污水膜分離生物技術(shù)的分類與應用

污水膜分離生物技術(shù)的分類與應用

4引發(fā)膜法水電廠膜污染的主要結(jié)構(gòu)污水處理的膜分離生物技術(shù)包括膜分離裝置和生物處理裝置。根據(jù)膜分離裝置和生物處理裝置的變化，有許多分類。根據(jù)膜的使用形態(tài),膜分離活性污泥法分為循環(huán)型和浸漬型兩類。循環(huán)型:膜組件和曝氣槽獨立設(shè)計,活性污泥混合液由循環(huán)泵泵入膜組件,它具有加壓的活性污泥混合液以較高的線速度通過薄流層膜表面,可實現(xiàn)較高的處理水通量,所需膜面積較小,膜組件清洗方便等優(yōu)點;浸漬型:膜組件浸漬于曝氣池內(nèi),真空泵使膜組件內(nèi)部產(chǎn)生負壓,又借助水的位頭構(gòu)成膜處理的推動力,該壓力差可高至50—70kPa。它具有動力費用低,因膜處理水通量較低,膜面耐污染時間長以及污泥濃度管理較易等優(yōu)點。但它的膜處理水通量較低,所需膜面積較大。目前,浸漬型漸成主流。根據(jù)膜分離的形式分為微濾膜生物反應器、超濾膜生物反應器、納濾膜生物反應器和反滲透膜生物反應器。根據(jù)操作壓力膜生物反應器可以分為抽吸式膜生物反應器和加壓式膜生物反應器。根據(jù)膜分離和生物反應器的相對位置可以分為一體式污水膜生物反應器和分體式膜生物反應器。一體式污水膜生物反應器是將膜組件(無外殼膜片)浸沒在生物反應器中,微生物在曝氣池中耗氧降解有機物,水通過負壓抽吸從膜表面進入中空纖維引出反應器,見圖1。分體式污水膜生物反應器是由相對獨立的生物反應器(此為活性污泥法)與膜組件通過泵與管構(gòu)成,見圖2。根據(jù)膜組件的類型可以分為中空纖維膜生物反應器、管式膜生物反應器、板式膜生物反應器和卷式膜生物反應器。根據(jù)生物反應器的需氧性可以分為好氧膜生物反應器和厭氧膜生物反應器。根據(jù)生物反應器的受壓情況可以分為膜加壓生物反應器和膜常壓生物反應器。在膜加壓生物反應器中,生物處理裝置處于密閉加壓狀態(tài),而在膜常壓生物反應器中,生物處理裝置處于常壓狀態(tài)。5生物處理的技術(shù)污水膜生物技術(shù)的主要影響因素有廢水性質(zhì)、生物處理的方式、廢水停留時間、膜材質(zhì)、膜截留分子量、膜組件形式、膜水通量、膜面流速、操作壓力、膜清洗方法、膜清洗周期和溫度等。5.1膜分離技術(shù)的應用污水膜生物技術(shù)多采用小孔徑的膜。它應具有如下性質(zhì):1)不含溶劑和增塑劑等助劑;2)膜水通量大;3)耐水性好;4)化學穩(wěn)定性好;5)抗微生物侵蝕性好;6)機械強度好和柔軟;7)抗污染性好。從膜的荷電性可分為中性膜和荷電膜兩種。荷電膜又分為荷正電膜與荷負電膜。從膜材料親、疏水性可分為親水膜和疏水膜。膜分離技術(shù)的關(guān)鍵是膜和組件的選擇,通常使用的膜材料有:1)醋酸纖維素系;2)乙烯系聚合物和共聚物;3)縮合中性膜材料、聚砜和聚苯乙撐氧;4)脂肪族和芳香族聚酰胺、聚亞酰胺;5)無機膜膜材料,雖然價格較有機高分子膜高,但綜合操作費用,藥液清洗費用和使用壽命等因素,仍顯其優(yōu)越性。值得注意的是,高精度的非織布,因其價格低廉、綜合性能頗好,亦有廣闊的應用前景。目前國內(nèi)研究與生產(chǎn)涉及的膜材料有二醋酸纖維素(CA)、三醋酸纖維素(CTA)、氰乙基纖維素(CN-CA)、聚砜(PS)、磺化聚砜(SP)、聚砜酰胺(PSA)、圈型聚砜(PDC)、聚丙烯睛(PAN)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰亞胺(PI)和陶瓷等。