專利名稱：減輕膜生物反應器中膜污染的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種減輕浸沒式膜生物反應器(Membrane Bioreactor, MBR)中膜污染(Membrane Fouling)的方法，尤其是一種通過在MBR工藝進水中投加鈣離子減輕膜污染的方法。
背景技術：
MBR是一種膜分離與生物技術相結合的污水處理新工藝，具有占地面積小、剩余污泥量少、出水水質穩(wěn)定等特點，近年來在工業(yè)和市政廢水處理、污水再生利用中逐步得到認可。而制約其大規(guī)模實際應用主要是膜污染問題，而膜污染是MBR運行中不可避免的現(xiàn)象。 膜污染對膜性能的影響相當大，與未污染的膜比，膜通量可降低20-40%，污染嚴重時能使通量下降80%以上。膜污染不僅降低膜的性能，而且縮短了膜的使用壽命。目前，控制MBR中膜污染的措施主要包括以下幾個方面改善污泥混合液性質或對進水進行預處理、膜改性或開發(fā)新型抗污染膜、優(yōu)化MBR中的操作條件及污染膜清洗等等。其中，膜改性技術存在過程復雜、成本高等問題，新型抗污染膜的開發(fā)需要一定的時間， 且存在未知性，目前尚不合適于大規(guī)模工業(yè)化應用。操作條件中提高曝氣強度，雖能夠減緩污泥顆粒在膜表面的沉積，但高的曝氣強度造成高的錯流速率，其產(chǎn)生的剪切力效應使得污泥顆粒變得細小，將增加膜孔吸附和堵塞的機會，加劇膜污染；此外，高的曝氣強度也會增加運行成本。MBR工藝中膜污染主要與污泥混合液性質、膜的性質和操作條件三個因素有關，其中污泥混合液性質對膜污染的影響最大。有研究表明，污泥混合液中的微生物代謝產(chǎn)物一胞外聚合物(EPQ能夠沉積在膜面形成凝膠層，凝膠層的形成不但增加了膜面的有機污染，還會改變膜面的物化性質(例如電荷和疏水性等)，促進了微生物在膜面的粘附，從而加劇膜面的生物污染。因此，有污泥混合液中的EPS含量越高，膜污染越嚴重現(xiàn)象。Floc size distribution in a membrane bioreactor and consequences for membrane fouling. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 1998，138 (2- :403、11報導在膜過濾過程中，較大絮體形成的泥餅具有多孔性和滲透性，能夠降低堵塞膜孔，從而減輕膜污染。Comparison of bacterial extracellular polymer extraction methods. Applied and Environmental Microbiology, 1980，40(2):179-185 ；Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin.. Water Research, 1996， 30(8):1749-1758 ；Activated sludge surfaces in relation to the sludge volume index. Water Research, 1971，5(10):861-870 ；Purification and characterization of extracellular polysaccharide from activated sludge. Water Research, 1986， 20(11): 1427-1432，報導通過向污水中加入入鈣/鋁離子，可與EPS表面帶負電荷的官能團發(fā)生架橋和粘附作用(改變污泥混合液性質)，從而強化生物絮凝作用，有利于較大粒徑的絮體形成，增加泥餅層可壓縮性，從而緩解膜污染。
現(xiàn)有大量研究表明，人攝入過量鋁離子，會影響寶寶的骨骼和神經(jīng)發(fā)育，易引發(fā)老年性癡呆，還易使人過早衰老；此外鋁還可抑制磷的吸收，干擾體內(nèi)正常鈣磷代謝，導致骨質疏松、骨折等。加入鋁離了會使水中鋁離子含量超標，排入水體會使水中鋁超標，這是不希望的。在MBR反應器中投加鈣離子，導致混合液局部鈣離子濃度過高，有研究表明(膜生物反應器膜污染行為的識別與表征[D].遼寧大連理工大學，2007)當鈣離子濃度較高時，以溶解態(tài)形式存在的鈣離子會與水中分解的CO/—等陰離子發(fā)生化學反應，形成小而密實的無機小顆粒(如CaCO3)。而在膜過濾過程中，這些小顆粒更易堵塞膜孔，從而會加重膜污染，降低或抵消加入鈣離子緩解膜污染的作用。此外，有研究還表明，如果添加鈣離子以無水氯化鈣作為藥劑投加，無水氯化鈣在溶解時放熱會產(chǎn)生大量熱量，將會對混合液中的微生物活性產(chǎn)生一定影響，會降低處理效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種加入鈣離子既能緩解膜污染，同時又能克服其自身帶來的缺點的減輕膜生物反應器中膜污染的方法。