投加粉末活性炭对膜阻力的影响研究.docx

1、投加粉末活性炭对膜阻力的影响研究投加粉末活性炭对膜阻力的影响研究窗体顶端目前，限制膜生物反应器(Membrane Bioreactor,MBR)广泛应用的主要原因是该系统的运行 费用较高，而膜折旧在运行费用中又占有相当大的比例。降低膜折旧费用的方法有两种，其 一是增加膜的工作寿命；其二是增加膜的工作通量，从而降低所需的膜面积。采取低压操 作、间歇运行、紊流曝气等措施可在一定程度上减缓膜污染和堵塞1，在上述基础上，笔者又对在MBR系统中投加粉末活性炭(PAC)的效果进行了研究。 1 理论依据1.1膜比通量为比较不同膜面积、不同工作压力下膜的透水特性，引入膜比通量(Specific Flux,SF

2、) 的概念。定义SF是基于在较低压力下工作的膜出水量与膜面积和工作水位差之积的比值，用公式表示如下： SF=Q/(AH)=J/H (1)式中SF膜比通量，m3/(m2ms )J膜通量，m3/(m2s)Q膜组件出水量，m3/sA膜表面积，m2H工作水位差，m1.2 膜通量的基本方程日本学者Shimizu Y.等人分析了膜通量下降的因素，提出了膜通量与膜阻力的关系2 ：JP/(Rt) (2)式中P作用于膜两侧的压差，Pa渗透液的粘度，PasRt膜的总阻力，m-1膜的总阻力可以表示为：Rt=Rm+Rp+Rc (3)式中Rm 纯膜阻力，m-1Rp膜污染阻力，m-1Rc滤饼层阻力，m-12 试验方法2.

3、1 小试 小试历时4个月，试验装置如图1所示。为方便比较，进水水质与运行方式均与不投加PAC的试验基本相同。采用间歇出水的方 式，出水时间与空曝时间之比为73，其他主要控制参数：水温为1828；曝气量为0.20.27 m3/h；膜上作用水头为7kPa；PAC投加浓度为2000 mg/L； 平均进水CODCr=250 mg/L(其中BOD5NP按10051计)；MLSS=8000 mg/L；SRT=100d。2.2 中试在原有的中试装置3运转近5个月时取出膜组件，将膜表面的泥饼清洗干净后放回。向反应器中一次性投加2000 mg/LPAC，其他试验参数及运行方式与不投加PAC时基本相同3。每周期处

4、理水量为280L/h；HRT为6.25h；气水比为301；平均排泥量为30L/d；MLSS维持在7500mg/L左右(平均含有1700 mg/L的PAC)；SRT为30d；温度维持在2427；反应器内混合液pH值维持在7.0左右。3 小试结果与讨论3.1 投加PAC对膜比通量的影响 投加与不投加PAC对膜比通量的影响见图2。由图2可见：未投加PAC的MBR中膜比通量的变化可分为两个阶段。投入运行后的前5d属于快速下 降阶段，膜的比通量由6.6110-6m3/(m2m s)降至3.2510-6m3/(m2ms)，其日均降低速率为6.7210-7m3/(m2m s)。此后MBR即进入运行的相对稳定

5、阶段，膜比通量的日均下降速率仅为1.5410-8m3/(m2ms)。投加PAC的MBR在投入运行后并没有出现快速下降期，膜比通量随运行时间的延长而缓 慢下降，日均下降率为2.6910-8m3/(m2m s)。投加PAC后稳定运行阶段的膜比通量较投加PAC前明显增大。在运行时间相同(约100d) 的条件下，未投加PAC的MBR中膜比通量仅为1.8110-6m3/(m2ms)，而投加PAC的MBR中膜比通量为5.1410-6m3/(m2ms)，为前者的2.84倍。可见在MBR中投加PAC对维持较高膜比通量具有显著效果，大大提高了产水量。3.2 PAC与活性污泥的相互作用 在试验末期的镜检中发现，成

