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玻璃纤维编织管动态膜生物反应器处理沼渣废液 ＊ 袁栋栋 樊耀波 于 艳 徐国良 杨文静 吴光夏 中国科学院生态环境研究中心水污染控制室, 北京 100085 摘要 一种新型的玻璃纤维编织管动态膜生物反应器应用于高黏度、高氨氮和高 C O D的沼渣废液的处理。 该玻璃纤 维编织管经过了固化和覆膜的组合改性, 膜组件采用平板化的栅式构型。 研究表明 组合改性方式分别为 1∶4 1∶50 和 1∶21∶50时的膜组件的稳定通量分别为 5. 45 L / m 2 h 和 6. 50 L / m2 h ; 同时膜组件的清洗效果良 好, 再次运行仍能够稳定, 通量为 5. 35 L / m 2 h 。 而且出水比较澄清, 没有臭味, 养分也得到了有效保留。 此外, 改 性后的玻纤编织管估算价格约为 93. 2元 /m 2, 低于传统有机膜。 关键词 玻璃纤维编织管; 动态膜生物反应器; 沼渣废液; 膜通量 T R E A T ME N TO FWA S T E WA T E RF R O M B I O G A SS L U R R YB YD Y N A MI C ME MB R A N EB I O R E A C T O RWI T HG L A S SF I B E RT U B E Y u a nD o n g d o n g F a nY a o b o Y uY a n X uG u o l i a n g Y a n gWe n j i n g WuG u a n g x i a D e p a r t m e n t o f Wa t e rP o l l u t i o nC o n t r o l T e c h n o l o g y , R e s e a r c hC e n t e r f o r E c o - E n v i r o n me n t a l S c i e n c e s , C h i n e s eA c a d e m yo f S c i e n c e s , B e i j i n g100085, C h i n a Ab s t r a c t An o v e l g l a s s f i b e r d y n a mi cm e m b r a n e b i o r e a c t o r w a s u s e dt ot r e a t t h e w a t e r f r o mb i o g a s s l u r r yw i t ht h e h i g hv i s c o s - i t y , h i g ha m m o n i a - n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o na n dh i g hC O Dc o n c e n t r a t i o n .T h eg l a s sf i b e r w a s mo d i f i e db yt h ec o m b i n a t i o no f s o - l i d i f i c a t i o nw i t hc o v e r i n gt h ef i b e r sw i t ho r g a n i cme m b r a n es o l u t i o n , a n dt h ec o n f i g u r a t i o no f t h em o d u l ew a so f p l a t eg r i l l e f o r m.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t w h e nt h em o d i f i c a t i o nr a t i o sw e r e1∶41∶50a n d1∶21∶50, t h e p e r f o r m a n c em a i n t a i n e d s t a b l e , w i t ht h ef l u xo f5. 45 L / m 2 h a n d6. 