专利名称：一种利用超声在线控制膜污染发展的方法
技术领域：
本发明涉及膜—生物反应器，特别涉及膜污染的在线控制方法，属于污水处理与回用技术领域。
背景技术：
膜—生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)是一种将膜分离技术与传统生物处理技术有机结合的新型高效污水处理与回用技术。目前制约膜一生物反应器大规模应用的根本因素是膜污染问题。膜污染是指在膜过滤过程中，被分离料液中溶质分子、胶体粒子和颗粒物在膜表面或膜孔内部的吸附或沉积，致使膜孔道变小或堵塞，膜表面形成凝胶层或滤饼层，造成膜通量不断降低或者是膜两侧驱动压力不断升高，直接导致产水量降低，运行费用提高。
膜污染的影响因素总的来说包括三个方面，即膜材料的性质、活性污泥混合液的性质和MBR工作的水力条件。
影响膜污染的膜材料性质主要包括膜的材质、孔径大小、孔隙率、膜表面的电荷性质、膜表面粗糙度以及亲疏水性等。
混合液(料液)性质包括污泥浓度、混合液的粒径分布、混合液粘度以及混合液中的SMP、EPS和微小颗粒浓度等。在膜一生物反应器中，造成膜污染主要有两大类物质。一类是溶液中的大分子物质、溶解性物质(如微生物代谢产物SMP)，这类物质会被吸附到膜表面形成凝胶层，或者进入膜孔内部造成膜孔堵塞，属于不可逆污染。另一类物质是颗粒状的物质，随着膜分离过程的进行，这类物质会在膜表面沉积形成滤饼层，由其产生的膜过滤阻力在膜污染总阻力中占有较大比例，但是这种污染一般是可逆的，称为可逆污染。如何采用有效手段控制可逆污染的发展是膜生物发应器中控制膜污染的关键。
MBR运行过程中膜表面的水动力条件是影响膜污染的重要因素。水力条件由两方面因素所决定，一方面是膜组件的固有结构形式，会直接影响膜表面的料液流态，从而影响MBR的抗污染性以及生产能力；另一方面是MBR的运行操作条件，包括初始膜通量、操作压力和水流流态等。在MBR的运行过程中，选择合适的水流流态使得膜表面流体处于湍流状态是控制膜污染的一个有效手段。对于传统的分置式膜—生物反应器，提高膜表面的错流速度是获得湍流水力条件的主要手段。
根据是否需要氧气供应，膜—生物反应器可分为好氧膜—生物反应器和厌氧膜—生物反应器。根据膜组件的位置，膜-生物反应器可分为分置式膜—生物反应器和一体式膜—生物反应器。
对于传统的分置式膜—生物反应器，其出水依靠循环泵提供的正压来作为膜过滤过程的驱动压力。分置式膜—生物反应器具有通量大、膜清洗方便的优点。但是，为了有效地控制膜污染，往往需要比较大的膜面流速，所用循环泵的流量和扬程较大，能耗也较大(为一体式膜生物反应器的4～6倍)。
传统的一体式膜生物反应器一般均为好氧膜一生物反应器。其膜组件一般采用帘式膜，利用气提原理，形成一个气水二相流在升流区和降流区循环，对膜表面进行冲刷，控制膜污染。其出水采用抽吸泵抽吸真空作为膜过滤过程的驱动压力。一体式膜—生物反应器的主要优点是能耗较分置式相对为低，用地较省，但其膜清洗不方便，膜清洗成本较高，膜通量也相对较小。而且，好氧微生物代谢所需要的氧气仅仅占总供气量的一小部分，供气主要用于气提整个反应器里的悬浮液，如何降低其能耗依然是研究方向之一。
针对膜—生物反应器的膜污染问题，寻求新的膜污染控制手段，在不提高系统能耗的前提下，实现长期稳定运行是膜—生物反应器研究的重点。而基于操作管理方便的考虑，寻求膜污染在线控制和污染膜在线清洗技术是膜污染控制研究的趋势。
对于把超声应用于膜过滤过程，国外在上个世纪九十年代即已开展相关研究。Kost等在1988年对应用超声提高膜渗透通量的方法申请了美国专利(US Patent No.4,7802,212)，Shimichi等在1995年研究了超声应用于离子交换过程对通量的提高效果，并申请了日本专利(Japan Patent No.07,31974)。把超声技术应用于膜一生物反应器，可以有效提高渗透通量，控制膜污染的发展，同时超声可以有效提高膜清洗效果。对于膜错流过滤过程，由于透过流量而引起的浓差极化现象是膜污染发展的前提，超声能在膜表面的固液边界层，产生微湍流现象，起到很好的混合搅拌作用，控制浓差极化的发展，从而有效控制膜污染的发展；随着过滤时间的推移，膜污染发生之后，超声所产生的机械振动和声空化效应等有助于膜污染，尤其是滤饼层构成的可逆污染的去除。
