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浸没式双轴旋转厌氧膜生物反应器的研究

2020-12-05阅读(395)

浸没式双轴旋转厌氧膜生物反应器的研究

论文摘要

厌氧膜生物反应器（Anaerobic Membrane Bioreactor,AnMBR）是一种处理高浓度有机废水的有效方法,已成为国外如WERF（Water Environmental ResearchFoundation）等协会研究的重点之一。浸没式MBR由于能耗低、过膜压差（TMP）低和小的占地面积而得到了广泛的应用。但AnMBR的运行方式目前在国内外几乎以外置式为主。是因为浸没式AnMBR的膜污染控制始终无法真正有效地得以解决,而限制了它的应用。因此为了控制、解决浸没式AnMBR中的膜污染问题,我们研发了一套浸没式双轴旋转厌氧膜生物反应器（Submerged Double-shaftRotary Anaerobic Membrane Bioreactor,SDRAnMBR）。系统内装填平板超滤膜,内置的旋转膜组件采用双轴同向旋转,由膜旋转形成的湍流可削弱膜表面的浓差极化及凝胶层的形成,从而有效地控制膜污染,使膜污染降低到最低程度。可将浸没式厌氧膜生物反应器的概念进行真正意义上的落实。我们利用开发的SDRAnMBR处理模拟啤酒废水,系统研究了SDRAnMBR的启动特性、处理啤酒废水的运行效能、膜污染性能及膜污染机理,主要研究成果如下:（1）设计开发了一套SDRAnMBR系统,容器容积120L。有效容积100L,内置的双轴旋转平板超滤膜组件的最大膜面积2.4m2,双轴旋转最大速度500rpm,最高的平均剪切流速理论值为4.4m/s,满足了一般料液的处理要求。适合用来处理高悬浮物含量、中高浓度的料液。双轴旋转膜组件是本系统的关键和创新部分。（2）由SDRAnMBR的动力学特性的理论分析表明:双轴旋转膜组件在AnMBR中动力学流场中,会产生均匀化效应、交错振动效应和三相旋转流效应。由于他们的协同作用,强化了旋转流的剪切、紊动、振动和传质特性。阻止了复合涡流的产生,降低了渗透反压,可解决单轴旋转膜组件存在的问题。在一定程度上可实现提高膜面流速、降低浓差极化层厚度和渗透液主体浓度以及膜内外的渗透阻力,从而能最大限度降低浓差极化,提高了渗透通量。（3） SDRAnMBR具有良好的启动特性。与常规厌氧生物反应器的启动试验研究对比表明:SDRAnMBR启动速度快,仅用了26天;耐冲击负荷能力强;COD去除率高于常规厌氧生物反应器,稳定在92%以上,约高10%;反应器运行稳定,未发生酸化现象;且出水挥发酸（VFA）和出水的碱度可以在较大的范围变动而不会发生酸化现象。出水碱度为1200～2600mg/L,出水VFA在200～600mg/L范围内,出水碱度/VFA在3.5～6.5之间。而常规厌氧生物反应器则易发生酸化现象,反应器运行稳定性较差。建议直接采用膜生物反应器启动厌氧反应器。（4） SDRAnMBR对啤酒废水有着好的处理效果,负荷提高快,有机物去除率高,系统的耐冲击负荷的能力强,而且运行非常稳定。在正常运行期间,进水COD在2900～5200mg/L,容积负荷为4.97～12.48kgCOD/m3·d,COD的去除率平均为95.15%。膜的截留作用和三相旋转流的共同作用,加强了在高污泥浓度（MLSS）和高负荷下运行时的混合和传质,从而强化了浸没式AnMBR在高MLSS和容积负荷下运行的稳定性和出水水质。（5） SDRAnMBR具有良好的抗膜污染性能。其运行特点为,在一定HRT、MLSS浓度、膜旋转速度下,系统膜通量和TMP不变,能长期稳定运行。此试验条件下最佳操作参数为:水力停留时间（HRT）为10h,容积负荷（10.52～12.09kgCOD/m3·d）,MLSS（18～19.5g/L）,膜旋转速度为150rpm,膜通量（30.75～31.31L/m2·h）,TMP（12～13kPa）。由此可见,采用SDRAnMBR处理废水,能大幅度减轻浸没式AnMBR在高MLSS和高容积负荷下运行的膜污染,实现了在较低膜旋转速度、较短的HRT、较大的容积负荷、较大的MLSS、较大的膜通量和低TMP下的浸没式AnMBR的长期稳定运行。（6） SDRAnMBR中良好动力学特性（均匀化效应、交错振动效应、三相旋转流效应）、膜的截留作用和厌氧颗粒污泥的协同作用的结果,能大大减轻由剪切力过大对污泥活性的影响,并提高了污泥活性;抑制了胞外聚合物（EPS）在污泥混合液中由于MLSS增大而造成的快速积累,同时也抑制了污泥粘度的快速增大。使之能在一定MLSS和污泥粘度范围内膜过滤阻力保持不变。从而大幅度减缓了膜污染。并使之能在较高的MLSS（18～19.5g/L）、较高的EPS浓度（50.9～63.9 mg/gMLSS）、较小的污泥颗粒粒径（4.00～36.54μm）和较大的污泥粘度（6.6～7.5mPa·s）时稳定运行。进一步说明SDRAnMBR强化了膜组件的抗污染性能。（7）提出了SDRAnMBR的膜污染机理。一是膜污染阻力占总阻力的89.68%。其中外部阻力（即浓差极化阻力和泥饼阻力之和）是膜污染的主要成部分,占到总阻力的76.34%。膜本身阻力和内部阻力与外部阻力相比所占比例较小,分别占总阻力的10.32%和13.34%。因此污染阻力主要是由泥饼层引起的,整个过滤过程以泥饼层控制为主。经过146天的运行,膜表面泥饼层仍然较薄而且松散,膜污染速率缓慢,膜污染较轻,过滤阻力随时间的增大的速率非常缓慢,并在一定膜转速下,过滤阻力保持不变。