50 L / m2 h r e s p e c t i v e l y .A f t e rah y d r a u l i ca n dc h e m i c a l c l e a n i n g , t h e f i l t r a t i o np r o p e r t yo f t h em o d u l er e c o v e r e dw e l l , a n dm e m b r a n e f l u x o f t h es e c o n dr u n n i n g c y c l e w a s5. 35 L / m 2 h w i t ht h e r a t i oo f 1∶41∶50.Mo r e o v e r , t h ee f f l u e n t w a sc l e a n , n os m e l l a n dn u t r i e n t s w e r e e f f e c t i v e l yr e s e r v e d .Mo r e o v e r , t h ec o s t o f t h em o d u l ea f t e r m o d i f i c a t i o nw a sa p p r o x i ma t e l y93. 2 Y u a n /m 2, w h i c hw a sl o w e r t h a nt h et r a d i t i o n a l o r g a n i cm e m b r a n e . Ke y wo r d s g l a s sf i b e r t u b e ;d y n a mi cme mb r a n eb i o r e a c t o r ;w a t e r f r o mb i o g a ss l u r r y ;me m b r a n ef l u x ＊国家高级技术研究发展计划“863”项目 2006A A 06Z 333 。 0 引言 沼气是目前新农村建设大力推广的一种综合利 用新型能源 。农村现有沼气站在提供沼气能源的同 时还产生大量副产品 沼液 、 沼渣 。沼渣、沼液不 仅是农作物速、 缓兼备的有机复合肥 , 又是一种病菌 极少兼有抑虫、 防病作用的卫生肥料 , 所以愈来愈多 的应用到农业生产中 。沼液可用于作物浸种, 果树蔬 菜叶面喷施或根部追肥, 用于养鱼 , 增加池内浮游微 生物的饵料 ,促进浮游微生物的生长与繁殖 [ 1- 4] 。 然而由于沼渣、 沼液悬浮固体多 、 黏性大、沉淀性 差 ,既不能用沉降法也很难用普通物理过滤器进行固 液分离 ; 如果沼液直接用于滴灌, 由于其固体颗粒物 较多, 达不到滴灌或喷洒设备对通过孔径的要求, 堵 塞滴灌穿孔管严重, 喷灌施肥难以实施 ; 而且沼液含 有硫化氢、硫醇等恶臭物质所以含有难闻的气味, 操 作环境恶劣 ,难以将沼液原液制成复合肥成品推广应 用 ,如采用常规的晾晒干化法,受天气影响大, 需要很 大的干化场地,处理能力难以达到,且卫生条件差 ,造 成环境污染和影响周围居民正常生活。 动态膜是利用多孔载体过滤时, 滤液中的微粒在 各种机制的作用下,在多孔载体表面形成的一层具有 微滤或超滤性质的膜层, 也是通常意义的污染层, 由 于这种膜层厚度随过滤过程动态变化 ,故称为动态膜 d y n a m i c m e m b r a n e , D M B R 或称为二次膜 s e c o n d a r y m e m b r a n e [ 5] 。动态膜由膜基材和成膜材料 成膜粒 43 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 子 两部分组成。目前自生动态膜膜生物反应器中 应用的膜基材主要包括筛网 、工业滤布 、 无纺布和钢 丝网 [ 6- 11]等 。本试验采用玻璃纤维编织管动态膜生 物反应器处理沼渣废液,可以有效去除沼渣废液的臭 味及提高沼液的可分离性, 获得一种无臭味、清澈透 明 、 颜色如葡萄酒红的净化沼液, 同时保留净化沼液 的肥分 ,堵塞滴灌穿孔管的悬浮物被有效去除, 净化 沼液有望成为液态有机肥料。在无机管式动态膜膜 生物反应器中的污泥可分离性有较大程度地提高, 恶 臭气味被去除 , 经脱水后可成为制造复合肥的优质 原料。 1 材料与方法 1. 1 试验装置 试验主要包括 2个流程 ,其中流程 1主要由原水 池 、 动态膜生物反应器 D M B R 和自控系统组成; 流 程 2在流程 1的基础上加入了厌氧阶段 。试验装置 及工艺流程如图 1所示。 1原水箱; 2潜水泵; 3生化反应池; 4动态膜组件; 5穿孔曝气管; 6鼓风机; 7气体流量计; 8蠕动泵; 9液体流量计; 10真空压力表; 11排泥阀; 12厌氧反应器 图 1 试验装置示意 D M B R 的生化反应池为长方柱型, 有效容积为 33. 