国内黄霞，陈福泰等的研究把超声应用于一体式好氧膜—生物反应器(申请号200410009684.8)，在膜过滤过程中，利用跨膜压力TMP作为控制指标，当TMP上升到一定程度通过自控设备打开超声，对膜污染进行在线清洗。
对于膜—生物反应器的膜污染问题，上述方法可以实现超声的在线清洗，但膜污染发展到一定程度后，超声清洗的效果不理想，不能有效去除污染，达不到普通离线化学清洗的效果；同时把超声装置设于生物反应器内部，会造成系统运行温度升高，因为超声的全部能量最终都将全部转化为热量并被污泥混合液吸收，因此限制了超声开启的功率和时间长度。
发明内容
本发明的目的是提供一种在膜—生物反应器中利用超声在线控制膜污染发展的方法，实现在较低的膜表面错流速度下，能有效地在线控制膜污染发展，维持膜—生物反应器长时间稳定运行，进一步降低运行能耗。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的一种利用超声在线控制膜—生物反应器中膜污染发展的方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)超声换能器采用线性排列并设置于膜组件外侧部，超声频率为20～50kHz；超声能量密度为0.025～10W/cm2；2)采用时间阶式递增法综合优化膜表面错流速度和超声的开关时间模式，其具体优化过程如下a、在反应器正常运行情况下，选定一组错流速度；b、在每个错流速度下，首先不开超声运行膜—生物反应器，使膜过滤阻力达到1.5Rm～3.0Rm，然后以超声开T1时间，关T2时间的模式运行膜—生物反应器；所述的T1为超声开启时间，初始值为T1＝1～5min；所述的T2为超声关闭时间，初始值为T2＝0.5～4h；所述的Rm为纯膜阻力，可在清水条件下通过测定TMP随膜通量的变化率确定；c、在一天的运行时间内，如膜过滤阻力的升高达到0.25Rm～1Rm，则选择时间增量ΔT(ΔT＝1～10min)，以开启T1+ΔT时间，关闭T2时间的模式运行膜—生物反应器；如此反复增加超声开启时间直至在一天的运行中，膜过滤阻力的升高小于0.25Rm～1Rm，亦不减小为止，此时的T1和T2就是优化后的超声开关时间；d、当T1数值增加至30min，膜过滤阻力上升仍超过0.25Rm～1Rm，则选择T1为30min，而减小T2；如T2减小至30min膜过滤阻力仍超过0.25Rm～1Rm，则该错流速度下，不能利用超声有效控制膜污染的发展，需要提高错流速度；e、按照上述步骤对每个错流速度进行优化，得到相应的超声开关时间，根据优化结果计算每个错流速度下循环泵能耗和超声设备能耗，最后以总能耗最低为原则确定合理的错流速度和相应的超声开启时间膜式。
在上述方案的基础上，当膜过滤阻力上升达到4Rm～6Rm时，停止系统出水，采用打开超声5～30min，关闭超声同样时间的模式运行2～4h，以去除膜表面污染层。
本发明的技术特征还在于所述的生物反应器采用分置式膜—生物反应器时，其综合优化得到的错流速度为0.25～0.75m/s；相应的超声开启时间为1～20min；超声关闭时间为30～120min。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果本发明提出直接利用超声在线控制膜污染的发展，也就是直接把膜污染控制在一定范围内，不允许其进一步发展；提出把膜组件设置于生物反应器外部，以解决对超声能量强度的限制；本发明以分置式厌氧膜—生物反应器为实施例做了系统研究，以膜过滤总阻力为衡量指标，以综合优化错流速度和超声开启时间为核心策略，提出了一套完整的膜污染控制方法，实现在较低的膜表面错流速度下，有效地在线控制膜污染发展，维持膜—生物反应器长时间稳定运行，进一步降低运行能耗。