6、熟活性污泥絮体的体积比PAC颗粒本身的体积大得多，每个较为独立的菌胶团中含有一颗或多颗PAC颗粒，镶嵌在污泥里仅起骨架作用。根据PA C及菌胶团的性质，在向MBR中投加PAC 后，炭粒与菌胶团之间即存在相互作用。最初，PAC 的吸附性和微生物的附着性使得混合液中大量的游离细菌、生物絮体迅速地包围PAC颗粒，形成较大的絮体；随着该絮体中微生物的数量增多，分泌的胞外聚合物也增多，当其他絮体 或游离细菌接近时，各自的胞外聚合物不规则地缠绕在一起，从而使絮体进一步凝 聚形成一个以PAC颗粒为骨架的大絮体，二者的相互作用使含有PAC颗粒的大絮体在曝气强度 较大的MBR中稳定存在。3.3 PAC对MBR膜

7、阻力影响的定量分析投加PAC可形成粒径更大、强度更高、粘性更小的矾花。随着污泥絮体性能得以改善，膜阻 力随之减小。各项阻力的测量方法如下：纯膜阻力Rm。清水试验时，没有膜污染阻 力和滤饼层阻力，Rt与Rm数值相等。膜污染阻力Rp。系统运行到80 d 时，膜污染的发展已趋于稳定。取出膜并将其表面泥饼清洗干净，立即测定清水通量，测得 的阻力为Rm与Rp之和。滤饼层阻力Rc。在稳定运行90 d时，膜表面泥 饼层已处于相对稳定状态，此时由通量算得的阻力为Rm、Rp和Rc之和。在本试验中，取=110-3 Pas(假设滤液的粘度与清水的一样，温度为25 )，由此可按式(2)求得投加PAC后的各种膜阻力值(

8、见表1)，不投加PAC时的各项膜阻力值也列入表1。表1 投加与未投加PAC的膜阻力比较膜各部分阻力投加PAC未 投加PAC阻力值(1012 m-1)占总阻力的比例(%)阻力值 (1012 m-1)占总阻力的比例(%)纯膜阻力Rm1.2066.71.2022.1膜污染阻力RP0.3921.71.4426.6滤饼层阻力Rc0.2111.62.7851.3总阻力Rt1.801005.42100从表1可知：投加PAC后，膜污染阻力Rp和滤饼层阻力Rc均减小，其中前者降 低了约73%，后者降低了约92.4%；由于两次试验所用的膜相同，纯膜阻力Rm差别很小 ，使得投加PAC后，膜总阻力中主要部分由不投加P

9、AC时的滤饼层阻力和膜污染阻力变成纯膜 阻力，这说明投加PAC对减小膜污染阻力和延缓滤饼层的形成是有效的。处于稳定运行的M BR，膜表 面泥饼层处于相对稳定状态，其阻力可视为常数。当投加PAC的膜组件膜污染阻力达到(假设 能达到)未投加PAC的膜组件膜污染阻力时，其膜总阻力为纯膜阻力、投加PAC时滤饼层阻力 与未投加PAC时膜污染阻力之和，数值为2.851012 m-1。此时对应的膜比通量应用式(2)和式(1)，且设P=9 806 PaSF为3.4410-6 m3/(m2ms)。若以投加PAC后的MBR中比通量随运行时间的日均下降率计，从运行开始到稳定运行阶段需历时161d。根据对投加PAC后

10、MBR中污泥性状的观察，到达此稳定运行阶段之后，通量衰减速度低于未投加PAC的MBR中的通量衰减速度。4 中试试验4.1 投加PAC对混合液COD浓度的影响试验中混合液与出水的COD之差列于表2。表2 投加PAC前后的混合液与出水COD之差混合液与出水COD之差投加PAC未投加PAC平均值(mg/L)4.533.1最小值(mg/L)015.2从表2可见：投加PAC后膜内外COD之差的平均值降低了很多(约为0 mg/L)。有研究表明 1，MBR系统在遭受COD冲击负荷时，膜出水COD基本不受影响，而系统内 混合液COD增加，同时膜通量迅速降低。这表明混合液与出水的COD之差是通过 膜和膜表面的泥

