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不仅污泥浓度、混合液粘度等影响膜通量,混合液本身的过滤性能,如活性污泥性状,生物相也影响膜通量的衰减。有研究表明:粉末活性炭与絮凝剂的加入有助于改善泥水分离性能,形成体积更大、粘性更小的污泥絮体,减少了膜堵塞的机会。但絮凝剂的过量加入会使污泥活性受到抑制,影响反应器的处理能力和处理效果。
水力学特性的改善
改善膜面附近料液的流体力学条件,如提高流体的膜面流速,减少浓差极化,使被截留的溶质及时被带走,能有效降低膜的污染,保持较高的膜通量。黄霞、何义亮分别采用PAN平板式超滤膜、PAN/PS管式膜组件考察不同膜面循环流速下污泥浓度对膜通量的影响,发现MLSS 对膜通量的影响程度与膜面循环流速有关。大量试验表明:污泥过膜流态为层流,远比紊流时易于堵塞,因此从理论上确定不同污泥浓度下紊流发生的最小膜面流速(Vmin)有重要意义。邢传宏、彭跃莲研究均发现:最小膜面流速与污泥浓度之间呈良好的线性关系。但他们对临界膜面流速的计算值可能偏高,因为污泥沿流道流动的过程中,水同时透过膜流出,增加了流体在垂直方向的紊动,从而在一定程度上降低了下临界雷诺数(Rek)。何义亮的发现证实了这一推论,平板膜组件由紊流到层流的Rek为1083,外压管式膜组件的Rek为966,均小于一般牛顿流体的下临界雷诺数2000。
分离式MBR中,一般采用错流过滤的方式,这有助于防止膜面沉积污染。对于一体式MBR,设计合理的流道结构,提高膜间液体上升流速,使较大的曝气量起到冲刷膜表面的错流过滤效果显得尤为重要。刘锐通过均匀设计试验,得到适合活性污泥流体的膜间液体上升模型,提出反应器结构对液体上升流速的影响:在同样的曝气强度下,反应器越高,上升流通道越窄,下降流通道与底部通道越宽,则越能获得较大的膜间错流流速。
能耗
能耗是污水处理工艺的一个重要的评价指标,直接关系到处理方法的可行性。目前,常规分离式MBR运行能耗为3~4 kW•h/m3,淹没式MBR运行能耗为0.6~2 kW•h/m3,高于活性污泥法的0.3~0.4 kW•h/m3。较高的动力费用是MBR推广应用中遇到的主要问题之一。许多研究结果也表明:能耗是造成MBR运行费用高的主要原因。张绍园分析了分离式MBR的能耗组成:泵的热能损失、曝气能耗、管道阻力能耗、膜组件能耗和回流污泥水头损失能耗,其耗能大小依次为:膜组件>泵>曝气>管道>回流污泥,膜组件能耗占总能耗的40%~50%,其中80%用于膜过滤的能量以热能的方式散发。顾平对抽吸淹没式MBR的能耗分析表明:曝气的能耗占总能耗的96%以上。
通常研究者都认为能耗的降低与膜污染的控制是MBR研究领域两个独立的课题,而张绍园、郑祥采用穿流式、错流式膜组件进行分离式MBR研究发现:能耗随运行时间的延长、膜污染的增加呈上升趋势,从运行初期的不足0. 5 kW•h/m3增加到3 kW•h/m3。这说明:分离式膜生物反应器的能耗问题实质是膜污染问题。在实际工程中,由于系统各部件的不匹配(如风机、水泵的实际处理能力高于MBR系统所需)也造成实际运行能耗高于理论能耗值。
为了进一步降低能耗,顾平应用位差驱动出水和低水头间断工作的重力淹没式MBR,较好地克服了膜的污染与阻塞,使膜长时间保持较大的膜通量,并且省去复杂的气水反冲洗设备和降低曝气量,使MBR处理生活污水的能耗可下降到1.0 kW•h/m3,该型MBR在实际工程中能耗已降到0.6~0.8 kW•h/m3。
MBR的应用领域
进入90 年代中后期,膜-生物反应器在国外已进入了实际应用阶段。加拿大 Zenon 公司首先推出了超滤管式膜-生物反应器,并将其应用于城市污水处理。为了节约能耗,该公司又开发了浸入式中空纤维膜组件,其开发出的膜-生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃及等十多个地方,规模从 380m 3 /d 至 7600m 3 /d 。日本三菱人造丝公司也是世界上浸入式中空纤维膜的知名提供商,其在 MBR 的应用方面也积累了多年的经验,在日本以及其他国家建有多项实际 MBR 工程。日本 Kubota 公司是另一个在膜-生物反应器实际应用中具有竞争力的公司,它所生产的板式膜具有流通量大、耐污染和工艺简单等特点。国内一些研究者及企业也在 MBR 实用化方面进行着尝试。
1 城市污水处理及建筑中水回用
1967 年第一个采用MBR 工艺的废水处理厂由美国的Dorr-Oliver 公司建成,这个处理厂处理14m 3 /d 废水。1977 年,一套污水回用系统在日本的一幢高层建筑中得到实际应用。1980 年,日本建成了两座处理能力分别为10m 3 /d 和50m 3 /d 的 MBR 处理厂。90 年代中期,日本就有39 座这样的厂在运行,最大处理能力可达500m 3 /d ,并且有100 多处的高楼采用MBR 将污水处理后回用于中水道。1997 年,英国Wessex 公司在英国Porlock 建立了当时世界上最大的MBR 系统,日处理量达2 000 m 3 ,1999 年又在 Dorset 的 Swanage 建成了13000m 3 /d 的MBR 工厂 。
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