膜生物反應器的開發除了涉及生物處理理論和膜過濾理論問題外,真正能開發成產品的關鍵 是如何克服膜的污染和堵塞,使膜能長時間維持較大的通量,即在保持正常通量的情況下,盡量能延長膜的壽命;同時要降低曝氣量,以減少工藝的電力消耗[1]。
本研究擬檢驗國產膜的可應用性,同時省去傳統的出水抽吸泵[2],采用位差驅動出水,省去復雜的氣或水反沖洗設備,低水頭間斷工作,盡量降低曝氣量和動力消耗,以使開發的設備盡快投入實際應用。
1 試驗方法和材料
設備如圖1所示。反應器為聚氯乙烯塑料制造,矩形截面柱體(截面積為0.3m2),有效水深H=3.6~3.9 m,有效容積V=1.08~1.17m3(浮球閥液位控制器控制反應器的比較高和比較低水位,高低水位差為0.3m),反應器內置6只中空纖維膜膜組件。膜出水靠水位差驅動,集水管統一收集出水,出水流量由流量計調節控制。?
試驗中采用的中空纖維膜組件及其特性如表1所示。
膜材質 | 膜孔直徑(μm) | 組件表面積(m2) | 制造商 |
聚偏氟乙烯(PVDF) | 0.22 | 2.0 | 天津紡織工學院 |
中空膜生物床處理生活污水試驗在1998年6月至1998年11月期間共采集數據約150d。設計出水流量200 L/h,采用間歇運行方式,運行期間無反洗,無人工及化學藥劑清洗。原水采用人工配制模擬生活污水(見表2)。
成分 | C | CO(NH3) | KH2PO4 | CaCl2 | MgCl2 | CuSO4 |
濃度 | 300 | 22.5 | 7.32 | 0.8 | 1.0 | 0.002 |
試驗裝置運行的其他條件:?
、 曝氣紊流:運行出水期間曝氣氣水比35∶1。
、 低壓出水:出水流量采用閥門、流量計控制恒定,人為降低了出水水頭。
、 間歇運行:7min出水,3min停止出水空曝。
1.3 水質分析方法
COD分析采用重鉻酸鉀法,氨氮分析采用納氏試劑比色法,溶解氧分析采用JPB-607便攜式溶解氧分析儀,pH值分析采用PHS-2C精密級酸度計,濁度分析采用GDS-3B光電濁度計,細菌分析采用平板計數法。
2 試驗結果與討論
為了解國產膜的透水特性,用清水研究了出水水位差與膜出水量間的關系。在清水試驗中,出水水位差與膜通量間呈直線關系,直線的斜率稱為膜的比通量,即單位水位差、單位面積、單位時間的出水量。國產膜與國外膜的比通量比較見表3。從表中可見,該膜比通量較大,但機械強度較低,易于折斷。
表3 不同來源膜組件的清水試驗
膜來源 | 國產聚偏氟乙烯膜 | 加拿大膜 | 日本膜 |
膜比通量[L/(h.m2.m)] | 27.28 | 15.36 | 12.79 |
2.2 COD的降解和反應器中的MLSS變化
運行期間進水COD的平均值為366.4 mg/L,比較大值為780.9 mg/L,比較小值為228.0 mg/L。出水COD的平均值為13.1mg/L,比較大值為25.2mg/L,比較小值為4.4mg/L,COD的平均去除率為96.0%;沖擊負荷對出水COD去除沒有影響,這說明系統的穩定性和可靠性。試驗結果如圖2所示。
從運行結果看,國產膜分離性能良好,運行過程中無剩余污泥排放,MLSS變化如圖3所示。
平板記數法檢測出水細菌總數共三次(前期、中期、后期),細菌總數均<10個/mL,見表4.試驗結果表明,采用膜生物反應器后,出水不需消毒,可直接回用。
表4 不同運行時間的細菌分析結果
運行時間(d) | 2 | 51 | 106 |
出水細菌總數(個/mL) | 8 | 0 | 3 |
2.4 出水濁度
出水濁度的分布如表5所示。95%的出水濁度<1.0NTU。試驗中濁度>1.0NTU的情況都與裝置調整有關:重新啟動真空系統或調整浮球閥等。
表5 出水濁度分布
濁度范圍(NTU) | 0 | 0-1 | 1-2 | >2 |
頻率(%) | 69 | 26 | 2 | 3 |
2.5 膜通量變化與COD沖擊負荷
在正常運轉的情況下,采用出水控制閥控制出水流量衡定,此時出水流量為200 L/h,折合膜 通量16.7 L/(m2·h)。在出水控制閥全開的情況下,出水流量可以達到350L/h,折合膜通量29.2L/(m2·h)?紤]到工作水頭,國產膜的性質與加拿大Zenon膜類似,而劣于日本Kubota板式膜[3]。研究COD沖擊負荷時,短時間全開閥門,以觀察比較大流量的變化,從而了解膜阻力的變化,如圖4所示。?