11、饼层截留作用而减少的，降低此差值对维持MBR的膜通量非常有利。4.2 投加PAC对活性污泥的影响 投加PAC通过改善活性污泥絮体及泥饼层的性质来减缓膜通量的下降。在投加PAC后，污泥絮体更易互相吸附、聚集而体积更大、粘性更小，因而其在膜表面形成的泥饼层比较疏松，透水性好。未投加PAC时，手洗膜表面泥饼层发现泥饼有较强的粘性，与膜表面粘附较紧，不易清洗；而投加PAC后的泥饼则比较硬，粘性很小，只需用清水稍冲就可脱落。在投加PAC前后，从膜表面分别取一小块泥饼，将其横、纵断面分别切开(如图3)，取厚度基本相同的小切片在普通显微镜下观察，结果如表3。表3 投加PAC前、后泥饼的横纵切面 情况比较断面

12、横断面纵断面未投加PAC无可见孔隙，在显微镜下呈土褐色无可见孔隙，结构比横断 面更紧密，在显微镜下呈更暗的颜色投加PAC有可见孔隙，透光率约40%有可见孔隙，透光率约20%投加PAC后，泥水混和液及污泥絮体的物理性质、结构有所改变，因而形成的泥饼层性质、结构也与未投加PAC时不同。投加PAC后的泥饼层呈疏松堆积状态，后生孔道更多更大，不易堵塞，因此泥饼层造成的膜阻力大大降低。投加PAC是通过提高污泥的沉淀性能来改善污泥的泥水分离性。投加PAC后，污泥絮体颗粒变大，SVI值也下降(可达60mL/g左右)，这大大改善了污泥的泥水分离性能，减缓了泥饼的形成。通过上述分析可见，PAC在MBR中可影响泥

13、水混合液各方面的性质，包括污泥絮体的性质、混合液中的有机物浓度、泥水分离性能等，从而引起膜污染阻力、膜表面泥饼结构及该阻力的 有利变化，其宏观结果就是大大减缓了膜通量的下降，使得单位膜面积在膜寿命期内的产水 量大大提高。4.3 PAC的消耗量 MBR系统在排泥时会排出部分PAC，为维持反应器内PAC的浓度，需补充PAC。若MBR系统的水力停留时间为6 h，污泥停留时间为30 d，PAC的投加量为2000 mg/L，则处理单位体积水消 耗的PAC量约为16.7 mg/L。5 结论 通过小试和中试的研究表明，向MBR系统内投加PAC是降低膜过滤阻力、提高膜通量的有效途径。在小试中，投加PAC并运行

14、约100d时，膜比通量从未投加PAC时的1.8110 -6 m3/(m2ms)增加到5.1410 -6 m3/( m2ms)。PAC有效地减小了滤饼层阻力(从原来占膜总阻力的51.3%降到11.6%)，从而说明了投加PAC是使膜比通量增加的实质性原因。在中试中，向反应器内投加PAC可降低膜内、外COD浓度之差，形成体积更大、粘 性更小、强度更高的污泥絮体，并在膜表面形成更加疏松的泥饼层，大大改善了污泥的可过 滤性，提高了膜通量。向MBR系统投加PAC后，处理单位体积水消耗的PAC 量约为16.7 mg/L，对运行费用影响不大。投加高锰酸钾、氯气去除水中锰1西大洋水库水质状况 保定中法供水有限公

15、司(以下简称水厂)的源水取自保定市唐县境内的西大洋水库(取水口位于水库底部)，采用的工艺流程为：进厂水阀室前加氯加药混合配水井折板反应池平流沉淀池V型滤池加氯消毒清水池加压泵站市区管网。在全年的大部分时间里水库的水质能够满足保定市的用水要求，但是在每年的7月11月将出现水质恶化情况，即氨氮、溶解性锰和硫化氢含量高(见表1)，严重影响了水厂的正常运行，出水水质得不到保证。表1超标物质含量mg/L项目氨氮溶解性锰硫化氢实测峰值1.40.361.14标准值10.10.022采取的措施水厂在原有加氯设施(水库渠首和水厂前加氯)的基础上，分别在水库渠首和水厂增设了投加高锰酸钾工艺。水库水经放空洞流入前池

