1、第35卷第3期2009年3月水處理技術(shù)TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT Vol.35No.3Mar.,200973中空纖維簾式與平板式膜組件在浸沒式MBR 中的對比試用研究鄭宏林1，俞三傳2，周勇1，高從堦1（1. 杭州水處理技術(shù)研究開發(fā)中心，浙江杭州310012；2. 浙江理工大學(xué)，浙江杭州310018）摘要：選取兩種不同結(jié)構(gòu)類型的膜組件進行化工廢水處理的中試應(yīng)用研究，對比研究了MBR 膜系統(tǒng)的最佳氣水比、臨界膜通量、膜系統(tǒng)的分離與處理效果以及膜的污染和清洗方式。中試結(jié)果表明，在該類廢水處理中，中空纖維簾式膜組件的最佳氣水比為24，平板式膜組件的最佳氣水比為20；在

2、同等曝氣強度下，用流量階梯法測得，中空纖維簾式膜組件的臨界膜通量為20L m -2h -1，平板式膜組件的臨界膜通量為25L m -2h -1；兩組膜在處理和分離效果上相差不大；在抗污染性能上，平板式膜組件更具優(yōu)勢，而且平板式膜組件更容易通過物理清洗-空曝氣的方式使膜通量得以部分恢復(fù)，用次氯酸鈉（NaClO ）溶液對膜組件進行化學(xué)清洗，均能獲得較好的通量恢復(fù)效果。關(guān)鍵詞：MBR ；臨界膜通量；膜污染；膜清洗；中空纖維膜組件；平板式膜組件中圖分類號：TQ028.8文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1000-3770(200903-073-04膜生物反應(yīng)器（Membrane bioreactor ，MBR

3、）是將膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)器的生物降解作用集于一體的生物化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。它以超濾或微濾膜組件替代傳統(tǒng)活性污泥法中的沉淀池實現(xiàn)泥水分離。該系統(tǒng)具有處理能力強、固液分離效率高、出水水質(zhì)好、占地空間小、運行管理簡單等特點。目前，MBR 工藝在水資源再生利用方面已發(fā)揮了巨大的作用，運用MBR 工藝技術(shù)來處理生活污水和工業(yè)廢水已突顯成效1-4。鑒于目前已商品化的MBR 分離膜組件結(jié)構(gòu)形式多樣，主要有中空纖維簾式、平板式、管式等幾大類，而且其應(yīng)用也各具特點，這對在實際工程應(yīng)用中膜組件的選購帶來一定困難。本試驗運用浸沒式好氧MBR 工藝技術(shù)來處理杭州某化工廠的工業(yè)廢水，分別選用中空纖維簾式膜組件和平板式膜組件

4、進行對比試驗研究，為規(guī)?；こ虘?yīng)用的膜組件選型提供設(shè)計依據(jù)和運行參考標(biāo)準(zhǔn)。中試設(shè)計規(guī)模為1000L h -1。試驗裝置由調(diào)節(jié)池、好氧池、膜分離裝置、清夜槽、曝氣系統(tǒng)和相關(guān)動力及自動控制設(shè)備組成。廢水由污水泵輸送至調(diào)節(jié)池，然后進入好氧池和膜分離池，混合液在抽吸泵的作用下經(jīng)膜過濾后形成工藝的產(chǎn)水，大部分泥水混合液則通過回流泵流回至好氧池。試驗工藝流程見圖1。圖1試驗裝置工藝流程Fig.1The schematic diagram of experiment試驗中分別采用膜組件A （PVDF ，中空纖維簾式，孔徑0.2m ，膜面積20m 2）和膜組件B （PVDF ，平板式，孔徑0.08m ，膜面積

5、28m 2）來進行試驗。試驗進水的COD 范圍400700mg L -1，初始1試驗裝置與方法1.1試驗工藝流程與條件收稿日期：2008-10-06作者簡介：鄭宏林（1978-），男，碩士，工程師，主要從事膜分離和水處理技術(shù)研究開發(fā)工作；E-mail ：honglinzheng聯(lián)系作者：俞三傳，E-mail ：yuschn。 74接種污泥濃度為1500mg L -1左右。水處理技術(shù)第35卷第3期由圖2可以看出，在一定曝氣強度范圍內(nèi)，隨著試驗工況與運行參數(shù)膜裝置的運行方式為間歇式，抽吸8min ，停止2min 。整個試驗的水力停留時間（HRT ）為8h ，膜運行2初始通量設(shè)定為25L m h -

