浸沒式雙軸旋轉(zhuǎn)厭氧膜生物反應(yīng)器的研究.pdf

1、厭氧膜生物反應(yīng)器(Anaerobic Membrane Bioreactor，AnMBR)是一種處理高濃度有機廢水的有效方法，已成為國外如WERF( Water Environmental ResearchFoundation)等協(xié)會研究的重點之一。浸沒式MBR由于能耗低、過膜壓差(TMP)低和小的占地面積而得到了廣泛的應(yīng)用。但AnMBR的運行方式目前在國內(nèi)外幾乎以外置式為主。是因為浸沒式AnMBR的膜污染控制始終無法真正有效地得以解決

2、，而限制了它的應(yīng)用。因此為了控制、解決浸沒式AnMBR中的膜污染問題，我們研發(fā)了一套浸沒式雙軸旋轉(zhuǎn)厭氧膜生物反應(yīng)器(Submerged Double-shaftRotary Anaerobic Membrane Bioreactor，SDRAnMBR)。系統(tǒng)內(nèi)裝填平板超濾膜，內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)膜組件采用雙軸同向旋轉(zhuǎn)，由膜旋轉(zhuǎn)形成的湍流可削弱膜表面的濃差極化及凝膠層的形成，從而有效地控制膜污染，使膜污染降低到最低程度?？蓪⒔]式厭氧膜生物反應(yīng)器的

3、概念進行真正意義上的落實。我們利用開發(fā)的SDRAnMBR處理模擬啤酒廢水，系統(tǒng)研究了SDRAnMBR的啟動特性、處理啤酒廢水的運行效能、膜污染性能及膜污染機理，主要研究成果如下： (1)設(shè)計開發(fā)了一套SDRAnMBR系統(tǒng)，容器容積120L。有效容積100L，內(nèi)置的雙軸旋轉(zhuǎn)平板超濾膜組件的最大膜面積2.4m2，雙軸旋轉(zhuǎn)最大速度500rpm，最高的平均剪切流速理論值為4.4m/s，滿足了一般料液的處理要求。適合用來處理高懸浮物含量、

4、中高濃度的料液。雙軸旋轉(zhuǎn)膜組件是本系統(tǒng)的關(guān)鍵和創(chuàng)新部分。 (2)由SDRAnMBR的動力學特性的理論分析表明：雙軸旋轉(zhuǎn)膜組件在AnMBR中動力學流場中，會產(chǎn)生均勻化效應(yīng)、交錯振動效應(yīng)和三相旋轉(zhuǎn)流效應(yīng)。由于他們的協(xié)同作用，強化了旋轉(zhuǎn)流的剪切、紊動、振動和傳質(zhì)特性。阻止了復合渦流的產(chǎn)生，降低了滲透反壓，可解決單軸旋轉(zhuǎn)膜組件存在的問題。在一定程度上可實現(xiàn)提高膜面流速、降低濃差極化層厚度和滲透液主體濃度以及膜內(nèi)外的滲透阻力，從而能最大限

5、度降低濃差極化，提高了滲透通量。 (3) SDRAnMBR具有良好的啟動特性。與常規(guī)厭氧生物反應(yīng)器的啟動試驗研究對比表明：SDRAnMBR啟動速度快，僅用了26天；耐沖擊負荷能力強：COD去除率高于常規(guī)厭氧生物反應(yīng)器，穩(wěn)定在92％以上，約高10％；反應(yīng)器運行穩(wěn)定，未發(fā)生酸化現(xiàn)象；且出水揮發(fā)酸(VFA)和出水的堿度可以在較大的范圍變動而不會發(fā)生酸化現(xiàn)象。出水堿度為1200～2600mg/L，出水VFA在200～600mg/L范圍內(nèi)

6、，出水堿度/VFA在3.5～6.5之間。而常規(guī)厭氧生物反應(yīng)器則易發(fā)生酸化現(xiàn)象，反應(yīng)器運行穩(wěn)定性較差。建議直接采用膜生物反應(yīng)器啟動厭氧反應(yīng)器。 (4) SDRAnMBR對啤酒廢水有著好的處理效果，負荷提高快，有機物去除率高，系統(tǒng)的耐沖擊負荷的能力強，而且運行非常穩(wěn)定。在正常運行期間，進水COD在2900～5200mg/L，容積負荷為4.97～12.48kgCOD/m3.d，COD的去除率平均為95.15％。膜的截留作用和三相旋轉(zhuǎn)流