16、(水深为34m，面积约为2400m2)后进入输水管，在两条输水管(分别记作、，同管径但流量不同，在水厂用管道相连以均衡流量)的进口处投加高锰酸钾，之后在距进水口约30m处的输水管上投加氯(原水从前池流到水厂大约需要20h)。原水流入水厂后首先在输水管上投加高锰酸钾，再在其后5m处分别投加氯和聚合氯化铝，经静态混合器混合后进入配水井。3运行水质分析在2001年7月初，当原水出现溶解性锰超标的情况后,开始按进厂水中溶解性锰含量的1.8倍投加高锰酸钾；7月12日开始又在渠首按原水中溶解性锰含量的1倍(后增至1.2倍)投加高锰酸钾，同时投加氯(2mg/L)。表2为锰的变化情况。 表2各工艺点水中总锰和

17、溶解锰的变化mg/L项目进厂水总锰进厂水溶锰滤前水溶锰滤后水总锰线工艺0.250.070.020.01线工艺0.250.060.010.01注：处理输水管进水的工艺为线工艺，处理输水管进 水的工艺为线工艺。由表2可以看出，在渠首投加高锰酸钾的优点得到充分的体现：运行非常稳定。进厂水中的溶解性锰含量基本控制在0.1mg/L以下，滤前水中溶解性锰含量0.03mg/L，总锰在滤前的平均去除率达到了72%，滤后水中的总锰含量0.01mg/L；高锰酸钾作为氧化剂可以利用从渠首到水厂这段时间与水中的溶解性锰进行充分接触氧化，如在渠首按原水中溶解性锰含量的11.2倍投加高锰酸钾，则进厂水的溶解性锰含量0.1

18、mg/L,既节约了成本,又有利于水厂的安全运行。然而，在9月14日后水库水体中产生大量的硫化氢，这对渠首投加高锰酸钾产生了负面作用，即随着投量的增加则溶解性锰也相应增加。为了证实硫化氢对高锰酸钾投量的影响，笔者进行了大量的试验，结果见图1。由需锰量试验的曲线可知，当原水中有硫化氢时，随着高锰酸钾投加量(01.3mg/L)的 增加则溶解性锰的含量也相应增加，这是因为高锰酸钾会与硫化氢反应生成Mn2+。 由需锰量试验的曲线可知，由于从取水口至水厂过程中有部分硫化氢挥发，因此当高锰酸钾投加量达到0.66mg/L时溶解性锰就明显呈下降的趋势，这说明水体中的硫化氢含量直接影响到高锰酸钾的投加量。由需氯量

19、试验曲线可知，只有当氯的投加量达到5mg/L时溶解性锰才明显下降。这些试验说明硫化氢的还原性比Mn2+要强，它先于Mn2+与氧化剂反应。考虑到投加高锰酸钾会导致水中溶解性锰的增加，所以渠首的加氯量从9月20日起上升到6mg/L，而渠首的高锰酸钾投量逐渐降至零，此时各工艺点水中的总锰和溶解性锰的变化情况见表3。表3各工艺点水中总锰和溶解锰的变化mg/L项目进厂水总锰进厂水溶锰滤前水溶锰滤后水总锰线工艺0.310.280.010.01线工艺0.310.270.010.01表3的结果表明，当水体中出现硫化氢后通过提高渠首的加氯量(6mg/L)和投加少量高锰酸钾能够将水中的硫化氢基本去除(进厂水中的硫

20、化氢含量0.01mg/L)。另外，水厂内的高锰酸钾投量按水中溶解性锰含量的22.5倍来投加就可使进厂水中的溶解性锰基本被完全氧化，这也说明了原水中的硫化氢在进厂前去除情况良好。与前期的滤前总锰去除情况相比，9月15日以后沉淀池的除锰效果要差些，原因是前期渠首投加的高锰酸钾在输水过程已氧化部分水中的锰(减轻了水厂的除锰负荷)，而后期渠首投加的氧化剂主要用于去除硫化氢，除锰集中在水厂(增加了水厂的除锰负荷)。然而不管怎样，只要将溶解性锰完全氧化，就能有效地将水中锰去除而保证水质(见表4)。表42001年6月10月的出厂水水质项目色度(倍)浊度(NTU)氨氮(mg/L)锰(mg/L)CODMn(mg/L)TOC(mg/L)余氯(mg/L)氯仿(g/L)平均值10.070.020.011.431.670.4623.594结语含氨氮、锰、硫化氢高的源水通过采取投加高锰酸钾和氯措施，可使出厂水水质达到国家生活饮用水卫生规范。窗体底端