6、1。系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，反應(yīng)器L -1。內(nèi)污泥濃度（MLSS ）維持在50008000mg1.2氣水比的提高，比膜通量也隨之提高，跨膜壓差（TMP ）的增加速率減緩，即膜污染發(fā)展速率隨曝氣強度增加而降低。但當(dāng)曝氣強度上升到一定程度時，比膜通量增加不再明顯。分析原因可能是：當(dāng)曝氣強度較低時，錯流流速產(chǎn)生的水力剪切作用不能有效防止大量污泥絮體在膜表面的沉積，膜污染主要是以污泥層阻力為主；而當(dāng)曝氣強度過高時，污泥絮體被強大的剪切力所破碎，細(xì)小污泥顆粒和膠體類物質(zhì)增多，這些物質(zhì)更容易引起膜孔的吸附和堵塞，從因此當(dāng)曝氣到達一臨界值后，再繼而使膜污染加劇。續(xù)增加曝氣量對MBR 系統(tǒng)已沒有實際意義，Jung-m

7、in 等7也報道了與本試驗類似的研究結(jié)果。經(jīng)測定，試驗中A 、B 兩組膜的最佳曝氣量分別為12.0m 3h -1和14.0m 3h -1，即在此類廢水處理中，膜系統(tǒng)的最佳氣水比分別為24和20。2結(jié)果與討論2.1膜系統(tǒng)最佳氣水比在浸沒式MBR 工藝中，曝氣有兩個作用：一是提供微生物代謝所需的氧氣；二是產(chǎn)生錯流，去除或減少膜表面的污泥層，減緩膜的污染速率5。Hong S P 等6觀察到在較高曝氣量下產(chǎn)生的剪切力會加快污染物脫離膜表面的速度，并指出有臨界曝氣量存在，當(dāng)超過該曝氣量，膜通量增加就不明顯，而且太大的曝氣量會提供過量的溶解氧，也不利于反硝化作用。對于浸沒式MBR 工藝，其能耗主要來自曝因

8、此確定系氣，約占整個系統(tǒng)總能耗的80%90%，統(tǒng)的最佳曝氣量是十分必要的。試驗中膜的初始通量均設(shè)定為25L m -2h -1，即膜組件A 的初始通量為500L h -1，膜組件B 的初始通量為700L h -1。采用不同的氣水比（每透過1m 3水所提供的曝氣量）對膜組件運行，分別考察了兩組膜的比膜通量（單位時間、單位操作壓力下每平L m -2h -1kPa -1）和運行方米膜面積所透過的水量，時間的相互關(guān)系，其結(jié)果如圖2所示。 臨界膜通量最初提出的臨界流量假設(shè)8（Field 等，1995）僅僅斷言，在低于臨界流量的條件下運行的分離膜不會出現(xiàn)膜污染。雖然當(dāng)初這一假設(shè)只是包含了水力學(xué)引起的膜污染因

9、素，但是毋庸置疑，臨界流量的假設(shè)仍然是膜生物反應(yīng)器工藝長期運行的指針。實踐也證明，絕大多數(shù)浸沒式膜生物反應(yīng)器工藝能在亞臨界通量區(qū)長期穩(wěn)定地運行9。本試驗采用流量階梯法10-11分別對兩組膜的臨界膜通量進行了測定，測定過程與結(jié)果如圖3所示。 2.2k P aL m/k P a/hk P a /hh/k P aL m/h圖2（b ）膜組件B圖2不同氣水比下比膜通量與運行時間的關(guān)系Fig.2Relationship between membrane flux and running timeat different ratio of gas to permeated effluent/h圖3（b ）

10、膜組件B圖3流量階梯法測定臨界膜通量Fig.3Critical flux determination by the flux-step method/L h/L hh鄭宏林等，中空纖維簾式與平板式膜組件在浸沒式MBR 中的對比試用研究在同等曝氣強度（均為0.5m 3m -2膜面積）條件下，經(jīng)試驗得出，膜A 的臨界膜通量為20L m -2h -1，膜/k P a75B 的臨界膜通量為25L m -2h -1。試驗結(jié)果也與以上得出的氣水比試驗結(jié)果具有較好的吻合性。2.3出水水質(zhì)膜反應(yīng)器好氧池內(nèi)的泥水混合液經(jīng)膜過濾后形成工藝的出水。通過對產(chǎn)水水質(zhì)分析，結(jié)果表明該處理工藝具有較好的生化、物理去除效果。

