 MBR 运行性能密切相关。 通过对小 试规模的浸没式 MBR SMBR 恒流和恒压两种操作方式的短期以及长期实际运行研究, 发现次临界区恒流操作和经济操 作压力 TMP ＊以下的恒压操作有利于 MBR的长期稳定运行; 并从理论上分析了对应于不同的操作区域的膜污染机理。 关键词 浸没式膜生物反应器 恒压 恒流 膜污染 ＊国家高技术发展计划 863 项目 2002AA601220 ; 教育部科学技术 研究重点 重大 项目资助 03070 1 引言 膜生物反应器 MBR 是膜技术和污水生物处理 技术有机结合产生的废水处理新工艺, 近年来已经逐 步应用于城市污水和工业废水的处理之中 [ 1～ 3] 。但 是膜污染是膜技术应用所面临的一个关键问题,它影 响膜生物反应器 MBR 的稳定运行,决定了膜的清洗 周期和更换频率, 进而影响到 MBR工艺运行的经济 性能 。MBR的操作运行方式与膜污染有密切关系, 并影响 MBR 的稳定运行, 因而研究MBR 的恒流和恒 压操作非常必要。本研究采用浸没式平板膜生物反 应器, 对比恒压和恒流两种操作方式, 从实际运行情 况以及理论分析得出适宜于 MBR 操作运行方式, 以 指导MBR工程实践 。 2 试验装置与方法 2. 1 试验装置 试验采用浸没式平板膜生物反应器 ,采用的平板 膜其 材 质 为 聚 偏 氟 乙 烯 PVDF , 平 均 孔 径 为 0. 23 μ m ,有效面积为 0. 1 m 2 。试验流程如图 1。 进水经过孔径为 1 mm 的筛网进入 MBR, 由液位 控制系统控制进水泵的开停, 以维持 MBR 内正常的 液位。平板膜有 2 套抽吸装置, 1 套由蠕动泵抽吸进 行恒流操作 , 逐渐增大泵的抽吸级数保持恒流, 1 套 逐渐减小泵的抽吸级数保持恒压以进行恒压操作 ,真 空表测量抽吸压力。空气泵通过微孔曝气管向 MBR 曝气并对膜面进行冲刷, 玻璃转子流量计测定其曝气 强度。MBR有效容积为 14 L , 由隔板隔开以形成良 好的水力循环。 2. 2 试验方法 2. 2. 1 临界通量的测定 图 1 试验工艺流程图 临界通量的测定方法采用通量阶式递增方法 [ 4] 。 即在一定的操作条件下, 采用恒通量操作的方法 即 出水泵固定在一定的级数运转 ,测定MBR在一段时 间 Δ T 内 Δ T ≥ 20 min TMP ＊ 临界通量 J c所对应的 压力值 ,在此称为经济操作压力 的变化情况。如果 TMP 固定不变, 继续增加出水泵的运行级数, 测定 Δ T 时间内的 TMP ＊的变化情况。如此继续, 直至 Δ T 时间内的 TMP ＊出现明显升高, 此时的膜通量即为 Jn 1。则临界通量 Jc介于Jn与Jn1之间。 2. 2. 2 MBR运行 试验过程中MBR 污泥浓度维持在 9～ 10 g L 之 间, 曝气量0. 6m 3 h, 膜面流速平均为 0. 32 m s。试验 期间除了分析取样外 ,MBR 不进行排泥。临界通量 的测定以及短期恒压操作过程中,每一步骤测定完毕 后,膜均经 0. 5 w w NaClO 溶液进行清洗 1 h。 3 试验结果与分析 3. 1 恒流操作 采用通量递增方法测定的通量与压力的变化关 系如图2。从图 2 可以看出 ,在每阶通量值递增 4 ～ 5 L m 2h,每阶历时 30 min,当通量达到48. 4 L m2h, TMP 增加较为迅速 。因而认为临界通量在 43. 1 ～ 48. 4 L m 2h 区域范围。 7 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 图 2 临界通量测定图 因而可以把MBR恒流操作分为 3 个区域 超临 界区 48. 4 L m 2 h以 上 、临 界 区 43. 1 ～ 48. 4 L m 2h 和次临界区 43. 1 L m2h 以下。 MBR在超临界区运行时, TMP 上升很快; 而在次 临界区操作时, TMP 变化缓慢 [ 4] 。 3. 2 恒压操作 试验采用恒压抽吸方式测定了恒定压力状况下 MBR通量的变化状况 。采用类似于临界通量的测定 方法 ,不同的是此操作为逐步递增压力 。逐步增加压 力来测定通量的变化, 直到最后, 通量值不再依赖于 压力的变化。测定结果见图 3。 图 3 恒压操作时压力与通量的变化关系 从图 3 可以看出, 当压力 14 kPa , 经过初 始5 ～ 10 min 通量波动后稳定在一个通量平台 ,其值 与14 kPa 时的平台值相比没有提高 , 即此时通量与 压力不再呈线性相关。14 kPa 是作为通量与压力是 否线性有关的分界压力, 称之为临界压力 [ 5] 。通量稳 定的平台对应值73 L m 2h即短期 30 min内 稳定后 的通量不再依赖于压力的变化 ,称之为极限通量。 3. 3 恒压与恒流操作实际运行 通过阶式递增法研究了短期内的恒流和恒压操 作,根据这些研究结论,选取典型值进行 MBR 运行长 期试验研究。试验过程采用间歇运行抽吸方式,即抽 吸10 min 、 停 2 min 运行 。 恒流操作中选取 30、 45、50、 70 L m 2h 进行对比 研究 ,以考察MBR 在次临界区、 临界区和超临界区运 行特性见图 4。 图 4 恒流操作的运行情况 从图 4 可以看出, 恒流操作选取的通量值与膜污 染状况有密切关系 ,在超临界区运行时 , 膜污染发展 剧烈, 致使 TMP 上升迅速 , 系统运行很不稳定; 而且 通量值选取越大 ,TMP 上升速度越大。在临界区和次 临界区运行时, TMP 变化缓慢, 尤以次临界区运行更 为稳定。 恒压操作中选取了 4、 8、 14 kPa 3种压力值 ,其运 行状况如图 5 所示 。在 4 kPa 初始的通量值对应于 恒流操作的次临界区 压力下运行, 通量的衰减越缓 慢; 较高 TMP 运行 初始的通量值对应于恒流操作的 超临界区 ,初始阶段通量虽然高于低压的通量,但是 通量衰减迅速, 运行后期通量值会很低 ,不利于MBR 长期稳定运行。 图 5 恒压操作的运行情况 4 讨论 在膜错流操作过程中 ,膜污染现象可以通过理论 计算进行分析。微粒所受到的力及相应的速度表达 式列于附表 [ 6～ 8] 。 附表 影响污泥颗粒迁移的因素 因素流速表达式 指 向 膜 面 脱 离 膜 面 重力 Fg vgπ η d2pρ g 18 范德华力 FA vAAπ η S2 36 过滤推动力 FfJ 浮力 Fbvbπ η d2 pρlg 18 双电层斥力 FRvR 2kε ζ 2η exp -kS 3 剪切扩散力 Fsvs0 . 