膜組件有板式、卷式、管式(膜內(nèi)徑≥5mm)、毛細管式(0.5mm≤膜內(nèi)徑≤5mm)和中空纖維式(膜內(nèi)徑≤0.5mm)等。5.2抗污染能力好通常,對稱膜由于有些孔表面開孔大,內(nèi)部反而小,因此容易產(chǎn)生膜內(nèi)堵塞,使膜水通量迅速下降,而且很難清洗。對于中空纖維膜而言,雙皮層中空纖維膜中內(nèi)外皮層各存在孔徑分布,使用內(nèi)壓時,有些大分子透過內(nèi)皮層孔,可能在外皮層更小孔處被截留而產(chǎn)生堵孔,引起膜水通量不可逆衰減,甚至用反洗也不能恢復其性能。至于單內(nèi)皮層中空纖維膜,如外表面為開孔結(jié)構(gòu),外表面孔徑比內(nèi)表面孔徑大幾個數(shù)量級,這樣透過內(nèi)表面孔的大分子決不會被外表面孔截留,因而抗污染能力強,而且即使內(nèi)表面被污染,用反洗也很容易恢復性能。因此,膜結(jié)構(gòu)選擇的原則是選擇不對稱結(jié)構(gòu)膜較耐污染。5.3局部滲透率在膜分離過程中,濃差極化與膜污染是經(jīng)常發(fā)生的兩種現(xiàn)象,也是影響膜分離技術(shù)應用的關(guān)鍵。濃差極化是指在分離過程中,料液中的水在壓力驅(qū)動下透過膜,大分子溶質(zhì)被截留,于是在膜表面與臨近膜面區(qū)域濃度越來越高。在濃度梯度作用下,大分子溶質(zhì)從膜面向本體溶液擴散,形成邊界層,使流體阻力與局部滲透壓增加,從而導致水透過流量下降。水向膜面流動(對流)引起溶質(zhì)向膜面流動,當溶質(zhì)向膜面的流動速度與濃度梯度使溶質(zhì)向本體溶液擴散速度達到平衡時,在膜面附近存在一個穩(wěn)定的濃度梯度區(qū),這一區(qū)域稱為濃度極化邊界層,這一現(xiàn)象稱為濃差極化。不難理解,當降低膜兩側(cè)壓差到零,無水透過膜,膜表面溶質(zhì)向本體溶液擴散,過一段時間,膜表面溶質(zhì)濃度與本體溶液溶質(zhì)濃度相等,濃差極化現(xiàn)象消失,因此,濃差極化是一個可逆過程,它只有在微濾和超濾過程中才發(fā)生。另外,通過減小料液中溶質(zhì)濃度,改善膜面流體力學條件,可以減輕濃差極化程度,提高膜的透過流量。5.4污水膜生物工藝條件的研究將膜水通量比作為污水膜生物技術(shù)的最重要參數(shù)一點也不過分。沒有足夠大的膜水通量,污水膜生物工藝的工程應用就失去了經(jīng)濟價值。在膜生物工藝中,影響膜水通量的因素可以分為膜自身性質(zhì)和外界操作條件兩大類。膜自身性質(zhì)有膜的材質(zhì)、膜的分離特性、膜的表面性質(zhì)等。外界操作條件則可分為膜分離操作條件和生物工藝操作條件,污水膜生物工藝中膜分離操作條件類似于傳統(tǒng)膜分離,有污水水質(zhì)、膜面流速、溫度、操作壓力、pH值等,它們對水通量產(chǎn)生直接影響;而生物工藝條件有進水水質(zhì)、泥齡、MLSS濃度等,它們通過影響生物處理出水中有機物濃度、有機物的組成等對膜水通量產(chǎn)生間接的影響。其中,關(guān)鍵因素為膜自身性質(zhì)、物料性質(zhì)、膜面流速。在污水膜生物工藝中,膜的材質(zhì)不僅要耐化學腐蝕,更要耐生物侵蝕,通過膜材質(zhì)的篩選和膜的表面改性,改變膜表面的物理化學性質(zhì),減輕細菌在膜表面和孔隙中的吸附,可以提高膜的水通量,方便膜的清洗和水通量的恢復,同時,膜的孔隙率大,其水通量也大,而膜的分離特性在膜生物工藝中對水通量的影響相對較小。由于膜水通量的復雜性,國內(nèi)外許多研究人員都曾對膜分離中水通量的變化進行了長期模型研究,但沒有理想的結(jié)果。實際上,膜水通量的確定仍然需要經(jīng)過大量實驗。