对于厌氧膜—生物反应器，当反应器混合液污泥浓度为3～15g/L，膜通量为24L.m2.h-1，超声频率为25～45kHz，超声能量密度为0.04～2W/cm2时，优化后的膜面错流速度为0.5～0.75m/s；超声作用时间优化结果为在1h的周期内打开3～15min；此时对膜污染的控制效果可以达到在没有超声作用下，单独依靠水力控制时，膜表面错流速度为1～2m/s的污染控制效果。在超声声场作用下，膜过滤总阻力能够较长时间的维持在2Rm～6Rm范围内，膜—生物反应器总的运行时间可延长四倍以上。厌氧膜—生物反应器系统总能耗可以降低到不加超声、错流速度为1～2m/s条件下的50～75％。
图1是本发明用于分置式厌氧膜—生物反应器利用超声控制膜污染发展的装置示意图。
图中1—厌氧生物反应器；2—循环水进水管；3—循环泵；4—膜组件；5—循环水出水管；6—过滤出水管；7—超声换能器；8—超声发生器。
具体实施例方式
本发明提出一种利用超声在线控制膜污染发展的方法，技术要点主要包括所采用的超声换能器布置形式、超声频率、超声能量密度以及超声控制方法。
所述的超声换能器布置形式采用线性排列，设置于膜组件外侧部。所述的超声频率为20～50kHz；所述的超声能量密度为0.025～10W/cm2。研究表明对膜污染的控制效果随着超声频率的提高而减弱。对于能量密度，则随着能量密度的提高，膜污染控制效果加强，同时随着能量密度的增加，超声对生物处理系统的微生物活性以及膜材料本身的损伤也增大，系统的能耗亦增加。本发明的特征在于合理给出了超声频率20～50kHz，以及超声能量密度范围0.025～10W/cm2。
所述的超声控制方法主要是指综合优化膜表面错流速度和超声的开关时间模式，可采用时间阶式递增法确定。该方法针对不同的错流速度对超声开启时间模式进行优化，根据优化结果计算各错流速度下循环泵能耗(取决于错流速度)和超声设备能耗(取决于超声打开时间和能量密度)，最后以总能耗的最低值确定错流速度和相应的超声开启时间模式。
利用超声在线控制膜污染的发展，提高错流速度和延长超声作用时间都可以实现对膜污染的有效控制。超声开启时间延长，可以更有效的提高膜通量，控制膜污染的发展，但同时也意味着提高系统总的运行能耗。反之，超声开启时间过短，则无法实现在能够控制膜污染发展的前提下，有效降低膜表面错流速度，从而降低能耗。对膜表面错流速度、超声开启时间模式综合进行优化，可有效实现系统总能耗的降低。
本发明提出综合优化错流速度和超声作用时间以实现降低总能耗，同时保证系统稳定运行。时间阶式递增法的核心思想是在给定错流速度下，寻找到一个合理的超声开启时间模式，实现在开启时间内能够把关闭时间内膜污染的增长量削减下去。超声关闭时间周期内膜过滤阻力的上升程度取决于膜—生物反应器系统的污泥混合液性质(污泥浓度、污泥混合液粘度等)和膜表面的水力条件(主要是膜表面的错流速度)；超声开启时间周期内对膜过滤阻力的削减程度取决于超声的能量密度，超声开启时间长度以及系统的污泥浓度和错流速度。
因此，对于给定的膜—生物反应器系统，可选择一组错流速度，然后对每个错流速度，采用时间阶式递增法优化超声作用时间。具体的超声时间模式优化方法如下首先选定超声开启时间初始值T1，关闭时间初始值T2。一般T1初始值可选择1～5min，T2可选择0.5～4h，推荐0.5～2h。在选定的操作条件下，不开超声运行膜—生物反应器，使膜过滤阻力达到1.5Rm～3.0Rm(Rm为纯膜阻力，可在清水条件下通过测定TMP随通量的变化率确定)。然后以超声开T1时间，关T2时间的模式运行膜—生物反应器，在线控制膜污染的发展。