本發(fā)明目的實現(xiàn)，主要改進是改變鈣離子加入位置點，由原來在MBR反應器(污泥混合液)中投加，改為在MBR反應器前處理進水中加入，達到既有利于緩解膜污染，又可使鈣離子對微生物活性及易形成小而密實無機小顆粒的影響降到最低，從而克服現(xiàn)有技術的不足，實現(xiàn)本發(fā)明目的。具體說，本發(fā)明減輕膜生物反應器中膜污染的方法，包括向處理水中加入水溶性鈣化合物，其特征在于所說水溶性鈣化合物加入是在膜生物反應器前的進水中，加入量以鈣離子計為30 - 200 mg/L。在詳細說明前，先通過對發(fā)明能夠達到的基本功能及效果作一介紹，以使本領域技術人員對本專利總體構思技術方案及達到的基本技術效果有一個明確了解。本發(fā)明由于將加入能與污泥混合液中EPS發(fā)生架橋和粘附，強化生物絮凝作用的鈣離子，改在膜生物反應器前的進水中投加，不僅保留了向處理水中加入鈣離子形成較大粒徑絮體，增加泥餅層可壓縮性，減輕膜污染優(yōu)點；而且在處理進水中加入(而不是反應器中污泥混合液中加入)，其溶解產(chǎn)生熱迅速在污水進入膜生物反應器前消耗，因而不會因溶解放熱產(chǎn)生熱量對混合液中微生物活性產(chǎn)生影響，同時，此時水中有機物尚未分解，污染物仍以分子狀態(tài)存在，當混合鈣離子進入膜生物反應器后，雖然此時水中有機物分解，會產(chǎn)生 CO32-等陰離子，但由于鈣離子隨污水一起進入MBR中，并與污泥混合液充分混合，此時的鈣離子因與膜生物反應器中存在的EPS發(fā)生架橋和粘附作用，而減少了與C032_等陰離子發(fā)生化學反應，因而形成小而密實的無機小顆粒大大減少，也就不會對膜污染構成威脅。鈣離子架橋和粘附作用，一方面把EPS中的多糖類物質吸附到結合型胞外聚合物(LB-EPS)中，降低了污泥混合液中EPS含量，緩解膜污染；另一方面架橋和粘附作用可增加污泥顆粒的平均粒徑，使形成的泥餅具有多孔性，滲透性，因而保持較高膜通量。本發(fā)明較現(xiàn)有MBR工藝，除改變水溶性鈣化合物投加位置點不同外，其余均同現(xiàn)有技術，例如投加濃度量，MBR工藝控制等等，就不一一另行敘述，此對本領域技術人員是清楚的。
加入水溶性鈣化合物，主要是加入后能在水中溶解形成鈣離子，理論上能在水中溶解能產(chǎn)生鈣離子的水溶性鈣化合物都可以應用，但應用于水處理，應選擇經(jīng)濟性好、且加入后形成的其他離子對水不產(chǎn)生二次污染的水溶性鈣化合物更好，例如無水氯化鈣。本發(fā)明減輕膜生物反應器中膜污染的方法，相對于現(xiàn)有技術，既保留了現(xiàn)有技術 MBR工藝加入水溶性鈣化合物，降低污泥混合液中EPS含量，以及改變EPS性質，達到緩解膜污染的優(yōu)點，又因鈣化合物加入是在膜生物反應器外的進水中，使得在溶解過程放熱在污水進入膜生物反應器前已經(jīng)得到消除，因而不會對膜生物反應器中微生物產(chǎn)生影響，其次，加入后形成高濃度鈣離子，在進入膜生物反應器后，其與膜生物反應器中存在的EPS發(fā)生架橋和粘附作用，要強于與C032_等陰離子發(fā)生化學反應，減少了與C032_等陰離子發(fā)生化學反應生成小而密實無機小顆粒量，因而降低了加入鈣離子的負面作用，真正達到緩解膜污染，延長膜使用壽命，降低MBR運行成本。試驗處理污水水質及運行條件COD 306^326 mg/L, NH3-N 27 30 mg/L。進水中投加無水氯化鈣以鈣離子計為30-200 mg/L，采用恒通量操作模式，曝氣氣水比為50 :1，pH值為6. 8 7. 2，溫度為24l8°C，SRT (污泥停留時間)15 d，穩(wěn)定運行時膜通量為18 L/(m2 -h)，出水泵抽停比為10 min 2 min。COD去除率 93% 100%，NH3-N去除率88% 100%，污泥濃度為3. 3 4. 0 g/L，污泥顆粒平均粒徑為134 177 μ m，LB-EPS 含量為 1.3 2. 2 mg/(g · VSS)，過濾總阻力為 1. 74 X IO12 7. 49 X IO12 1/m，可逆濾阻為 1. IX IO12 5. 19 X IO12 1/m，不可逆濾阻為 0. 11 X IO12 1. 8 X 1012l/m，跨膜壓差(TMP) 平均增長速率為0. 77 2. 95 kPa/d。與在膜生物反應器中投加相比，EPS含量降低20%，污泥顆粒平均粒徑增加16%，TMP平均增長速率降低30%，從而有效減輕緩解膜污染帶來不利影響。此方法，用于骨加工廢水、檸檬酸廢水和垃圾滲濾液等廢水，因此類廢水中含有較高的鈣離子，與外加鋁鹽混凝劑和氯化鐵絮凝劑處理相比，可大大降低MBR處理此類廢水的成本，并延長膜的使用壽命。以下結合幾個具體實施例，示例性說明及幫助進一步理解本發(fā)明實質，但實施例具體細節(jié)僅是為了說明本發(fā)明，并不代表本發(fā)明構思下全部技術方案，因此不應理解為對本發(fā)明總的技術方案限定，一些在技術人員看來，不偏離本發(fā)明構思的非實質性增加和/ 或改動，例如以具有相同或相似技術效果的技術特征簡單改變或替換，均屬本發(fā)明保護范圍。
