無泡曝氣膜生物反應(yīng)器在造紙白水上的應(yīng)用前景
摘要：采用中空纖維膜作生物膜載體及無泡曝氣反應(yīng)器，利用具有死端和漂浮特點的浸沒式接觸氧化工藝，進行污水處理試驗研究。初步探討了其除污機理，對本工藝造紙白水中固體懸浮物的處理效果、膜污染情況進行了考察。系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行30d，產(chǎn)水水質(zhì)良好，產(chǎn)水濁度小于0.1NUT，且運行穩(wěn)定。用超濾水在0.05Mpa下反洗，取得理想的效果，這說明此工藝在實際生產(chǎn)中可以運用，對白水進行循環(huán)回用，實現(xiàn)零排放。
關(guān)鍵詞：無泡曝氣 浸沒式纖維簾式膜 零排放 產(chǎn)水濁度 膜通量
造紙廠污水是重要的環(huán)境污染源，屬于環(huán)保重點監(jiān)控的范圍。傳統(tǒng)的污水處理方式占地面積大、工程造價和運行成本高，并且處理不徹底。采用先進技術(shù)更新改造傳統(tǒng)的造紙污水處理工藝，降低造紙企業(yè)污水處理成本，提高企業(yè)競爭力已迫在眉睫。
常規(guī)生物膜技術(shù)的曝氣方法，不但會使生物膜脫落，也會使溶液中的揮發(fā)性有機物由于氣提作用帶到空氣中，且傳統(tǒng)的鼓泡供氧系統(tǒng)處理污水中，供氧費用占總運行費用的60%～80%，而氧的利用率只有8%～15%；诔Ｒ(guī)生物膜技術(shù)的曝氣方法存在的問題，本文采用浸沒式纖維膜作為生物膜載體，及無泡供氧于一體的生物膜反應(yīng)器污水處理裝置。處理造紙白水的分析結(jié)果表明：TOC、COD的去除率分別達到78%～96%、88%～94%，而電導(dǎo)率的下降率達95%～97%，實現(xiàn)廢水零排放，具有重大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。同時該工藝因具有處理效率高、耐沖擊負荷性能好、產(chǎn)泥量低、操作簡單方便、自動化程度高、投資省、運行費用低等優(yōu)點，因此具有很強的實用性。
一、工藝原理
無泡曝氣生物反應(yīng)器，簡稱為MABR，由中空纖維膜填料部分和水流部分組成。生物膜所需要的氧氣是通過纖維束填料供給的，中空纖維膜不僅起著供氧作用，同時又是固著生物膜的載體。純氧或空氣通過中空纖維膜的微孔為生物膜進行無泡曝氣，在中空纖維膜的外側(cè)，生物膜與污水充分接觸，污水中所含的有機物被生物膜吸附和氧化分解，從而使污水得到凈化。
1、供氧方式
由于纖維膜微孔直徑很小，為0.1～0.5um，曝氣產(chǎn)生肉眼不可見的氣泡，因此稱為無泡供氧。
中空纖維膜供氧有貫通式和閉端式兩種方式：貫通式MABR內(nèi)中空纖維膜兩端分別被固定在雙層夾板上，氣體由一端夾板持續(xù)通入膜內(nèi)腔，一部分氣體被生物膜消耗，剩余部分從另一端的夾板排出。由于該方式中有氣體剩余，更適用于空氣供氧；閉端式MABR內(nèi)中空纖維膜一端被固定在雙層夾板上，另一端密封，氣體經(jīng)夾板從纖維膜開口端通入，在壓力作用下全部進入反應(yīng)器，所以更適用于純氧曝氣。此外，該方式中纖維束呈流化態(tài)，反應(yīng)器不易堵塞。兩種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2、氧及底物的傳遞
由于中空纖維膜具有疏水性和微孔性兩個特征，所以在氣體通過膜內(nèi)腔時，膜壁上的微孔保持干燥并充滿氣體，并由這些微孔將氣體傳遞到中空纖維膜的外側(cè)，即附著的生物膜內(nèi)。在生物膜內(nèi)，氧氣和底物在微生物的作用下被消耗，形成了溶解氧梯度，此梯度就是氧傳遞的推動力。
氧的傳遞速率公式如下：
dC/dt =K1A(C*-C) 式中：
dC/dt——氧的使遞速率，mg／(L.s)
K1——氧轉(zhuǎn)移系數(shù)，m／s；
A ——反應(yīng)器的比表面積，m3／m3；