在一天的运行时间内，如膜过滤阻力的升高达到0.25Rm～1Rm，则说明超声开启时间不够，可选择时间增量ΔT(一般可选择2min)，以打开T1+ΔT时间，关闭T2时间的模式运行膜—生物反应器。如此反复增加超声打开时间直至在一天的运行时间内膜过滤阻力的升高小于0.25Rm～1Rm，亦不减小为止，此时的T1和T2就是优化后的超声开关时间。因为一次的超声开启时间不宜过长，如果优化过程中，T1数值超过30min，膜过滤阻力的上升仍超过选定的范围，则可选择T1为30min，转而减小T2，T2的减小过程和T1的增加过程类似。如T2减小到30min，膜过滤阻力仍有明显增加，则说明该错流速度下，超声不能有效控制膜污染的发展，需要提高错流速度。
以上述优化的超声控制策略运行膜—生物反应器，随着运行时间的延长，膜过滤总阻力会继续缓慢上升，当过滤阻力上升达到4Rm～6Rm时，可考虑短期内延长超声作用时间，缩短超声关闭时间以去除膜表面污染层。具体方法为系统停止出水，采用打开超声5～30min，关闭超声同样时间的模式运行2～4h。
对于使用有机膜材料的膜—生物反应器，超声开启时间模式还涉及到对膜材料的保护，在超声的长期作用下，会导致膜材料的损伤，本发明提出通过在膜表面保留一定厚度的污染层来实现对膜材料的保护。该污染层厚度是通过维持总过滤阻力在一定范围内来限定的。本发明的特征在于给出了膜过滤总阻力的限制范围，即下限在1.5Rm～3.0Rm，上限在4Rm～6Rm范围内。一般地，污染膜的有两大类物质一类是溶解性的大分子物质，如溶解性微生物代谢产物(Soluble Microbial Products，简称SMP)和胞外聚合物(Extracelluar Polymers，简称ECP)，随着膜分离的进行，这类物质会被吸附到膜表面形成凝胶层(Gel Layer)，污染一般是不可逆的，但发展较为缓慢，称为不可逆污染(Irreversible Fouling)。另一类物质是颗粒物质，如污泥絮体，这类物质在膜表面沉积形成污泥层(Cake Layer)，污染是可逆的，称为可逆污染(Reversible Fouling)，这类污染在死端过滤中占有很大的份量(80％以上)，且发展迅速。本发明所述的在膜表面保留一定厚度的污染层主要是保留凝胶层和一部分滤饼层，而滤饼层的大部分是利用超声去除的主要对象。
实施例1本发明提出的利用超声在线控制膜污染的方法可用于厌氧膜—生物反应器，也可以用于好氧膜—生物反应器。下面以厌氧分置式膜—生物反应器为实施例作详细的说明。
图1为本发明用于分置式厌氧膜—生物反应器的工艺流程示意图。厌氧膜—生物反应器系统由厌氧生物反应器1，循环水进水管2，循环泵3，膜组件4，循环水出水管5，过滤出水管6，超声换能器7，超声发生器8组成。超声换能器7设置于膜组件的外侧部，在膜组件内形成超声声场以控制膜污染发展。经过厌氧生物反应器处理后的污水从反应器1底部流出，经循环水进水管2，由循环泵3泵入膜组件4，然后经循环水出水管5送回反应器上部完成料液循环，膜透过水经过滤出水管6排出。
本实施例中，反应器混合液污泥浓度为3～15g/L，膜通量为24L.m2.h-1。在超声频率为25～45kHz，超声能量密度为0.04～2W/cm2范围内对错流速度和超声开启时间进行了综合优化。膜表面错流速度选择了0.25m/s、0.5m/s、0.75m/s和1.0m/s。对于各个错流速度，在不开超声的条件下运行膜—生物反应器，当阻力达到2.0Rm后，以1h为超声作用周期(超声打开时间和关闭时间总和)，超声打开时间初始值T1选择1min，时间增量选择2min，利用技术方案所述的方法对超声开关时间模式进行优化。
运行结果表明，对于0.25m/s的错流速度，当超声打开时间达到30min，关闭时间为45min的条件下，仍不能有效地控制膜污染的发展；对于0.5m/s和0.75m/s的错流速度，超声作用时间按照上述方法优化结果为在1h的周期内打开3～15min；对于1.0m/s的错流速度，本试验的厌氧膜—生物反应器系统在超声打开1min、关闭59min的时间模式下即能实现在一周的试验时间内稳定运行，但由于循环泵的能耗较大使得系统总能耗较大。
