一種利用超聲在線控制膜汙染髮展的方法
2023-05-21 04:02:56 1
專利名稱：一種利用超聲在線控制膜汙染髮展的方法
技術領域：
本發明涉及膜—生物反應器，特別涉及膜汙染的在線控制方法，屬於汙水處理與回用技術領域。
背景技術：
膜—生物反應器(Membrane Bioreactor，MBR)是一種將膜分離技術與傳統生物處理技術有機結合的新型高效汙水處理與回用技術。目前制約膜一生物反應器大規模應用的根本因素是膜汙染問題。膜汙染是指在膜過濾過程中，被分離料液中溶質分子、膠體粒子和顆粒物在膜表面或膜孔內部的吸附或沉積，致使膜孔道變小或堵塞，膜表面形成凝膠層或濾餅層，造成膜通量不斷降低或者是膜兩側驅動壓力不斷升高，直接導致產水量降低，運行費用提高。
膜汙染的影響因素總的來說包括三個方面，即膜材料的性質、活性汙泥混合液的性質和MBR工作的水力條件。
影響膜汙染的膜材料性質主要包括膜的材質、孔徑大小、孔隙率、膜表面的電荷性質、膜表面粗糙度以及親疏水性等。
混合液(料液)性質包括汙泥濃度、混合液的粒徑分布、混合液粘度以及混合液中的SMP、EPS和微小顆粒濃度等。在膜一生物反應器中，造成膜汙染主要有兩大類物質。一類是溶液中的大分子物質、溶解性物質(如微生物代謝產物SMP)，這類物質會被吸附到膜表面形成凝膠層，或者進入膜孔內部造成膜孔堵塞，屬於不可逆汙染。另一類物質是顆粒狀的物質，隨著膜分離過程的進行，這類物質會在膜表面沉積形成濾餅層，由其產生的膜過濾阻力在膜汙染總阻力中佔有較大比例，但是這種汙染一般是可逆的，稱為可逆汙染。如何採用有效手段控制可逆汙染的發展是膜生物發應器中控制膜汙染的關鍵。
MBR運行過程中膜表面的水動力條件是影響膜汙染的重要因素。水力條件由兩方面因素所決定，一方面是膜組件的固有結構形式，會直接影響膜表面的料液流態，從而影響MBR的抗汙染性以及生產能力；另一方面是MBR的運行操作條件，包括初始膜通量、操作壓力和水流流態等。在MBR的運行過程中，選擇合適的水流流態使得膜表面流體處於湍流狀態是控制膜汙染的一個有效手段。對於傳統的分置式膜—生物反應器，提高膜表面的錯流速度是獲得湍流水力條件的主要手段。
根據是否需要氧氣供應，膜—生物反應器可分為好氧膜—生物反應器和厭氧膜—生物反應器。根據膜組件的位置，膜-生物反應器可分為分置式膜—生物反應器和一體式膜—生物反應器。
對於傳統的分置式膜—生物反應器，其出水依靠循環泵提供的正壓來作為膜過濾過程的驅動壓力。分置式膜—生物反應器具有通量大、膜清洗方便的優點。但是，為了有效地控制膜汙染，往往需要比較大的膜面流速，所用循環泵的流量和揚程較大，能耗也較大(為一體式膜生物反應器的4～6倍)。
傳統的一體式膜生物反應器一般均為好氧膜一生物反應器。其膜組件一般採用簾式膜，利用氣提原理，形成一個氣水二相流在升流區和降流區循環，對膜表面進行衝刷，控制膜汙染。其出水採用抽吸泵抽吸真空作為膜過濾過程的驅動壓力。一體式膜—生物反應器的主要優點是能耗較分置式相對為低，用地較省，但其膜清洗不方便，膜清洗成本較高，膜通量也相對較小。而且，好氧微生物代謝所需要的氧氣僅僅佔總供氣量的一小部分，供氣主要用於氣提整個反應器裡的懸浮液，如何降低其能耗依然是研究方向之一。
針對膜—生物反應器的膜汙染問題，尋求新的膜汙染控制手段，在不提高系統能耗的前提下，實現長期穩定運行是膜—生物反應器研究的重點。而基於操作管理方便的考慮，尋求膜汙染在線控制和汙染膜在線清洗技術是膜汙染控制研究的趨勢。