证实了本MBR系统能有效地减小浓差极化和避免污泥颗粒在膜表面的沉积,有效控制膜污染;二是在SDRAnMBR运行的146天里,只发生了阶段1（短时间快速TMP上升）和阶段2（长期慢速的TMP呈线性上升）,阶段3（突然的快速的TMP上升）未发生。即把阶段1的膜污染限定在了更短的时间范围内（40min）;大幅度延长了阶段2的操作时间,并使会导致过滤无法继续的阶段3未发生。达到了MBR可持续操作的要求。总体来说,SDRAnMBR能最大限度减轻和控制浸没式AnMBR的膜污染,使之能够在低污染情况下和高负荷下长期稳定运行,并保持稳定的运行通量;可较长期的运行而不需清洗,使能耗大幅度降低;成功地解决了浸没式AnMBR膜污染控制存在的问题,使之成为高效、稳定的厌氧MBR系统。证实了对SDRAnMBR动力学特性的理论分析,具有良好的应用前景。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 概述
  • 1.2 膜生物反应器的研究
  • 1.2.1 MBR工作原理
  • 1.2.2 MBR操作模型
  • 1.2.3 膜组件的构型
  • 1.2.4 好氧和厌氧MBR
  • 1.2.5 MBR的研究和应用
  • 1.2.6 MBR的发展趋势
  • 1.3 MBR膜污染的影响及控制研究
  • 1.3.1 膜污染的形成机理、影响因素研究
  • 1.3.2 膜污染控制技术
  • 1.4 新型MBR的开发
  • 1.4.1 膜组件振动MBR
  • 1.4.2 旋转流MBR
  • 1.4.3 气升式MBR
  • 1.4.4 组合MBR
  • 1.5 厌氧膜生物反应器存在的问题
  • 1.5.1 外置式厌氧MBR存在的问题
  • 1.5.2 浸没式厌氧MBR膜污染控制存在的问题
  • 1.6 课题研究目的意义及主要研究内容
  • 1.6.1 课题研究目的意义
  • 1.6.2 主要研究内容
  • 第2章 SDRAnMBR的研发和实验设计
  • 2.1 研发SDRAnMBR的理论基础
  • 2.1.1 MBR的物质传递及膜污染
  • 2.1.2 SDRAnMBR中旋转流的理论分析
  • 2.1.3 SDRAnMBR中的三相流特性
  • 2.1.4 SDRAnMBR中的三相旋转流特性
  • 2.2 实验设计
  • 2.2.1 设计思路
  • 2.2.2 实验工艺流程
  • 2.2.3 SDRAnMBR设备
  • 2.2.4 试验设计
  • 2.3 本章小结
  • 第3章 SDRAnMBR的启动研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 SDRAnMBR的启动
  • 3.2.1 试验方法
  • 3.2.2 试验结果与讨论
  • 3.2.3 结论
  • 3.3 常规厌氧生物反应器的启动
  • 3.3.1 试验装置
  • 3.3.2 试验方案
  • 3.3.3 试验结果和讨论
  • 3.3.4 结论
  • 3.4 启动特性比较
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 SDRAnMBR处理啤酒废水的运行效能
  • 4.1 试验方法
  • 4.2 SDRAnMBR运行状况及参数
  • 4.3 SDRAnMBR的去除效果
  • 4.4 SDRAnMBR对出水水质的影响因素分析
  • 4.4.1 进水COD浓度及HRT的影响
  • 4.4.2 容积负荷和冲击负荷的影响
  • 4.4.3 MLSS的影响
  • 4.5 碱度、VFA和碱度/VFA与SDRAnMBR的运行性能
  • 4.6 膜的贡献分析
  • 4.6.1 膜截留原理和作用
  • 4.6.2 SDRAnMBR中膜的贡献分析
  • 4.7 本章小结
  • 第5章 SDRAnMBR的膜污染机理研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 SDRAnMBR膜污染试验方法
  • 5.2.1 SDRAnMBR的运行条件
  • 5.2.2 MBR膜污染的表征
  • 5.2.3 试验方法
  • 5.3 SDRAnMBR旋转速度对膜污染性能的影响
  • 5.3.1 旋转速度对SDRAnMBR膜污染性能的影响
  • 5.3.2 最佳操作参数的确定
  • 5.4 SDRAnMBR的污泥特性及对膜污染的影响研究
  • 5.4.1 SDRAnMBR的微生物和膜污染观察
  • 5.4.2 污泥浓度对膜污染的影响
  • 5.4.3 EPS对膜污染的影响
  • 5.4.4 污泥粒径对膜污染的影响
  • 5.4.5 污泥粘度对膜污染的影响
  • 5.4.6 污泥特性阻力模型的建立
  • 5.5 膜污染速率分析和阻力模型
  • 5.5.1 膜污染速率分析
  • 5.5.2 膜组件各部分阻力分析
  • 5.5.3 膜污染阻力模型
  • 5.6 SDRAnMBR膜污染机理分析
  • 5.7 SDRAnMBR的特点
  • 5.8 本章小结
  • 第6章 结论与展望
  • 6.1 结论
  • 6.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读学位期间的研究成果

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