无泡曝气膜生物反应器在造纸白水上的应用前景

Posted 2023-01-14 纤维

篇首语：一等二靠三落空，一想二干三成功。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了无泡曝气膜生物反应器在造纸白水上的应用前景相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘要：采用中空纤维膜作生物膜载体及无泡曝气反应器，利用具有死端和漂浮特点的浸没式接触氧化工艺，进行污水处理试验研究。初步探讨了其除污机理，对本工艺造纸白水中固体悬浮物的处理效果、膜污染情况进行了考察。系统连续稳定运行30d，产水水质良好，产水浊度小于0.1NUT，且运行稳定。用超滤水在0.05Mpa下反洗，取得理想的效果，这说明此工艺在实际生产中可以运用，对白水进行循环回用，实现零排放。

关键词：无泡曝气　浸没式纤维帘式膜　零排放　产水浊度　膜通量

造纸厂污水是重要的环境污染源，属于环保重点监控的范围。传统的污水处理方式占地面积大、工程造价和运行成本高，并且处理不彻底。采用先进技术更新改造传统的造纸污水处理工艺，降低造纸企业污水处理成本，提高企业竞争力已迫在眉睫。

常规生物膜技术的曝气方法，不但会使生物膜脱落，也会使溶液中的挥发性有机物由于气提作用带到空气中，且传统的鼓泡供氧系统处理污水中，供氧费用占总运行费用的60%～80%，而氧的利用率只有8%～15%。基于常规生物膜技术的曝气方法存在的问题，本文采用浸没式纤维膜作为生物膜载体，及无泡供氧于一体的生物膜反应器污水处理装置。处理造纸白水的分析结果表明：TOC、COD的去除率分别达到78%～96%、88%～94%，而电导率的下降率达95%～97%，实现废水零排放，具有重大的环境效益和经济效益。同时该工艺因具有处理效率高、耐冲击负荷性能好、产泥量低、操作简单方便、自动化程度高、投资省、运行费用低等优点，因此具有很强的实用性。

一、工艺原理

无泡曝气生物反应器，简称为MABR，由中空纤维膜填料部分和水流部分组成。生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料供给的，中空纤维膜不仅起着供氧作用，同时又是固着生物膜的载体。纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气，在中空纤维膜的外侧，生物膜与污水充分接触，污水中所含的有机物被生物膜吸附和氧化分解，从而使污水得到净化。

1、供氧方式

由于纤维膜微孔直径很小，为0.1～0.5um，曝气产生肉眼不可见的气泡，因此称为无泡供氧。

中空纤维膜供氧有贯通式和闭端式两种方式：贯通式MABR内中空纤维膜两端分别被固定在双层夹板上，气体由一端夹板持续通入膜内腔，一部分气体被生物膜消耗，剩余部分从另一端的夹板排出。由于该方式中有气体剩余，更适用于空气供氧；闭端式MABR内中空纤维膜一端被固定在双层夹板上，另一端密封，气体经夹板从纤维膜开口端通入，在压力作用下全部进入反应器，所以更适用于纯氧曝气。此外，该方式中纤维束呈流化态，反应器不易堵塞。两种反应器结构如图2所示。

2、氧及底物的传递

由于中空纤维膜具有疏水性和微孔性两个特征，所以在气体通过膜内腔时，膜壁上的微孔保持干燥并充满气体，并由这些微孔将气体传递到中空纤维膜的外侧，即附着的生物膜内。在生物膜内，氧气和底物在微生物的作用下被消耗，形成了溶解氧梯度，此梯度就是氧传递的推动力。
氧的传递速率公式如下：

dC/dt =K1A(C*-C)　　　　　　式中：
dC/dt——氧的使递速率，mg／(L.s)
K1——氧转移系数，m／s；
A ——反应器的比表面积，m3／m3；
C*——纤维膜中气液界面的溶解氧质量浓度，mg／L；
C ——液相中溶解氧的质量浓度，mg／L。

其中K1由水流速度和水流与中空纤维膜的相对位置决定。Tariq Ahmed(1994)经试验得出：提高水流速度或改平行流为切向流(Crossflow)可获得较大的K1；因为切向流情况下，纤维膜在水流方向的投影面积远大于平行流，且浓度边界层只存在于纤维膜横截面方向。

底物质量传递的推动力是液相与生物膜内的底物浓度梯度。传质阻力主要是液相边界层的影响。当停留时间很长时，液相流速小，边界层厚度大，传质效率低。反之，停留时间短时，传质效率高。

采用中空纤维膜作载体，有机物和氧分别从生物膜的两侧进入膜内部。在生物膜外层，有机物浓度最大而溶解氧浓度最小，生物膜内层深处正好相反。这样，好氧微生物的两个生长控制因素得以相互协调和抑制，其结果是使生物膜协调地生长在一个相对固定的厚度范围内，不会因为底物浓度过大而形成严重堵塞。除此之外，中空纤维膜还具有很大的比表面积，并可在生物膜内形成很高的生物量。

3、中空纤维生物膜及无泡曝气的特点

(1) 中空纤维生物膜的特点

中空纤维帘式生物膜组件具有最大的填装密度，特细管的纤维膜内径只有0.5um,因此其填装密度最大且成本最低。组件结构简单，因此在规模化的膜集成污水再生过程中得到了广泛的应用。

传统的膜处理技术虽有各方面的优势，但在控制膜污染上还存在一定欠缺。本文通过低压操作、膜的反冲洗、膜材料改性、膜组件的优化、膜生物器设计、临界通量控制、水动力学控制、空气喷射和活塞流等很好的控制了膜的污染。