對於把超聲應用於膜過濾過程，國外在上個世紀九十年代即已開展相關研究。Kost等在1988年對應用超聲提高膜滲透通量的方法申請了美國專利(US Patent No.4,7802,212)，Shimichi等在1995年研究了超聲應用於離子交換過程對通量的提高效果，並申請了日本專利(Japan Patent No.07,31974)。把超聲技術應用於膜一生物反應器，可以有效提高滲透通量，控制膜汙染的發展，同時超聲可以有效提高膜清洗效果。對於膜錯流過濾過程，由於透過流量而引起的濃差極化現象是膜汙染髮展的前提，超聲能在膜表面的固液邊界層，產生微湍流現象，起到很好的混合攪拌作用，控制濃差極化的發展，從而有效控制膜汙染的發展；隨著過濾時間的推移，膜汙染發生之後，超聲所產生的機械振動和聲空化效應等有助於膜汙染，尤其是濾餅層構成的可逆汙染的去除。
國內黃霞，陳福泰等的研究把超聲應用於一體式好氧膜—生物反應器(申請號200410009684.8)，在膜過濾過程中，利用跨膜壓力TMP作為控制指標，當TMP上升到一定程度通過自控設備打開超聲，對膜汙染進行在線清洗。
對於膜—生物反應器的膜汙染問題，上述方法可以實現超聲的在線清洗，但膜汙染髮展到一定程度後，超聲清洗的效果不理想，不能有效去除汙染，達不到普通離線化學清洗的效果；同時把超聲裝置設於生物反應器內部，會造成系統運行溫度升高，因為超聲的全部能量最終都將全部轉化為熱量並被汙泥混合液吸收，因此限制了超聲開啟的功率和時間長度。
發明內容
本發明的目的是提供一種在膜—生物反應器中利用超聲在線控制膜汙染髮展的方法，實現在較低的膜表面錯流速度下，能有效地在線控制膜汙染髮展，維持膜—生物反應器長時間穩定運行，進一步降低運行能耗。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的一種利用超聲在線控制膜—生物反應器中膜汙染髮展的方法，其特徵在於該方法包括如下步驟1)超聲換能器採用線性排列並設置於膜組件外側部，超聲頻率為20～50kHz；超聲能量密度為0.025～10W/cm2；2)採用時間階式遞增法綜合優化膜表面錯流速度和超聲的開關時間模式，其具體優化過程如下a、在反應器正常運行情況下，選定一組錯流速度；b、在每個錯流速度下，首先不開超聲運行膜—生物反應器，使膜過濾阻力達到1.5Rm～3.0Rm，然後以超聲開T1時間，關T2時間的模式運行膜—生物反應器；所述的T1為超聲開啟時間，初始值為T1＝1～5min；所述的T2為超聲關閉時間，初始值為T2＝0.5～4h；所述的Rm為純膜阻力，可在清水條件下通過測定TMP隨膜通量的變化率確定；c、在一天的運行時間內，如膜過濾阻力的升高達到0.25Rm～1Rm，則選擇時間增量ΔT(ΔT＝1～10min)，以開啟T1+ΔT時間，關閉T2時間的模式運行膜—生物反應器；如此反覆增加超聲開啟時間直至在一天的運行中，膜過濾阻力的升高小於0.25Rm～1Rm，亦不減小為止，此時的T1和T2就是優化後的超聲開關時間；d、當T1數值增加至30min，膜過濾阻力上升仍超過0.25Rm～1Rm，則選擇T1為30min，而減小T2；如T2減小至30min膜過濾阻力仍超過0.25Rm～1Rm，則該錯流速度下，不能利用超聲有效控制膜汙染的發展，需要提高錯流速度；e、按照上述步驟對每個錯流速度進行優化，得到相應的超聲開關時間，根據優化結果計算每個錯流速度下循環泵能耗和超聲設備能耗，最後以總能耗最低為原則確定合理的錯流速度和相應的超聲開啟時間膜式。
在上述方案的基礎上，當膜過濾阻力上升達到4Rm～6Rm時，停止系統出水，採用打開超聲5～30min，關閉超聲同樣時間的模式運行2～4h，以去除膜表面汙染層。
本發明的技術特徵還在於所述的生物反應器採用分置式膜—生物反應器時，其綜合優化得到的錯流速度為0.25～0.75m/s；相應的超聲開啟時間為1～20min；超聲關閉時間為30～120min。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果本發明提出直接利用超聲在線控制膜汙染的發展，也就是直接把膜汙染控制在一定範圍內，不允許其進一步發展；提出把膜組件設置於生物反應器外部，以解決對超聲能量強度的限制；本發明以分置式厭氧膜—生物反應器為實施例做了系統研究，以膜過濾總阻力為衡量指標，以綜合優化錯流速度和超聲開啟時間為核心策略，提出了一套完整的膜汙染控制方法，實現在較低的膜表面錯流速度下，有效地在線控制膜汙染髮展，維持膜—生物反應器長時間穩定運行，進一步降低運行能耗。