C*——纖維膜中氣液界面的溶解氧質(zhì)量濃度，mg／L；
C ——液相中溶解氧的質(zhì)量濃度，mg／L。
其中K1由水流速度和水流與中空纖維膜的相對位置決定。Tariq Ahmed(1994)經(jīng)試驗得出：提高水流速度或改平行流為切向流(Crossflow)可獲得較大的K1；因為切向流情況下，纖維膜在水流方向的投影面積遠大于平行流，且濃度邊界層只存在于纖維膜橫截面方向。
底物質(zhì)量傳遞的推動力是液相與生物膜內(nèi)的底物濃度梯度。傳質(zhì)阻力主要是液相邊界層的影響。當停留時間很長時，液相流速小，邊界層厚度大，傳質(zhì)效率低。反之，停留時間短時，傳質(zhì)效率高。
采用中空纖維膜作載體，有機物和氧分別從生物膜的兩側(cè)進入膜內(nèi)部。在生物膜外層，有機物濃度最大而溶解氧濃度最小，生物膜內(nèi)層深處正好相反。這樣，好氧微生物的兩個生長控制因素得以相互協(xié)調(diào)和抑制，其結(jié)果是使生物膜協(xié)調(diào)地生長在一個相對固定的厚度范圍內(nèi)，不會因為底物濃度過大而形成嚴重堵塞。除此之外，中空纖維膜還具有很大的比表面積，并可在生物膜內(nèi)形成很高的生物量。
3、中空纖維生物膜及無泡曝氣的特點
(1) 中空纖維生物膜的特點
中空纖維簾式生物膜組件具有最大的填裝密度，特細管的纖維膜內(nèi)徑只有0.5um,因此其填裝密度最大且成本最低。組件結(jié)構(gòu)簡單，因此在規(guī)；哪ぜ晌鬯偕^程中得到了廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的膜處理技術(shù)雖有各方面的優(yōu)勢，但在控制膜污染上還存在一定欠缺。本文通過低壓操作、膜的反沖洗、膜材料改性、膜組件的優(yōu)化、膜生物器設(shè)計、臨界通量控制、水動力學(xué)控制、空氣噴射和活塞流等很好的控制了膜的污染。
(2) 與常規(guī)曝氣相比，采用中空纖維膜進行無泡曝氣具有如下優(yōu)點：
① 曝氣不產(chǎn)生氣泡，氧直接以分子態(tài)進入生物膜，幾乎百分之百被吸收，傳質(zhì)效率高達100%，因此溶解氧不再是限制微生物生長的決定因素。同時避免了傳統(tǒng)曝氣時污水中易揮發(fā)性物質(zhì)（甲苯等）隨氣泡進入大氣而對環(huán)境造成污染。
② 由于生物膜生長在中空纖維膜的外表面，所以在供氧過程中，生物膜不會受到氣體摩擦，不易脫落。
③ 氧在傳遞到生物膜的過程中不經(jīng)過液相邊界層，因此，傳質(zhì)阻力比常規(guī)曝氣法小得多，能耗大大降低。
④ 曝氣過程中氣液兩相分離，溶液的混合與供氧互不干擾，因此可以各自獨立設(shè)計，反應(yīng)器的形式更加靈活多變。
⑤ 中空纖維膜的比表面積可高達5018 m2/m3，為氧的傳遞和生物膜的生長提供了巨大的表面積，有利于反應(yīng)器向小型化發(fā)展。
二、工藝流程
本實驗原水取自河南省某造紙廠造紙白水。將一定量的原水加入膜過濾器進行抽濾，水和小分子物質(zhì)經(jīng)過外部透過膜，固體懸浮顆粒、膠體物質(zhì)和大分子物質(zhì)被截留在過濾槽中，從而使原水得到凈化。過濾得到的產(chǎn)水回到膜過濾槽中，形成循環(huán)。膜組件下方安裝曝氣裝置，曝氣量為0.50m3/h，由氣泵產(chǎn)生的空氣通過膜過濾槽，由氣流帶動液體，使液體在膜表面產(chǎn)生錯流過濾的效果，減輕膜的污染，此操作看不到氣泡產(chǎn)生。產(chǎn)水泵由時間控制，每開15min，停3min。為充分考察膜處理造紙白水時的抗污染性，在實驗中不斷向膜過濾槽中加入固體懸浮物，每隔4h攪拌一次，防止懸浮物沉降，使膜始終處于惡劣的環(huán)境中，增加膜的污染。實驗結(jié)束后對膜進行反洗。
三、結(jié)果與討論
以下我們從膜對造紙白水的處理效果、產(chǎn)水濁度、產(chǎn)水濁度與原水濁度的關(guān)系、膜通量和負壓隨時間的變化情況、反洗的效果等幾個方面加以討論。