022 5u0d2 pδ h 边界层迁移 FLvL 0. 108ρ pu 2 0d 3 ph 2 η 布朗扩散 FBvBkTπ η dpδ 3 8 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 表中 dp 颗粒直径 m; ρp 颗粒密度 kg m 3 ; η 动力粘度系数 Pas; A Hamaker 常数; S 颗粒间距 m ; ρl 液体密度 kg m 3 ; k Debye-Hǜckel 参数 ; ε 流体过滤性能参数 ; δ 边界层厚度 m ; ζ zeta 电位 mV ; u0 流体平均速度 m s; h 流体通道半高度m 。 因而根据牛顿第二运动定律可以得出颗粒受力 方程式 F ma 1 根据力的作用效果可得 π 6 ρpd 3 p dvp dt Fb-Fg FR-FA FBFsFL-FJ 2 式中 F 颗粒所受到力的合力N ; m 颗粒的质量 kg ; a 颗粒运动的加速度 m s 2 。 方程式 2 两边同除以 3dpη -1 可以将上式转化为速 度的关系方程式 π 18ρ pη d 2 p dvp dt vb-vg vR-vA vBvsvL-J 3 当dv p dt 0 时,颗粒将发生沉积现象 ; dvp dt d p, 颗粒将沉 积于膜表面而形成沉积层使膜污染阻力迅速上升 ,使 恒压操作中的通量迅速衰减, 恒流操作中的压力迅速 上升。图 4 显示的恒流操作运行情况, 通量值为 30 L m 2h 属于次临界区 以及 45 L m2h 属于临界 区 , 操作压力上升相对较为缓慢,有利于膜生物反应 器长期稳定的运行 , 在MBR 工程设计中一般应在次 临界区域操作, 以确保MBR 运行性能稳定 ; 而当通量 值处于超临界区时 ,操作压力上升很快 , 系统运行很 不稳定 。图 5 恒压操作时当压力 TMP ＊ 本试验 TMP ＊ 4～ 8 kPa 通量衰减较为缓慢, 当操作压力高 于 TMP ＊ ,通量衰减剧烈 , 不利于 MBR 的长期稳定 运行 。 5 结论 1 次临界区恒流操作和经济操作压力 TMP ＊以 下的恒压操作有利于 MBR的长期稳定运行, 不同的 是恒流操作伴随有缓慢的 TMP 上升, 恒压操作过程 伴随有缓慢的通量衰减。 2 超临界区的恒流操作和经济操作压力 TMP ＊ 以上的恒压操作不适宜于 MBR 的长期稳定运行, 操 作过程中会有严重的膜污染现象。 参考文献 1 Brindle K, Stephenson T. Application of membrane biological reactors of the treatment of wastewater. Biotec Bioeng , 1996. 49 601～ 610. 2 Hong S P, Bae T H, Tak T M , et al . Fouling control in activated sludge submerged hollow fiber membrane bioreactors. Desalination, 2002. 143 219～ 228. 3 刘超翔, 黄霞, 文湘华等. 一体式膜生物反应器处理毛染废水的中 试研究. 给水排水, 2002. 28 2 56～ 59. 4 Madaeni S S, Fane A G , Wiley D E. Factors influencing critical flux in membrane filtration of activated sludge. J Chem Technol Biotechnol, 1999. 74 539～ 543. 9 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 5 Beaubien A, Baty M , Jeannot F, et al. Design and operation of anaerobic membrane bioreactors development of a filtration testing strategy . J Membr Sci, 1996. 109 173～ 184. 6 Song L, Elimelech M. Particle deposition onto a permeable surface in laminar flow. J Colloid Interface Sci, 1995. 173 165～ 180. 7 Bacchin P, Aimar P ,Sanchez V. Model for colloidal fouling of membranes. AICHE J, 1995. 41 368～ 376. 8 Choo Kwang ho , Lee Chung hak. Hydrodynamic behavior of anaerobic biosolids during crossflow filtration in the membrane anaerobic bioreactor. Wat Res, 1998. 32 11 3387～ 3397. 9 Lee Wontae , Kang Seoktae , Shin Hangsik. Sludge characteristics and their contribution to microfiltration in submerged membrane bioreactors. J. Mem Sci, 2003. 216 217～ 227. 作者通讯处 王志伟 200092 同济大学环境学院研究生信箱 电话 021 65980400 E -mail wittyfht citiz. net 2005- 03-20 收稿 沈阳市北部污水处理厂工艺设计的特点 孙 笙 刘 月 沈阳市市政工程设计研究院, 辽宁 110015 摘要 详细介绍了污水处理厂的设计规模、SDAO 污水处理工艺、各个单体构筑物的主要设计参数, SDAO 工艺采用圆 形曝气池, 在工艺和结构设计上有所创新。 污泥采用消化处理, 污泥加热方式比较科学。 关键词 SDAO 工艺 圆形曝气池 污泥消化 1 引言 北部污水处理厂是沈阳市第一座城市污水处理 厂,该工程于 1993 年开始施工 , 1998 年完成全部施 工,处理规模为 4. 0 10 5 m 3 d。 北部污水处理厂主要处理沈阳市北部排水系统 的城市污水 ,集水面积为 64 km 2 ,服务人口 81 万人, 总污水量为 4. 025 10 5 m 3 h,其中生活污水占比例为 34. 