7、的共同作用，加強了在高污泥濃度(MLSS)和高負荷下運行時的混合和傳質(zhì)，從而強化了浸沒式AnMBR在高MLSS和容積負荷下運行的穩(wěn)定性和出水水質(zhì)。 (5) SDRAnMBR具有良好的抗膜污染性能。其運行特點為，在一定HRT、MLSS濃度、膜旋轉(zhuǎn)速度下，系統(tǒng)膜通量和TMP不變，能長期穩(wěn)定運行。此試驗條件下最佳操作參數(shù)為：水力停留時間(HRT)為10h，容積負荷(10.52～12.09kgCOD/m3.d)，MLSS(18～19.5

8、g/L)，膜旋轉(zhuǎn)速度為150rpm.膜通量(30.75～31.31L/m2.h)，TMP(12～13kPa)。由此可見，采用SDRAnMBR處理廢水，能大幅度減輕浸沒式AnMBR在高MLSS和高容積負荷下運行的膜污染，實現(xiàn)了在較低膜旋轉(zhuǎn)速度、較短的HRT、較大的容積負荷、較大的MLSS、較大的膜通量和低TMP下的浸沒式AnMBR的長期穩(wěn)定運行。 (6) SDRAnMBR中良好動力學特性(均勻化效應(yīng)、交錯振動效應(yīng)、三相旋轉(zhuǎn)流效應(yīng))

9、、膜的截留作用和厭氧顆粒污泥的協(xié)同作用的結(jié)果，能大大減輕由剪切力過大對污泥活性的影響，并提高了污泥活性；抑制了胞外聚合物(EPS)在污泥混合液中由于MLSS增大而造成的快速積累，同時也抑制了污泥粘度的快速增大。使之能在一定MLSS和污泥粘度范圍內(nèi)膜過濾阻力保持不變。從而大幅度減緩了膜污染。并使之能在較高的MLSS(18～19.5g/L)、較高的EPS濃度(50.9～63.9 mg/gMLSS)、較小的污泥顆粒粒徑(4.00～36.54μ

10、m)和較大的污泥粘度(6.6～7.5mPa-s)時穩(wěn)定運行。進一步說明SDRAnMBR強化了膜組件的抗污染性能。 (7)提出了SDRAnMBR的膜污染機理。一是膜污染阻力占總阻力的89.68％。其中外部阻力(即濃差極化阻力和泥餅阻力之和)是膜污染的主要成部分，占到總阻力的76.34％。膜本身阻力和內(nèi)部阻力與外部阻力相比所占比例較小，分別占總阻力的10.32％和13.34％。因此污染阻力主要是由泥餅層引起的，整個過濾過程以泥餅層控

11、制為主。經(jīng)過146天的運行，膜表面泥餅層仍然較薄而且松散，膜污染速率緩慢，膜污染較輕，過濾阻力隨時間的增大的速率非常緩慢，并在一定膜轉(zhuǎn)速下，過濾阻力保持不變。證實了本MBR系統(tǒng)能有效地減小濃差極化和避免污泥顆粒在膜表面的沉積，有效控制膜污染；二是在SDRAnMBR運行的146天里，只發(fā)生了階段1(短時間快速TMP上升)和階段2(長期慢速的TMP呈線性上升)，階段3(突然的快速的TMP上升)未發(fā)生。即把階段l的膜污染限定在了更短的時間范圍

12、內(nèi)(40min);大幅度延長了階段2的操作時間，并使會導致過濾無法繼續(xù)的階段3未發(fā)生。達到了MBR可持續(xù)操作的要求。 總體來說，SDRAnMBR能最大限度減輕和控制浸沒式AnMBR的膜污染，使之能夠在低污染情況下和高負荷下長期穩(wěn)定運行，并保持穩(wěn)定的運行通量；可較長期的運行而不需清洗，使能耗大幅度降低；成功地解決了浸沒式AnMBR膜污染控制存在的問題，使之成為高效、穩(wěn)定的厭氧MBR系統(tǒng)。證實了對SDRAnMBR動力學特性的理論分析