平片式膜生物反應(yīng)器對(duì)抗生素廢水的研究
相對(duì)于傳統(tǒng)的污水處理方法,，膜生物反應(yīng)器(MBR)由于其諸多優(yōu)勢(shì)而備受青睞，而與分置式膜生物反應(yīng)器相比,，一體式膜生物反應(yīng)器又具有運(yùn)行能耗低,、不因循環(huán)泵的剪切對(duì)污泥絮體產(chǎn)生不良影響等優(yōu)點(diǎn)。本文采用平片式膜生物反應(yīng)器對(duì)抗生素廢水進(jìn)行了初步研究,。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)裝置與流程
一體式膜生物反應(yīng)器試驗(yàn)裝置與工藝流程如圖1所示,，該試驗(yàn)裝置由生物反應(yīng)器、一體式膜組件,、膜抽吸系統(tǒng)及自動(dòng)控制等系統(tǒng)組成,，其中生物反應(yīng)器為活性污泥鼓風(fēng)曝氣反應(yīng)池,，有效容積為47L，反應(yīng)器中間有一隔板,，一側(cè)放膜組件,，組件下方設(shè)有穿孔管曝氣，在供給微生物分解廢水中有機(jī)物所需氧氣的同時(shí),，在平片膜表面形成循環(huán)流速以減輕膜面污染,。抽吸系統(tǒng)采用型號(hào)BT01-100蘭格蠕動(dòng)泵，對(duì)浸沒于反應(yīng)器的膜組件進(jìn)行抽吸,。自動(dòng)控制部分采用時(shí)間控制器對(duì)抽吸泵及進(jìn)水泵進(jìn)行控制,。一體式MBR中的處理水經(jīng)蠕動(dòng)泵抽吸進(jìn)入凈水池，凈水池的水作為膜沖洗備用,。
1.2試驗(yàn)用水
試驗(yàn)用水為上海某制藥廠抗生素廢水,，稀釋后的廢水基本水質(zhì)情況如表1，進(jìn)水經(jīng)100目篩網(wǎng)過(guò)濾后進(jìn)入反應(yīng)器,。
表1實(shí)驗(yàn)用水水水質(zhì)
1.3試驗(yàn)用膜
試驗(yàn)用膜為平片膜,，由中科院上海原子核研究所膜分離技術(shù)研究開發(fā)中心提供，膜組件自行研制,，平片膜材質(zhì)為PVDF(聚偏氟乙烯),，截留分子量為14萬(wàn)，膜有效面積為0.05m2,。
1.4試驗(yàn)方法
1.4.1水通量的測(cè)定
水通量的測(cè)定由下式得出：
Jθ=Vθ/(A×t)(1)
式中：Jθ—θ℃下所測(cè)定的實(shí)際膜通量;
Vθ—θ℃下在t時(shí)間內(nèi)實(shí)際過(guò)濾液體積;
A—平片膜有效面積,。
在測(cè)定膜水通量時(shí)，為了便于比較試驗(yàn)的不同階段水溫所帶來(lái)的差異,，該試驗(yàn)將不同溫度測(cè)得的數(shù)據(jù)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(shí)的通量;
ηwθ—θ℃下純水的粘度;
ηw20—20℃時(shí)純水的粘度。
注：下文中的通量J皆經(jīng)上式轉(zhuǎn)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(xué)污染及生物污染，對(duì)于不同的反應(yīng)器形式,、生物的不同生長(zhǎng)階段,、不同的組件形式及不同的運(yùn)行方式，占主導(dǎo)地位的污染形式不同,。
在本試驗(yàn)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(xué)清洗等方法全部或部分去除,。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的有關(guān)通量數(shù)據(jù),，用RIS(resistance一in一series)阻力模型計(jì)算出各部分阻力及其所占比例。表達(dá)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(shí)的粘度(μ0=1.0050×10-3Pa·S);
μ1—膜過(guò)濾液粘度,。
測(cè)定過(guò)程如下：
①在不同的抽吸壓力下，用新膜對(duì)純水過(guò)濾,，通過(guò)公式(4)計(jì)算出膜固有阻力;
②用該膜對(duì)反應(yīng)器混合液進(jìn)行過(guò)濾,，利用公式(3)可以得出運(yùn)行過(guò)程中膜總阻力的瞬時(shí)值;
③一定時(shí)間后，把膜組件從反應(yīng)器中取出,，清水無(wú)壓力清洗,，并用柔軟的海綿擦去膜面吸附物，然后對(duì)純水過(guò)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(jié)果和討論
2.1處理效果
用前述工藝流程和試驗(yàn)方法，使用該制藥廠的廢水處理站的污泥接種半個(gè)月后,，直接把PVDF平片膜浸沒于反應(yīng)器中以4+6的周期運(yùn)行(4min抽吸6min停抽),，反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)列于表2。
表2膜生物反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)