3, 工业污水占比例为 65. 7。 2 设计规模 北部污水处理厂厂址位于沈阳市北部沟连屯 ,占 地 33 hm 2 ,处理规模 4. 0 10 5 m 3 d。超过设计规模的 污水, 从进水渠上游分流进入规划的西部污水处理 厂。其中 2. 0 10 5 m 3 d 污水采用 SDAO 工艺 , 其余 2. 0 10 5 m 3 d 污水采用传统活性污泥法 。污水经过 处理后, 远期 SDAO 工艺的出水经过三级处理后, 回 用于铁西工业区 ,作为工业用水, 近期排入卫工河作 为景观用水。普通曝气工艺的出水近期排入北运河, 远期排入卫工河 。 3 污水处理厂工艺设计 3. 1 SDAO 工艺 SDAO 工艺由法国德利满公司引进 。经过中、法 双方协商命名为 SDAO 工艺, 以示与普通A O 工艺的 区别 。为圆形曝气池 。 3. 2 工艺流程 工艺流程见附图 。 附图 沈阳市北部污水处理厂工艺流程框图 3. 3 设计进水水质 进水水质见附表 。 附表 进水水质mg L 项目 BOD5CODCr SSTKN 设计水质20050020040 3. 4 设计出水水质 SDAO 工艺 CODCr≤ 100 mg L ,BOD5≤20 mg L, 10 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 STUDY ON DIFFERENT OPERATION MODES OF SUBMERGED MEMBRANE BIOREACTORS FORWASTEWATER TREATMENTWang Zhiwei et al7 Abstract Membrane bioreactors for wastewater treatment must operate for long periods. Operation modes are well related to the feature of MBR for long -term run. Characteristics of the submerged MBR at different operation modes at constant flux and at constant TMP during short period and long -term practical run on a lab scale were studied. Test results suggested that it wasfit for MBRs for long -time operation when MBRs were operatedinsub-critical zone atfixed membrane fluxand under economical TMP ＊ atfixed TMP . Membrane fouling mechanismswere also theoretically analyzed in different operation zones. Keywords submerged membrane bioreactor SMBR , fixed transmembrane pressure, fixed membrane flux andmembrane fouling CHARACTERISTICS OF PROCEDURE DESIGN FOR SHENYANG NORTHERN WASTEWATER TREATMENT PLANTSun Sheng et al 10 Abstract It is introduced in detail that the design capacity, SDAO process and the main parameter of each monomer structure. A circular aeration tank is used for SDAO process and there is a creation in the structural design. The digestion process is also used for the sludge, and the heating of the sludge is scientific. Keywords SDAO process, circular aeration tank and digestion of sludge EXPERIMENTAL RESEARCH ON TREATMENT OF PENICILLIN WASTEWATER WITH THE OF MEMBRANE BIOREACTOR MBRSun Jingmin et al 12 Abstract Based on systematic analysis of the quality of penicillin wastewater, it is studied the start up features and influence factors of treating penicillin wastewater by the processof membrane bioreactor. The result shows that the suitable operation is got on conditions CODCrof the influent is 58 kg m3 d and the concentration of the sludge is in the range of 7～ 12 g L. Keywords penicillin wastewater and membrance bioreactor MBR TREATMENT TECHNOLOGY OF WASTEWATER FROM PRODUCTIONOF TEXTILE PRINTING AND DYEINGWang Zhenchuan et al 15 Abstract Textile printing and dyeing wastewater was treated by the process of coagulation sedimentation -hydrolytic acidification -suspended chain acrating-biocarbon absorption. After treatment by this process, 93 percent