0 L , 自控系统控制反应器的运行 。反应器底部设 有穿孔曝气管,曝气量 0. 6 m 3 /h 。反应器进水为沼渣 废液经厌氧处理后, 并经过 6目筛网过滤后的出水, 采用液位计控制 ,由潜水泵从原水池供给 ,进入生化 反应池 ,依靠生化反应池的生化反应和动态膜分离性 能来实现有机污染物的降解和高效的泥水分离 ; 出水 采用蠕动泵间歇操作 5 m i n 开 , 2 m i n 停 的方式。 1. 2 动态膜基材和膜组件 动态膜组件采用改性后的玻璃纤维编织管作为 膜基材 ,改性方式为固化和覆膜的组合方式, 其中流 程 1采用的是 1∶50 固化 和 1∶4 覆膜 的组合方 式 ; 流程 2的阶段 1采用的是流程 1中膜组件运行结 束后经清洗的膜组件 ; 流程 2的阶段 2采用的是 1∶ 50 固化 和 1∶2 覆膜 的组合方式 ; 膜组件面积 为 0. 03 m 2 。 试验中采用的膜组件为一种平板化的栅式膜组 件 图 2 。这种膜组件的膜丝松弛度很小, 膜丝相对 于组件本身无摆动现象, 而是做整体上的小幅度振 动 ,因而这种构型的膜组件不易折损 , 并改善了传统 中空纤维膜组件存在的膜丝易断的缺点。可以看出, 平板化的栅式膜组件兼具了中空纤维膜组件填充面 积大和平板式膜组件强度高 、寿命长的优点, 且由于 玻璃纤维编织管固有阻力低,因此该类型的膜组件工 作压力会低于传统有机膜生物反应器。 图 2 膜组件 1. 3 试验用水 试验沼液取自留民营沼气站的出水, 水质指标见 表 1。 表 1 试验污水水质 项目流程 1流程 2 ρ C O D / m g L - 1 12 163 ～ 23 66611 915～ 18 100 ρ B O D 5 / m g L - 1 5 000 ～ 12 0004 800～ 11 500 ρ 氨氮 / m g L - 1 3 856 ～ 4 4813 612～ 3 895 p H8. 32 ～ 9. 218. 20～ 9. 44 ρ 总氮 / m g L - 1 4 6004 784 ρ 总磷 / m g L - 1 294112 2 结果分析与讨论 2. 1 反应器运行情况 2. 1. 1 污泥混合液的性质 流程 1中 D M B R 反应器内混合液污泥质量浓度 稳定为 35. 0 g /L 左右 ,黏度为 7. 5 m P a s ; 流程 2中 D M B R反 应 器 内 混合 液 污 泥 质 量浓 度 稳 定 为 15. 0 g /L 左右, 黏度为 6. 7 m P a s 。溶解氧质量浓 度分别为0. 5 m g /L 和 1. 1 m g /L 左右。流程 1和流程 2动态膜反应器中污泥混合液的 p H 为 7. 85 ～ 9. 35。 流程 1和流程 2 包括阶段 1和阶段 2 的污泥 C O D 负荷分别为 0. 043, 0. 066, 0. 080 k g / k g d 左右。 44 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 反应器运行过程中污泥浓度的变化情况见图 3。 图 3 污泥质量浓度变化情况 2. 1. 2 反应器的通量和跨膜压差 流程 1中动态膜生物反应器的进水为经过 6目 筛网后的出水 , 动态膜生物反应器的通量稳定在 5. 45 L / m 2 h ,跨膜压差为0. 025 M P a , 出水 3 d 浊 度即可达到 5N T U 左右 。流程 2在 D M B R 反应器前 加入了厌氧反应器,其中阶段 1采用的是流程 1中经 清洗后的膜组件 , 通量稳定在 5. 35 L / m 2 h , 跨膜 压 差 为 0. 024 M P a ;阶 段2 的 通 量 稳 定 在 6. 50 L / m 2 h ,跨膜压差为0. 022 M P a 图 4 。 a 流程 1; b 流程 2 阶段 1 ; c 流程 2 阶段 2 图 4 跨膜压差和通量随时间的变化情况 由图 4可以看出, 虽然由于进水浓度高, 导致混 合液污泥浓度和黏度很大, 但玻璃纤维编织管动态膜 生物反应器仍能够将泥水分离 ,同时运行稳定, 跨膜 压差不超过 0. 03 M P a , 因此该工艺可以应用于沼渣 废液的处理 。 2. 1. 3 营养物质的保留情况 表 2为反应器对沼渣废液处理后的水质情况。 