11、經(jīng)與該化工廠用傳統(tǒng)活性污泥法處理后的水質(zhì)比較（見表1），本試驗得到的產(chǎn)水水質(zhì)要明顯好于傳統(tǒng)方法處理后的產(chǎn)水水質(zhì)。表1水樣分析結(jié)果Table 1Results of samples analysis 指標(biāo)原水膜A 產(chǎn)水154031001膜B 產(chǎn)水183531001傳統(tǒng)方法產(chǎn)水3027583015901060COD/mgL -1400700NH 3-N/mgL -1306030180SS/mgL -12090濁度/NTU/h圖4跨膜壓差與運行時間關(guān)系Fig.4Relationship between trans-membranepressure (TMPand running time洗。膜清洗的

12、目標(biāo)是清除膜表面的污染層，恢復(fù)或提高膜的水通量。本試驗中當(dāng)膜運行的跨膜壓差超過60KPa 時，裝置停止運行，對膜組件進行清洗。清洗分為物理清洗和化學(xué)清洗，清洗方法對比膜通量的恢復(fù)影響如圖5所示。k P a膜反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度使得生化處理效果十分理想，有機物的去除率明顯提高，再加上精密的膜過濾，使得產(chǎn)水水質(zhì)更加優(yōu)化。本試驗中，MBR 系統(tǒng)對有機物（COD ）的去除率均在90%以上，對氨氮（NH 3-N ）的去除率也基本維持在80%以上。而運用傳統(tǒng)方法處理后的產(chǎn)水COD 和NH 3-N 的去除率變化幅度較大，這可能由于傳統(tǒng)方法處理時水的溫度、pH 、DO 等條件的波動，引起水體污泥膨脹，造成沉

13、淀效果不佳，大部分污泥流失，最終導(dǎo)致生化處理效果直接下降。本試驗應(yīng)用的MBR 工藝克服了傳統(tǒng)處理方法的以上不足之處，這也是該工藝得以應(yīng)用推廣的因素之一。通過對比試驗還發(fā)現(xiàn)，采用不同孔徑的MBR 分離膜，對實際產(chǎn)水水質(zhì)影響不大，這與膜運行中污泥在膜表面形成的沉積層也起了一定的分離作用有關(guān)。2.4膜污染與膜清洗膜污染是膜運行中一系列增加膜阻力因素的總稱。MBR 膜在運行一段時間以后，膜表面和膜孔內(nèi)會不可避免地被污染物堵塞，導(dǎo)致膜通量逐漸下降，直至不再出水12。膜污染縮短了膜的使用壽命，直接導(dǎo)致泵的抽吸水頭和曝氣量的增加，這也是造成MBR 能耗增加的主要原因。圖4示出了本試驗的MBR 中試系統(tǒng)跨膜壓

14、差（TMP ）隨運行時間（連續(xù)運行80d ，每2天記錄一次壓差）的變化關(guān)系。為了維持膜系統(tǒng)長期正常運行，當(dāng)跨膜壓差（TMP ）上升到一定程度時，必須對膜組件進行清/L m h圖5不同清洗方式對膜通量恢復(fù)影響Fig.5Influence of cleaning methods on membrane flux recovery物理清洗：物理清洗主要通過停止產(chǎn)水，對膜系統(tǒng)空曝氣，使得沉積在膜表面的污染物在高錯流速率的氣、水剪切力作用下得以去除，從而使膜通量得到一定程度的恢復(fù)。試驗結(jié)果表明，平板式膜組件通過空曝清洗后，通量恢復(fù)效果要比中空纖維簾式膜好?；瘜W(xué)清洗：由于實際水體中污染物主要以有機物為主，

15、因此采用次氯酸鈉溶液作為清洗液，pH 為1011左右。清洗方法：配制300500mg L -1次氯酸鈉溶液，調(diào)節(jié)pH ，浸泡膜組件10h ，重新啟動運行，通量都恢復(fù)在90%以上。3結(jié)論試驗表明，浸沒式MBR 技術(shù)可成功用于化工廢水的處理。對于本文的試驗廢水，MBR 膜系統(tǒng)A 、B 兩組膜的最佳氣水比分別為24和20；在同等曝氣強度條件下，測得A 膜的臨界膜通量為20L m -2h -1，B 膜的臨界膜通量為25L m -2h -1。通過上清液與膜產(chǎn)水水質(zhì)分析比較發(fā)現(xiàn)，膜反76水處理技術(shù)5第35卷第3期TATSUKI UEDA KLNJI HATA, et al . Effects of aer