對於厭氧膜—生物反應器，當反應器混合液汙泥濃度為3～15g/L，膜通量為24L.m2.h-1，超聲頻率為25～45kHz，超聲能量密度為0.04～2W/cm2時，優化後的膜面錯流速度為0.5～0.75m/s；超聲作用時間優化結果為在1h的周期內打開3～15min；此時對膜汙染的控制效果可以達到在沒有超聲作用下，單獨依靠水力控制時，膜表面錯流速度為1～2m/s的汙染控制效果。在超聲聲場作用下，膜過濾總阻力能夠較長時間的維持在2Rm～6Rm範圍內，膜—生物反應器總的運行時間可延長四倍以上。厭氧膜—生物反應器系統總能耗可以降低到不加超聲、錯流速度為1～2m/s條件下的50～75％。
圖1是本發明用於分置式厭氧膜—生物反應器利用超聲控制膜汙染髮展的裝置示意圖。
圖中1—厭氧生物反應器；2—循環水進水管；3—循環泵；4—膜組件；5—循環水出水管；6—過濾出水管；7—超聲換能器；8—超聲發生器。
具體實施例方式
本發明提出一種利用超聲在線控制膜汙染髮展的方法，技術要點主要包括所採用的超聲換能器布置形式、超聲頻率、超聲能量密度以及超聲控制方法。
所述的超聲換能器布置形式採用線性排列，設置於膜組件外側部。所述的超聲頻率為20～50kHz；所述的超聲能量密度為0.025～10W/cm2。研究表明對膜汙染的控制效果隨著超聲頻率的提高而減弱。對於能量密度，則隨著能量密度的提高，膜汙染控制效果加強，同時隨著能量密度的增加，超聲對生物處理系統的微生物活性以及膜材料本身的損傷也增大，系統的能耗亦增加。本發明的特徵在於合理給出了超聲頻率20～50kHz，以及超聲能量密度範圍0.025～10W/cm2。
所述的超聲控制方法主要是指綜合優化膜表面錯流速度和超聲的開關時間模式，可採用時間階式遞增法確定。該方法針對不同的錯流速度對超聲開啟時間模式進行優化，根據優化結果計算各錯流速度下循環泵能耗(取決於錯流速度)和超聲設備能耗(取決於超聲打開時間和能量密度)，最後以總能耗的最低值確定錯流速度和相應的超聲開啟時間模式。
利用超聲在線控制膜汙染的發展，提高錯流速度和延長超聲作用時間都可以實現對膜汙染的有效控制。超聲開啟時間延長，可以更有效的提高膜通量，控制膜汙染的發展，但同時也意味著提高系統總的運行能耗。反之，超聲開啟時間過短，則無法實現在能夠控制膜汙染髮展的前提下，有效降低膜表面錯流速度，從而降低能耗。對膜表面錯流速度、超聲開啟時間模式綜合進行優化，可有效實現系統總能耗的降低。
本發明提出綜合優化錯流速度和超聲作用時間以實現降低總能耗，同時保證系統穩定運行。時間階式遞增法的核心思想是在給定錯流速度下，尋找到一個合理的超聲開啟時間模式，實現在開啟時間內能夠把關閉時間內膜汙染的增長量削減下去。超聲關閉時間周期內膜過濾阻力的上升程度取決於膜—生物反應器系統的汙泥混合液性質(汙泥濃度、汙泥混合液粘度等)和膜表面的水力條件(主要是膜表面的錯流速度)；超聲開啟時間周期內對膜過濾阻力的削減程度取決於超聲的能量密度，超聲開啟時間長度以及系統的汙泥濃度和錯流速度。
因此，對於給定的膜—生物反應器系統，可選擇一組錯流速度，然後對每個錯流速度，採用時間階式遞增法優化超聲作用時間。具體的超聲時間模式優化方法如下首先選定超聲開啟時間初始值T1，關閉時間初始值T2。一般T1初始值可選擇1～5min，T2可選擇0.5～4h，推薦0.5～2h。在選定的操作條件下，不開超聲運行膜—生物反應器，使膜過濾阻力達到1.5Rm～3.0Rm(Rm為純膜阻力，可在清水條件下通過測定TMP隨通量的變化率確定)。然後以超聲開T1時間，關T2時間的模式運行膜—生物反應器，在線控制膜汙染的發展。