1、膜對造紙白水的處理效果
中空纖維膜對于造紙白水的處理效果非常理想，對BOD5、CODCr和SS的去除率分別達到90.0%～92%、78.7%～85.4%和90%～95.5%。
2、產(chǎn)水濁度的變化
可以看出，經(jīng)過纖維膜后其濁度下降至23左右，平均濁度下降率為51%。由于反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)水流的攪動，纖維膜的吸附作用不穩(wěn)定，所以出水濁度便有一些波動。從圖中還可以看出，在吸附的前期，出水的濁度比后期的濁度要高。從5h以后，濁度穩(wěn)定在20左右，總的趨勢是濁度逐漸下降，平均濁度下降了57%。這是因為吸附初期膜表面沒有吸附固體顆粒和膠體，膜孔較大，產(chǎn)水濁度偏大，隨著時間的增加，膜表面和膜空內(nèi)吸附了一些懸浮顆粒，孔徑變小，使得產(chǎn)水濁度下降。
3、產(chǎn)水濁度與原水濁度的關(guān)系
在實驗期間雖不斷向膜過濾槽中加入固體懸浮物，但槽中的曝氣裝置沒能使原水得到充分攪拌，使原水中的懸浮物有一定的沉降，膜過濾原水的濁度隨時間呈現(xiàn)波動。
可以看出：原水濁度增加時，產(chǎn)水濁度沒有增大的趨勢，并且保持在0.1NUT以下，這說明原水濁度的增加并不會影響膜產(chǎn)水的質(zhì)量。
4、膜通量隨時間的變化情況
通過觀察膜通量的變化，可以知道膜受污染的情況。如果膜通量保持穩(wěn)定的水平，證明膜污染程度較低，那么該工藝就能運用到實際生產(chǎn)中。
看出膜的通量比較穩(wěn)定，說明中空纖維膜受到的污染并沒有導(dǎo)致膜通量下降，說明造紙白水中的懸浮物不會對膜表面微孔起到明顯阻塞作用。
5、反洗
膜污染根據(jù)發(fā)生的位置可分兩種類型：一種是外部堵塞，即污染物吸附沉積在膜的表面，增加了底物傳遞阻力；另一種是內(nèi)部堵塞，即污染物在中空纖維膜壁上的微孔內(nèi)吸附沉積，減小了膜孔徑，從而降低了氧的傳遞速率。這兩種膜污染都會嚴重影響MABR的正常運行，必須經(jīng)常對膜進行反沖洗。
在系統(tǒng)運行30d后，用超濾水在0.005Mpa壓力下反洗纖維膜，反洗30min。用跨膜壓差的變化來考察反洗的效果。
經(jīng)過反洗，污染物從膜孔內(nèi)部和膜表面逐漸沖洗下來，產(chǎn)水負壓恢復(fù)到起初的-0.0085Mpa。實驗結(jié)束后測得純水通量為45L/h，和實驗前的一樣，說明反洗達到了膜清潔的目的。
四、總結(jié)
MABR是一種新型的生物膜法污水處理工藝。與傳統(tǒng)處理工藝相比，MABR采用無泡曝氣，可使氧利用率大幅度提高，能量消耗大幅度降低。MABR采用中空纖維膜作為載體，有機物和氧分別從生物膜的兩側(cè)進入膜內(nèi)部，好氧微生物的兩個生長控制因素得以相互協(xié)調(diào)和抑制，使生物膜協(xié)調(diào)地生長在一個相對固定的厚度范圍內(nèi)，不會因為底物濃度過大而形成嚴重堵塞。此外，用纖維生物膜處理造紙白水時，產(chǎn)水濁度在0.1NTU以下，產(chǎn)水水質(zhì)比較理想，并且產(chǎn)水濁度不受原水影響。系統(tǒng)運行期間膜通量穩(wěn)定在45L/h左右，負壓隨時間上升緩慢，且保持在比較小的范圍內(nèi)。膜被污染后用超濾水反洗，清洗效果顯著。在廢水水質(zhì)變化、形成負荷沖擊情況下，出水水質(zhì)惡化，但很快就能夠恢復(fù)。中空纖維膜還具有很高的比表面積，并可在生物膜內(nèi)形成很高的生物量。MABR氣液兩相分離，可各自獨立設(shè)計，容易滿足不同的實際需求。由于采用無泡曝氣，MABR可用于處理含揮發(fā)性物質(zhì)的廢水，且在處理含表面活性劑的廢水時不產(chǎn)生泡沫。MABR的另一顯著特點是通過供氧控制，可同時高效去除COD，是一種很具有潛力的污水處理工藝。
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