在此運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)器中MLSS的質(zhì)量濃度經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后基本維持在15g/L左右,，出水CODcr去除率為86%,。可見,，水中懸浮和溶解的CODcr并沒有在MBR中累積,。但運(yùn)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(dá)到高效降解水中有機(jī)物的目的,。
2.2過(guò)濾過(guò)程中的阻力分析
2.2.1膜固有阻力的測(cè)定
新膜粘結(jié)后，放入純水中浸泡24h以消除環(huán)境對(duì)膜性能的影響,，調(diào)節(jié)抽吸壓力,，連續(xù)測(cè)定5次對(duì)應(yīng)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(yīng)器后總阻力的變化
為了考察PVDF膜在盡量長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行中阻力的變化,，我們把膜組件在設(shè)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(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)抽吸運(yùn)行，由圖3可知,，總阻力經(jīng)大約25min漸趨穩(wěn)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%,。可見,，盡管反應(yīng)器曝氣沖刷對(duì)減弱懸浮固體向膜面吸附遷移有一定作用,，由于很高的懸浮固體濃度，導(dǎo)致較高的粘度(實(shí)測(cè)粘度高達(dá)6.3×10-3Pa·S),，膜污染隨時(shí)間加劇,。
同時(shí)，我們也考察廠PVDF膜在設(shè)定周期(4min抽吸6min停抽)下運(yùn)行,，其間不進(jìn)行任何清洗,，總阻力的變化規(guī)律如圖4所示?？梢?，間歇運(yùn)行27d，阻力達(dá)到5.34×1012m-1,。把連續(xù)抽吸的25min內(nèi)阻力變化延長(zhǎng)至27d,，充分體現(xiàn)了一體式膜生物反應(yīng)器中間歇運(yùn)行中曝氣沖刷膜面的效果。
2.2.3PVDF膜水力清洗及海綿擦洗后的阻力比較
長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,，泥餅阻力是導(dǎo)致膜通量下降的主要因素,。表3所示，在1d的連續(xù)運(yùn)行過(guò)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(fā)的PVDF平片膜組件其優(yōu)點(diǎn)在于能夠通過(guò)簡(jiǎn)單便捷的在線海綿擦洗的方法，消除泥餅阻力,，從而使水通量迅速恢復(fù)接近初始通量,。
表3運(yùn)行過(guò)程中阻力分布的分析
在一體式MBR中，泥水混合液處于循環(huán)流動(dòng)狀態(tài),，在運(yùn)行過(guò)程中,，膜表面泥餅層處于一種動(dòng)態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，形成膜過(guò)濾的主要阻力,，并且由于膜的長(zhǎng)期使用,，形成阻力的因素也具有累積效應(yīng);而且，由于化學(xué)清洗價(jià)格昂貴,、操作復(fù)雜且不可能完全恢復(fù)膜通量,。因此,，海綿定期在線擦洗對(duì)于膜通量的增強(qiáng)非常有利。再者,，從長(zhǎng)期運(yùn)行的角度來(lái)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(shí)踐意義,。
3結(jié)論
①由于膜過(guò)濾對(duì)混合液懸浮固體的完全截留,，盡管原水含有少量抑菌物質(zhì)，出水CODCr去除率仍可達(dá)86%,。
②膜組件長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致膜污染,，因此必須對(duì)其進(jìn)行定期的清洗，而平片膜組件具有清洗高效,。操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
③平片膜組件只需用簡(jiǎn)單的在線海綿擦洗的方法,，便可以部分恢復(fù)膜通量,，從而減少價(jià)格昂貴的化學(xué)清洗，具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值,。
④膜性能指標(biāo)有壓力與通量?jī)蓚€(gè)變量,，而運(yùn)用RIS阻力模型可以統(tǒng)一兩者，因此,，在研究膜生物反應(yīng)器中膜性能時(shí),，用阻力這個(gè)指標(biāo)分析是可行的。
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