16、ation on suc-tion pressure in a submerged membrane bioreactor J.WatRes., 1997,31(3:489-494.HONG S P, BAE T H, TAK T M, et al . Fouling control in activat-ed sludge submerged hollow fiber membrane bioreactors J.De-salination,2002,143:219-228.Jungmin L, Won-young A, Chung-hak L, et al Comparison of th

17、e filtration characteristics between attached and suspended growth microorganisms in submerged membrane bioreactor J.Wat Res.,2001,35(10:2435-2445.應(yīng)器中有機物的去除主要依靠生化降解過程，膜對有機物（COD ）具有一小部分的截留去除作用，但是采用不同孔徑的分離膜對產(chǎn)水水質(zhì)影響不大。中空纖維簾式膜組件的清洗周期為2個月左右，平板式膜組件的清洗周期為3個月以上，且平板式膜組件更容易通過物理清洗的方法使膜通量得到恢復(fù)，化學(xué)清洗對兩組膜的通量恢復(fù)均在初始通量

18、的90%以上。對比試驗表明，在同等工況運行條件下，用平板式膜組件處理該類廢水具有比膜通量更高、跨膜壓差更小、膜清洗周期長等特點。因此，對于本試驗所處理的廢水，選用平板式膜組件更具優(yōu)勢。678Field R W, Wu D, Howel1J A, et al Critical flux concept formicrofiltration fouling J.Journalof Membrane Science,1995, 259-272. 100：Cho B D, Fane A G Fouling transients in nominally sub-critical flux operat

19、ion of a membrane bioreactor J.Journalof Membrane Science,2002,209:391-403.9參考文獻：1234曾一鳴. 膜生物反應(yīng)器技術(shù)M.北京:國防工業(yè)出版社,2007:8-12.S Adham, et a1. Feasibility of the membrane bioreactor processfor water reclamationJ.WatSci Tech.,2001,43(10:20-32岑運華. 膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用J.水處理技術(shù), 1991,17(4：23-26.Yamamoto K, Hiasa M,

20、 Mahmood T, et al . Direct Solid-Liquid Separation Using Hollow Fiber Membrane in an Activated Sludge Aeration TankJ.WatSci Tech.,1989,21:43-54.10Pierre L C, Bruce J, Chang I S, et a1Critical flux determinationby the flux-step method in a submerged membrane bioreactorJ.Journal of Membrane Science,20

21、03,227:81-93.11Defrance L, Jaffrin M Y. Comparison between filtrations at fixedtrans-membrane pressure and fixed permeate flux ：application to a membrane bioreactor used for wastewater treatment J.Journalof Membrane Science,1999,152:203-210.12Nagaoka H, et a1Fouling process in membrane separation ac

22、ti-vated sludge system J.5thsymposium on pollution and purifica-tion of environmental waters,Gumma,1998,5:21-22. COMPARATIVE PILOT TESTS ON A SUBMERGED MEMBRANE BIOREACTOR (MBRSYSTEM OFHOLLOW FIBER AND FLAT SHEET MEMBRANE MODULEZHENG Hong-lin 1, YU San-chuan 2, ZHOU Yong 1, GAO Cong-jie 1(1.TheDevel

23、opment Center of Water Treatment Technology, Hangzhou 310012, China;2.Zhejiang Sci-Tech University., Hangzhou 310018, ChinaAbstract:Pilot waste water treatment tests were conducted through submerged membrane bioreactor (MBRwith two membrane modules namely hollow-fiber membrane module and flat-sheet

24、membrane module. Comparative studies were also conducted with the two different MBR modules in terms of the optimal ratio of gas to permeated effluent, critical membrane flux, the quality of the permeate, membrane fouling and membrane cleaning . The results showed that the optimal ratio of gas to permeated effluent was 24and 20for hollow-fiber and flat-sheet membrane modules, respectively. The critical membrane flux, which was determined under the same aeration intensity, was 20L m -2h -1and 2