5.5壓力與膜面流速的影響在污水膜分離過程中,壓力與料液流速對膜透水率影響通常是相互關(guān)連的。當流速一定且濃差極化不明顯之前(低壓力區(qū)),膜的透水率隨壓力增加而近似直線增加。在濃差極化起作用后,由于壓力增加,透水率提高,濃差極化隨之嚴重,使透水率隨壓力提高呈曲線增加。當壓力升高到一定數(shù)值后,濃差極化使膜表面形成污染層,此時,污染層阻力對膜的透水率影響起決定作用,透水率隨壓力變化很小,因此要選擇合適壓力與料液流速。操作壓力和膜面流速是傳統(tǒng)膜分離中的重要參數(shù),在污水膜生物工藝中同樣重要,尤其是膜面流速。一般,為膜組件清洗方便,操作壓力基本在0.1—0.2MPa,運行條件盡可能為低壓高流速,以便有效控制膜表面的濃差極化現(xiàn)象,降低透膜阻力,保持較高的水通量。一般認為,當懸浮固體濃度低于某一極限值時,其對水通量的影響就不再重要,該值的具體大小受膜分離形式,其它操作條件等影響差距較大。通常,膜面流速保持在1.5m/s。當污泥為厭氧污泥時,流速還要大一些,對于一體式膜組件則當然不存在膜面流速問題,關(guān)鍵是曝氣強度。5.6膜法水處理技術(shù)的特征在任何膜分離技術(shù)應用中,盡管選擇了較合適的膜和適宜的操作條件,在長期運行中,膜的透水量隨運行時間增長而下降現(xiàn)象及膜孔的堵塞是不可避免的,即膜污染問題必然發(fā)生,因此必須采取一定的清洗方法,使膜面或膜孔內(nèi)污染物去除,達到透水量恢復,延長膜壽命的目的,所以膜清洗方法研究是國內(nèi)外膜應用研究中的一個熱點,已有大量清洗方法與清洗劑配方專利發(fā)表。在清洗程序設(shè)計中,通常要考慮下面兩個因素:1)膜的化學特性,膜的化學特性是指耐酸堿性、耐溫性、耐氧化性和耐化學試劑特性,它們對選擇化學清洗劑、濃度、清洗液溫度等極為重要。一般來講,各膜生產(chǎn)廠家對其產(chǎn)品化學特性均給出簡單說明,當要使用超出說明書的規(guī)定的化學清洗劑時,一定要慎重,先做小實驗檢測是否可能給膜帶來危害。2)污染物特性,這里主要是指它在不同介質(zhì)不同溫度下的溶解性、荷電性、可氧化性和可酶解性等,這樣可有的放矢地選擇合適化學清洗劑,達到最佳清洗效果。膜清洗方法通?？煞譃槲锢矸椒ㄅc化學方法。物理方法一般是指用高流速水沖洗,或?qū)⒛そM件提升至水面上用噴咀噴水沖洗,或用海綿球機械擦洗和反洗(尤其對單皮層中空纖維膜適用)等,它們的特點是簡單易行,近年來新發(fā)展的抽吸清洗方法具有不加新設(shè)備、清洗效果好的優(yōu)點,受到人們青睞。另外,電場過濾、脈沖電清洗、脈沖電解清洗和電滲透反洗研究也十分活躍,具有很好效果。化學清洗通常是用化學清洗劑,如稀堿、稀酸、酶、表面活性劑,絡(luò)合劑和氧化劑等。對于不同種類膜,選擇化學清洗劑時要慎重,以防止化學清洗劑對膜的損害,選用酸類清洗劑,可以溶解除去礦物質(zhì),而采用NaOH水溶液可有效地脫除蛋白質(zhì)污染。膜清洗效果的表征,通常用純水透水率恢復系數(shù)(R)來表達,可按下式計算:R=J/J0×100%其中J為清洗后膜的純水透過通量,J0為膜的初始純水透過通量。5.7日常管理措施一體式污水膜活性污泥法工業(yè)污水處理裝置無須如活性污泥法那樣的污泥濃度管理,曝氣槽溶解氧濃度測定及檢查等日常管理,只須定期進行如下管理:1)機器的檢查;2)真空負壓的檢查,確定膜兩側(cè)阻力有無上升;3)處理水的水量與質(zhì)量(濁度等);4)曝氣槽的檢查;曝氣狀態(tài)的目視確認;風量的確認及用簡易的MLSS計測定污泥濃度。6膜法水處理技術(shù)的應用研究隨著膜材料和膜制造技術(shù)的發(fā)展、膜分離工藝研究的完善和膜清洗方法的改進等,水處理膜分離技術(shù)得到不