CODCris removed from the wastewater and all the inds of the effluent consistently meets the first -order of the National Emission Standard for Pollutants of the Textile Dyeing Wastewaters GB4287 -92. Keywords dyeing wastewater, coagulation sedimentation, hydrolytic acidification, suspended chain aerating and biocarbon EXAMPLE OF TREATING WASTEWATER FROM PRODUCTION OF HYDROGEN PEROXIDE SOLUTIONLiuYanlin et al 17 Abstract It is briefly introduced the charactersof waste water from the production of hydrogen peroxide solution by anthraquinone process. An optimized treatment technology of the waste water is proposed, i. e. the process of oil insulative deposition-air floatation -catalytic oxidation- biocarbon. The actual operations of the engineering and then analyzing the problems during operations are also introduced. Keywords waste water from the production of hydrogen peroxide solution, air floatation, catalytic oxidation and engineering application EXPERIMENTAL STUDY ON THE TREATMENT OF WASTEWATER FROM POLYESTER ALKALI-DECREMENTPROCESS BYHYDROLYTIC ACIDIFICATION -HYBRID MEMBRANE BIOREACTOR PROCESSYang Qiyong et al 20 Abstract A hydrolytic acidification-hybrid membrane bioreactor process was used in the treatment of wastewatr from polyester alkali- decrement process. The results indicated that the CODCrof effluentwas only 26. 6～ 68. 03mg L and the processwas efficient in the total removal of CODCrwith 93～ 98 andTA with 94. TA was hardly biodegradable with removal rate between0. 23～ 6. 02inhydrolytic acidificaton reactor, but ethylene glycol was readily biodegradable with removal efficiency up to 58. 94～ 71. 49. Treated by hydrolytic acidification process, the aerobic biodegradability B C of wastewater had been raised by 0. 137～ 0. 227. On the one hand, porous -flexible suspended carrier potentiated the scour over the surface of membrane and decreased the cake on the membrane;on the other hand, it increased the number of protozoa and metazoa in MBR, which played an effective role in fouling control of the membrane. Keywords alkali -decrement, hydrolytic acidification, mombrane bioreactor, purous flexible suspended carrier, terephthalic acid and wastewater treatment TREATING MUNICIPAL SEWAGE WITH ARTIFICIAL MARSH TECHNIQUE APPLIED IN THE NORTHZhang Xianlong et al 23 Abstract As an ecological treating technique, the artificial marsh system is of good prospects because of its advantages, such as simple facilities, less investment, convenient operation, lower cost of energy and better effect of purification. The artificial marsh systemwas rarely apllied in cold zone in the north. An engineering case of the artificial marsh system applied in the north successfully is introduced. 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23,No. 4, Aug . , 2005