表 2 试验出水水质 项目流程 1 流程 2 U A S B 出水D M B R 出水 ρ C O D / m g L - 1 1 401 ～ 3 62810 000 ～ 13 6471 365 ～ 2 143 ρ B O D5 / m g L - 1 1 200 ～ 2 8008 500 ～ 10 000500 ～ 1 850 ρ 氨氮 / m g L - 1 939 ～ 1 5993 497～ 3 8501 032 ～ 1 147 p H6 . 23 ～ 8. 938. 96～ 9. 358 . 86 ～ 9. 40 ρ 总氮 / m g L - 1 2 2104 6191 398 ρ 总磷 / m g L - 1 1667832 由表 2可见 ,反应器流程 1出水 ρ C O D 浓度平 均为2 525 m g /L ,去除率平均值为 85. 15; 出水氨氮 质量 浓度 平 均 为 1 250 m g /L , 去除 率 平 均 值 为 69. 70; 总氮去 除率为 51. 95; 总磷 去除 率为 43. 97。 流 程2 出 水 ρ C O D 浓 度 平 均 为 1 608 m g /L , 去除率平均值为 88. 98, 其中厌氧反应 器的去除率为 24. 35,起到了一定的去除作用 ; 流 程 1出水氨氮质量浓度平均为1 376 m g /L , 去除率平 均值为 68. 40。流程 2出水氨氮质量浓度平均为 1 097 m g /L , 去除率平均值为 71. 24; 总氮的去除率 70. 78, 其 中 厌 氧 反 应 器 对 总 氮 的 去 除 率 为 3. 45; 总磷的去除率 71. 43, 其中厌氧反应器对 总磷的去除率为 30. 36。消耗的 N 和 P 等营养物 质主要是用于微生物的代谢与合成 。同时反应器出 水清澈没有臭味 ,且有效保留了肥分 ; 而且动态膜反 应器内的污泥也可以用于堆肥等。 2. 1. 4 膜组件的清洗效果 流程 1运行结束后,对膜组件进行了清洗 。清洗 方法为 清水中气水联合清洗2 h 曝气量 0. 6 m 3 /h , 然后采用有效氯质量分数为 0. 05的次氯酸钠清洗 3 h 。清洗后各组件的阻力情况见表 3。 表 3 清洗前后膜阻力和膜阻力恢复率 项目组合改性 1∶5 1∶50 固有阻力 /m- 11. 3 1010 污染后总阻力 /m- 12. 2 1012 污泥层阻力 /m- 11. 1 1012 凝胶层和膜孔堵塞阻力 /m- 11. 09 1012 膜阻力恢复率 /89. 45 由表 3可知,经覆膜改性的玻纤套管膜组件的固 有阻力远远小于传统的中空纤维膜组件 数量级一般 为 1 10 2 m -1[ 12] ,即克服固有阻力所需的动力减少, 此外,污染后的膜组件经清洗后膜阻力恢复率很好,达 45 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 89. 45,说明气水联合清洗并碱洗的方式是有效的。 2. 2 膜组件造价 本试验采用经稀释的纯膜液制作覆膜 ,用该方法 制造的膜组件每平方米需要膜液 20 ～ 60 m L ,而传统 的有机膜制造工艺则需要 500 m L 左右, 可见这种工 艺能较大程度地减少膜液的用量 ,减少石油资源的使 用 ,制造成本降低 ,总成本约为 93. 2元 /m 2 传统有 机膜膜组件造价一般为 150 ～ 450元 /m 2 。 3 结论 本试验采用玻璃纤维管动态膜生物反应器对沼 渣废液进行了处理, 效果良好, 解决了沼渣废液存在 的悬浮颗粒多、 黏度高和臭味大的问题 ,并得到了一 种液态肥料 。同时,栅式的膜组件解决了传统中空纤 维膜组件存在的断丝问题, 而且价格相对低廉 。此 外 ,该膜组件能够单丝更换, 而且经清洗后膜组件的 过滤性能恢复良好, 再次运行仍能稳定 ,通量和跨膜 压差相差不大,维护费用也会降低。平板化的栅式膜 组件,当改性方式分别为 1∶4 1∶50和 1∶2 1∶ 50 时 稳 定 通 量 分 别 为5. 45 L / m 2 h 和 6. 50 L / m 2 h 。目前本试验中的厌氧反应器运转 效果不够理想 , 这主要与厌氧反应器内温度不高有 关 ,工程实际应用时应保持反应器内温度在 35℃左 右 ,以使该工艺在最佳条件下运行。 该项技术对农村沼气工程的可持续发展有重要 意义。 参考文献 [ 1] 郭强, 柴晓利, 程海静, 等. 沼液的综合利用[ J ] . 再生资源 研, 2005 6 37-41. 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