在正常負荷條件下,比較大出水量非常緩慢地下降。從裝置開始運行到第83 d,每天平均降低幅度約為0.6 L/d;而當沖擊負荷出現后,比較大出水量呈現下降趨勢,大約2d之后,出現大幅度下降,每天平均降低幅度高達7 L/d;當進水負荷正常之后,比較大出水量逐步回升。圖5中給出沖擊負荷出現之后反應器內MLSS的變化情況。
關于膜通量降低的原因可分析如下:COD沖擊負荷使反應器內活性污泥濃度迅速增加,微生物進入生命活動旺盛的對數增長期,細胞繁殖速度加快,MLSS迅速增大說明了這一點。污泥濃度的提高增加了混合液的粘度,從而使液—固分離困難;同時處于對數增長期的污泥活性 高、有大量細胞外聚合物存在[4],增加了膜過濾阻力,也是膜比較大出水量降低的原因。
2.6 氨氮的去除
在膜生物反應器中,由于污泥泥齡長,而且溶解氧充足,有利于硝化菌生長,因此氨氮去除良好。試驗期間內,進水氨氮濃度為10~20mg/L,其平均值為16mg/L,出水氨氮濃度<1mg/L,氨氮去除率在97%以上。
3 膜生物反應器的經濟分析
膜生物反應器技術具有出水水質良好、運行管理簡單、占地面積小等優點,是污水回用的適用技術。本研究對一個規模為806m3/d居住區污水回用工程分別采用厭氧→好氧→絮凝→沉淀→過濾→消毒工藝(以下簡稱工藝1)和中空膜生物床工藝(以下簡稱工藝2)進行了初步設計,同時進行了經濟分析和比較。經濟分析和比較依照有關手冊進行[5]。就出水水質而言,工藝2出水的濁度、SS、COD和NH3-N優于工藝1,但是出水中的NO3--N會劣于工藝1。經濟分析比較的主要結論見表6。
比較項目 | 工藝1 | 工藝2 |
主要構筑物的基建投資(萬元) | 110.68 | 39.72 |
主要設備、材料的基建投資(萬元) | 76.60 | 7.30 |
總基建投資(萬元) | 187.28 | 47.02 |
單位處理水量的基建投資[元/(m3.d)] | 2325 | 583 |
單位處理水量的電力消耗(kW.h/m3【生活污水處理設備】) | 0.631 | 0.988 |
單位處理水量的運行費用(元/m3) | 1.08 | 1.50 |
注 *膜的費用計入運行費用 。 |
根據以上分析可以看出,工藝1的總基建投資是工藝2的2.78倍。由于目前國產膜組件的成本較高且工作壽命較低,更換膜組件的費用占了運行費用的約50%,如果膜組件的費用可以減低20%,工藝2的運行費用與工藝1的基本持平。由于工藝2的基建費用低,它的企業內部收益率高于工藝1。?
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