在一天的運行時間內，如膜過濾阻力的升高達到0.25Rm～1Rm，則說明超聲開啟時間不夠，可選擇時間增量ΔT(一般可選擇2min)，以打開T1+ΔT時間，關閉T2時間的模式運行膜—生物反應器。如此反覆增加超聲打開時間直至在一天的運行時間內膜過濾阻力的升高小於0.25Rm～1Rm，亦不減小為止，此時的T1和T2就是優化後的超聲開關時間。因為一次的超聲開啟時間不宜過長，如果優化過程中，T1數值超過30min，膜過濾阻力的上升仍超過選定的範圍，則可選擇T1為30min，轉而減小T2，T2的減小過程和T1的增加過程類似。如T2減小到30min，膜過濾阻力仍有明顯增加，則說明該錯流速度下，超聲不能有效控制膜汙染的發展，需要提高錯流速度。
以上述優化的超聲控制策略運行膜—生物反應器，隨著運行時間的延長，膜過濾總阻力會繼續緩慢上升，當過濾阻力上升達到4Rm～6Rm時，可考慮短期內延長超聲作用時間，縮短超聲關閉時間以去除膜表面汙染層。具體方法為系統停止出水，採用打開超聲5～30min，關閉超聲同樣時間的模式運行2～4h。
對於使用有機膜材料的膜—生物反應器，超聲開啟時間模式還涉及到對膜材料的保護，在超聲的長期作用下，會導致膜材料的損傷，本發明提出通過在膜表面保留一定厚度的汙染層來實現對膜材料的保護。該汙染層厚度是通過維持總過濾阻力在一定範圍內來限定的。本發明的特徵在於給出了膜過濾總阻力的限制範圍，即下限在1.5Rm～3.0Rm，上限在4Rm～6Rm範圍內。一般地，汙染膜的有兩大類物質一類是溶解性的大分子物質，如溶解性微生物代謝產物(Soluble Microbial Products，簡稱SMP)和胞外聚合物(Extracelluar Polymers，簡稱ECP)，隨著膜分離的進行，這類物質會被吸附到膜表面形成凝膠層(Gel Layer)，汙染一般是不可逆的，但發展較為緩慢，稱為不可逆汙染(Irreversible Fouling)。另一類物質是顆粒物質，如汙泥絮體，這類物質在膜表面沉積形成汙泥層(Cake Layer)，汙染是可逆的，稱為可逆汙染(Reversible Fouling)，這類汙染在死端過濾中佔有很大的份量(80％以上)，且發展迅速。本發明所述的在膜表面保留一定厚度的汙染層主要是保留凝膠層和一部分濾餅層，而濾餅層的大部分是利用超聲去除的主要對象。
實施例1本發明提出的利用超聲在線控制膜汙染的方法可用於厭氧膜—生物反應器，也可以用於好氧膜—生物反應器。下面以厭氧分置式膜—生物反應器為實施例作詳細的說明。
圖1為本發明用於分置式厭氧膜—生物反應器的工藝流程示意圖。厭氧膜—生物反應器系統由厭氧生物反應器1，循環水進水管2，循環泵3，膜組件4，循環水出水管5，過濾出水管6，超聲換能器7，超聲發生器8組成。超聲換能器7設置於膜組件的外側部，在膜組件內形成超聲聲場以控制膜汙染髮展。經過厭氧生物反應器處理後的汙水從反應器1底部流出，經循環水進水管2，由循環泵3泵入膜組件4，然後經循環水出水管5送回反應器上部完成料液循環，膜透過水經過濾出水管6排出。
本實施例中，反應器混合液汙泥濃度為3～15g/L，膜通量為24L.m2.h-1。在超聲頻率為25～45kHz，超聲能量密度為0.04～2W/cm2範圍內對錯流速度和超聲開啟時間進行了綜合優化。膜表面錯流速度選擇了0.25m/s、0.5m/s、0.75m/s和1.0m/s。對於各個錯流速度，在不開超聲的條件下運行膜—生物反應器，當阻力達到2.0Rm後，以1h為超聲作用周期(超聲打開時間和關閉時間總和)，超聲打開時間初始值T1選擇1min，時間增量選擇2min，利用技術方案所述的方法對超聲開關時間模式進行優化。
運行結果表明，對於0.25m/s的錯流速度，當超聲打開時間達到30min，關閉時間為45min的條件下，仍不能有效地控制膜汙染的發展；對於0.5m/s和0.75m/s的錯流速度，超聲作用時間按照上述方法優化結果為在1h的周期內打開3～15min；對於1.0m/s的錯流速度，本試驗的厭氧膜—生物反應器系統在超聲打開1min、關閉59min的時間模式下即能實現在一周的試驗時間內穩定運行，但由於循環泵的能耗較大使得系統總能耗較大。