(2) 与常规曝气相比，采用中空纤维膜进行无泡曝气具有如下优点：

① 曝气不产生气泡，氧直接以分子态进入生物膜，几乎百分之百被吸收，传质效率高达100%，因此溶解氧不再是限制微生物生长的决定因素。同时避免了传统曝气时污水中易挥发性物质（甲苯等）随气泡进入大气而对环境造成污染。

② 由于生物膜生长在中空纤维膜的外表面，所以在供氧过程中，生物膜不会受到气体摩擦，不易脱落。

③ 氧在传递到生物膜的过程中不经过液相边界层，因此，传质阻力比常规曝气法小得多，能耗大大降低。

④ 曝气过程中气液两相分离，溶液的混合与供氧互不干扰，因此可以各自独立设计，反应器的形式更加灵活多变。

⑤ 中空纤维膜的比表面积可高达5018 m2/m3，为氧的传递和生物膜的生长提供了巨大的表面积，有利于反应器向小型化发展。

二、工艺流程

本实验原水取自河南省某造纸厂造纸白水。将一定量的原水加入膜过滤器进行抽滤，水和小分子物质经过外部透过膜，固体悬浮颗粒、胶体物质和大分子物质被截留在过滤槽中，从而使原水得到净化。过滤得到的产水回到膜过滤槽中，形成循环。膜组件下方安装曝气装置，曝气量为0.50m3/h，由气泵产生的空气通过膜过滤槽，由气流带动液体，使液体在膜表面产生错流过滤的效果，减轻膜的污染，此操作看不到气泡产生。产水泵由时间控制，每开15min，停3min。为充分考察膜处理造纸白水时的抗污染性，在实验中不断向膜过滤槽中加入固体悬浮物，每隔4h搅拌一次，防止悬浮物沉降，使膜始终处于恶劣的环境中，增加膜的污染。实验结束后对膜进行反洗。

三、结果与讨论

以下我们从膜对造纸白水的处理效果、产水浊度、产水浊度与原水浊度的关系、膜通量和负压随时间的变化情况、反洗的效果等几个方面加以讨论。

1、膜对造纸白水的处理效果

中空纤维膜对于造纸白水的处理效果非常理想，对BOD5、CODCr和SS的去除率分别达到90.0%～92%、78.7%～85.4%和90%～95.5%。

2、产水浊度的变化

可以看出，经过纤维膜后其浊度下降至23左右，平均浊度下降率为51%。由于反应器内循环水流的搅动，纤维膜的吸附作用不稳定，所以出水浊度便有一些波动。从图中还可以看出，在吸附的前期，出水的浊度比后期的浊度要高。从5h以后，浊度稳定在20左右，总的趋势是浊度逐渐下降，平均浊度下降了57%。这是因为吸附初期膜表面没有吸附固体颗粒和胶体，膜孔较大，产水浊度偏大，随着时间的增加，膜表面和膜空内吸附了一些悬浮颗粒，孔径变小，使得产水浊度下降。

3、产水浊度与原水浊度的关系

在实验期间虽不断向膜过滤槽中加入固体悬浮物，但槽中的曝气装置没能使原水得到充分搅拌，使原水中的悬浮物有一定的沉降，膜过滤原水的浊度随时间呈现波动。

可以看出：原水浊度增加时，产水浊度没有增大的趋势，并且保持在0.1NUT以下，这说明原水浊度的增加并不会影响膜产水的质量。

4、膜通量随时间的变化情况

通过观察膜通量的变化，可以知道膜受污染的情况。如果膜通量保持稳定的水平，证明膜污染程度较低，那么该工艺就能运用到实际生产中。
看出膜的通量比较稳定，说明中空纤维膜受到的污染并没有导致膜通量下降，说明造纸白水中的悬浮物不会对膜表面微孔起到明显阻塞作用。

5、反洗

膜污染根据发生的位置可分两种类型：一种是外部堵塞，即污染物吸附沉积在膜的表面，增加了底物传递阻力；另一种是内部堵塞，即污染物在中空纤维膜壁上的微孔内吸附沉积，减小了膜孔径，从而降低了氧的传递速率。这两种膜污染都会严重影响MABR的正常运行，必须经常对膜进行反冲洗。

在系统运行30d后，用超滤水在0.005Mpa压力下反洗纤维膜，反洗30min。用跨膜压差的变化来考察反洗的效果。

经过反洗，污染物从膜孔内部和膜表面逐渐冲洗下来，产水负压恢复到起初的-0.0085Mpa。实验结束后测得纯水通量为45L/h，和实验前的一样，说明反洗达到了膜清洁的目的。

四、总结

MABR是一种新型的生物膜法污水处理工艺。与传统处理工艺相比，MABR采用无泡曝气，可使氧利用率大幅度提高，能量消耗大幅度降低。MABR采用中空纤维膜作为载体，有机物和氧分别从生物膜的两侧进入膜内部，好氧微生物的两个生长控制因素得以相互协调和抑制，使生物膜协调地生长在一个相对固定的厚度范围内，不会因为底物浓度过大而形成严重堵塞。此外，用纤维生物膜处理造纸白水时，产水浊度在0.1NTU以下，产水水质比较理想，并且产水浊度不受原水影响。系统运行期间膜通量稳定在45L/h左右，负压随时间上升缓慢，且保持在比较小的范围内。膜被污染后用超滤水反洗，清洗效果显著。在废水水质变化、形成负荷冲击情况下，出水水质恶化，但很快就能够恢复。中空纤维膜还具有很高的比表面积，并可在生物膜内形成很高的生物量。MABR气液两相分离，可各自独立设计，容易满足不同的实际需求。由于采用无泡曝气，MABR可用于处理含挥发性物质的废水，且在处理含表面活性剂的废水时不产生泡沫。MABR的另一显著特点是通过供氧控制，可同时高效去除COD，是一种很具有潜力的污水处理工艺。来源：水工业市场杂志