因此，对于本实施例涉及的厌氧膜—生物反应器系统，综合优化错流速度和超声开启时间模式的结果为错流速度采用0.5～0.75m/s；超声作用时间为在1h的周期内打开3～15min。此时对膜污染的控制效果可以达到在没有超声作用下，单独依靠水力控制的方法膜面流速为1.0～2m/s的污染控制效果。在超声声场作用下，膜过滤总阻力能够较长时间的维持在2Rm～6Rm范围内，膜—生物反应器总的运行时间可延长至少四倍以上。相应的厌氧膜—生物反应器系统总能耗可以降低到不加超声，错流速度为1～2m/s条件下的50～75％。
权利要求
1.一种利用超声在线控制膜—生物反应器中膜污染发展的方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)超声换能器采用线性排列并设置于膜组件外侧部，其超声频率为20～50kHz；超声能量密度为0.025～10W/cm2；2)采用时间阶式递增法综合优化膜表面错流速度和超声的开关时间模式，其具体优化过程如下a、在反应器正常运行情况下，选定一组错流速度；b、在每个错流速度下，首先不开超声运行膜—生物反应器，使膜过滤阻力达到1.5Rm～3.0Rm，然后以超声开T1时间，关T2时间的模式运行膜—生物反应器；所述的T1为超声开启时间，初始值为T1＝1～5min；所述的T2为超声关闭时间，初始值为T2＝0.5～4h；c、在一天的运行时间内，如膜过滤阻力的升高达到0.25Rm～1Rm，则选择时间增量ΔT＝1～10min，以开启T1+ΔT时间，关闭T2时间的模式运行膜—生物反应器；如此反复增加超声开启时间直至在一天的运行中，膜过滤阻力的升高小于0.25Rm～1Rm，亦不减小为止，此时的T1和T2就是优化后的超声开关时间；d、当T1数值增加至30min，膜过滤阻力上升仍超过0.25Rm～1Rm，则选择T1为30min，而减小T2；如T2减小至30min膜过滤阻力仍超过0.25Rm～1Rm，则该错流速度下，不能利用超声有效控制膜污染的发展，需要提高错流速度；e、按照上述步骤对每个错流速度进行优化，得到相应的超声开关时间，根据优化结果计算每个错流速度下循环泵能耗和超声设备能耗，最后以总能耗最低为原则确定合理的错流速度和相应的超声开启时间膜式。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于当膜过滤阻力上升达到4Rm～6Rm时，停止系统出水，采用打开超声5～30min，关闭超声同样时间的模式运行2～4h，以去除膜表面污染层。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的膜生物反应器采用分置式膜—生物反应器时，其综合优化得到的错流速度为0.25～0.75m/s；相应的超声开启时间为1～20min；超声关闭时间为30～120min。
全文摘要
一种利用超声在线控制膜污染发展的方法，涉及膜—生物反应器中膜污染的在线控制，属于污水处理与回用技术领域。本发明在特定的超声频率，能量密度条件下，以系统总能耗最低为原则综合优化超声开启时间和膜表面错流速度，其综合优化过程采用“超声开启时间阶式递增法”，在给定的错流速度下，以膜过滤总阻力为衡量标准，通过逐步提高超声开启时间来寻求最佳超声开关时间模式。本发明提出了一套直接利用超声在线控制膜污染发展的方法，可实现在较低的膜表面错流速度下，有效地在线控制膜污染发展，维持膜—生物反应器长时间稳定运行，进一步降低运行能耗。
文档编号B08B3/12GK1724411SQ200510011799
公开日2006年1月25日 申请日期2005年5月27日 优先权日2005年5月27日
发明者文湘华, 黄霞, 隋鹏哲 申请人:清华大学