因此，對於本實施例涉及的厭氧膜—生物反應器系統，綜合優化錯流速度和超聲開啟時間模式的結果為錯流速度採用0.5～0.75m/s；超聲作用時間為在1h的周期內打開3～15min。此時對膜汙染的控制效果可以達到在沒有超聲作用下，單獨依靠水力控制的方法膜面流速為1.0～2m/s的汙染控制效果。在超聲聲場作用下，膜過濾總阻力能夠較長時間的維持在2Rm～6Rm範圍內，膜—生物反應器總的運行時間可延長至少四倍以上。相應的厭氧膜—生物反應器系統總能耗可以降低到不加超聲，錯流速度為1～2m/s條件下的50～75％。
權利要求
1.一種利用超聲在線控制膜—生物反應器中膜汙染髮展的方法，其特徵在於該方法包括如下步驟1)超聲換能器採用線性排列並設置於膜組件外側部，其超聲頻率為20～50kHz；超聲能量密度為0.025～10W/cm2；2)採用時間階式遞增法綜合優化膜表面錯流速度和超聲的開關時間模式，其具體優化過程如下a、在反應器正常運行情況下，選定一組錯流速度；b、在每個錯流速度下，首先不開超聲運行膜—生物反應器，使膜過濾阻力達到1.5Rm～3.0Rm，然後以超聲開T1時間，關T2時間的模式運行膜—生物反應器；所述的T1為超聲開啟時間，初始值為T1＝1～5min；所述的T2為超聲關閉時間，初始值為T2＝0.5～4h；c、在一天的運行時間內，如膜過濾阻力的升高達到0.25Rm～1Rm，則選擇時間增量ΔT＝1～10min，以開啟T1+ΔT時間，關閉T2時間的模式運行膜—生物反應器；如此反覆增加超聲開啟時間直至在一天的運行中，膜過濾阻力的升高小於0.25Rm～1Rm，亦不減小為止，此時的T1和T2就是優化後的超聲開關時間；d、當T1數值增加至30min，膜過濾阻力上升仍超過0.25Rm～1Rm，則選擇T1為30min，而減小T2；如T2減小至30min膜過濾阻力仍超過0.25Rm～1Rm，則該錯流速度下，不能利用超聲有效控制膜汙染的發展，需要提高錯流速度；e、按照上述步驟對每個錯流速度進行優化，得到相應的超聲開關時間，根據優化結果計算每個錯流速度下循環泵能耗和超聲設備能耗，最後以總能耗最低為原則確定合理的錯流速度和相應的超聲開啟時間膜式。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於當膜過濾阻力上升達到4Rm～6Rm時，停止系統出水，採用打開超聲5～30min，關閉超聲同樣時間的模式運行2～4h，以去除膜表面汙染層。
3.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的膜生物反應器採用分置式膜—生物反應器時，其綜合優化得到的錯流速度為0.25～0.75m/s；相應的超聲開啟時間為1～20min；超聲關閉時間為30～120min。
全文摘要
一種利用超聲在線控制膜汙染髮展的方法，涉及膜—生物反應器中膜汙染的在線控制，屬於汙水處理與回用技術領域。本發明在特定的超聲頻率，能量密度條件下，以系統總能耗最低為原則綜合優化超聲開啟時間和膜表面錯流速度，其綜合優化過程採用「超聲開啟時間階式遞增法」，在給定的錯流速度下，以膜過濾總阻力為衡量標準，通過逐步提高超聲開啟時間來尋求最佳超聲開關時間模式。本發明提出了一套直接利用超聲在線控制膜汙染髮展的方法，可實現在較低的膜表面錯流速度下，有效地在線控制膜汙染髮展，維持膜—生物反應器長時間穩定運行，進一步降低運行能耗。
文檔編號B08B3/12GK1724411SQ200510011799
公開日2006年1月25日 申請日期2005年5月27日 優先權日2005年5月27日
發明者文湘華, 黃霞, 隋鵬哲 申請人:清華大學