具體實施例方式實施例1 某污水處理廠原水，COD 313 mg/L, NH3-N 27 mg/L。膜生物反應器SRT 為15 d，曝氣氣水比為50 :1，ρΗ值為6.8，溫度為M°C，反應器采用恒通量操作模式，膜通量為18 L/(m2 *h)，出水泵的抽停比為10 min 2 min。反應器前進水中加入無水氯化鈣(以鈣離子計為30 mg/L)。運行10 d后，COD去除率為97%，NH3-N去除率為96% ；污泥濃度為 5. 9 g/L,污泥顆粒體積平均粒徑為164 μ m, LB-EPS含量為2. 21mg/ (g · VSS)；過濾總阻力為5. 49 X IO12 1/m，可逆濾阻為1. 19X1012 1/m，不可逆濾阻為0. 92 X IO12 1/m ;TMP的平均增長速率為2. 95 kPa/d。實施例2 某污水處理廠原水，進水COD 326 mg/L, NH3-N 30 mg/L ；膜生物反應器 SRT為15 d，曝氣氣水比為50 :1，pH值為7. 1，溫度為，反應器采用恒通量操作模式， 膜通量為18 L/(m2 · h)，出水泵抽停比為10 min 2 min，進水中加入無水氯化鈣(以鈣離計為100 mg/L)。運行10 d后，COD去除率97%，NH3-N去除率90% ；污泥濃度6. 2g/L，污泥顆粒體積平均粒徑177 μ m, LB-EPS的含量2. 82 mg/(g · VSS)；過濾總阻力為6. 22 X IO12 1/m，可逆濾阻為1. 10 X IO12 1/m，不可逆濾阻1. 10 X IO12 1/m ；TMP的平均增長速率為1. 87 kPa/do實施例3 某污水處理廠原水，進水COD 306 mg/L, NH3-N 28 mg/L ；膜生物反應器 SRT為15 d，曝氣氣水比為50 :1，ρΗ值為7. 2，溫度為28°C，反應器采用恒通量操作模式，膜通量為18 L/(m2 · h)，出水泵抽停比為10 min 2 min，進水中加入無水氯化鈣(以鈣離計為200 mg/L)。運行10 d后，COD去除率97%，NH3-N去除率88% ；污泥濃度6. 2g/L，污泥顆粒體積平均粒徑172 μ m，LB-EPS含量為3. 21mg/(g · VSS)；過濾總阻力7. 74X1012 1/m, 可逆濾阻為1. 13X1012 1/m，不可逆濾阻1.84X IO12 1/m ;TMP的平均增長速率為1. 68 kPa/
do此外，在不同濃度污水試驗中，也表現(xiàn)上述相似效果。比較例1污水，不添加鈣離子，其它操作條件與例1相同，運行10 d后，COD去除率97%，NH3-N去除率96% ；TMP的平均增長速率3. 60 kPa/d,膜污染造成TMP較例1增加 18%。對于本領域技術人員來說，在本專利構思及具體實施例啟示下，能夠從本專利公開內(nèi)容及常識直接導出或聯(lián)想到的一些變形，本領域普通技術人員將意識到也可采用其他方法，或現(xiàn)有技術中常用公知技術的替代，以及特征的等效變化或修飾，特征間的相互不同組合，例如采用其他水溶性鈣化合物，等等的非實質性改動，同樣可以被應用，都能實現(xiàn)本專利描述功能和效果，不再一一舉例展開細說，均屬于本專利保護范圍。
權利要求
1.減輕膜生物反應器中膜污染的方法，包括向處理水中加入水溶性鈣化合物，其特征在于所說水溶性鈣化合物加入是在膜生物反應器前的進水中，加入量以鈣離子計為30 -200mg/Lo
2.根據(jù)權利要求1所述減輕膜生物反應器中膜污染的方法，其特征在于水溶性鈣化合物為無水氯化鈣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種減輕浸沒式膜生物反應器中膜污染的方法，其特征是向處理水中加入水溶性鈣化合物是在膜生物反應器前的進水中，加入量以鈣離子計為30－200mg/L。既保留了現(xiàn)有技術MBR工藝加入水溶性鈣化合物，降低污泥混合液中EPS含量，以及改變EPS性質，達到緩解膜污染的優(yōu)點，又因鈣化合物加入是在膜生物反應器外的進水中，從而降低了向混合液中加入的負面作用，真正達到緩解膜污染，延長膜使用壽命，降低MBR運行成本。
文檔編號B01D65/06GK102491493SQ20111036870
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月20日 優(yōu)先權日2011年11月20日
發(fā)明者丁祖軍, 堵國成, 徐國強, 李秀芬, 王宏, 王新華, 王遠飛, 陳康 申請人:江南大學, 江蘇鼎澤環(huán)境工程有限公司