不同编织方式的PVDF内衬膜在MBR生活废水中的应用研究外文翻译资料

 2022-08-02 17:06:09

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1.简介

1.1.膜生物反应器（MBR）

膜生物反应器（MBR）由于具有独特的优势（例如高质量的出水），它们是常见生物反应器和膜过滤单元的结合物（用于保留生物质），已成为废水处理领域最先进的技术，并日益普及。2005年MBR技术的市值约为2.17亿美元。其先进的废水处理工艺和其他膜技术相比，年均增长10.9％。2002年至2005年间，每年安装50多个大于20m3/d的新型工业MBR和20多个大于500pe的市政装置。根据安装的膜表面，市政部门在2003年至2005年间占据了75%的市场份额。

MBR操作方面已经积累了很多经验。然而，由于相互作用的生物和膜过滤现象的复杂性，工厂设计仍然需要相当经验性。与传统的活性污泥法（CAS）相比，这会导致较高的成本，主要是形式化处理（例如Ref ），通过使用腐蚀性化学物质进行膜清洁等增加了环境的负担。

生物反应器和膜分离不能视为独立的单元操作，因为它们在生物反应和膜过滤方面会相互作用–在MBR的情况下，“1 1不等于2”。可以说，结果是否大于或小于2，取决于生物量的状态，尤其是取决于微生物与膜的相互作用。

尽管它们经常被提及优点（例如减少足迹和减少污泥的产生），但任意高浓度的混合液悬浮固体（MLSS）通常不会采用，因为MLSS浓度上升和非牛顿粘度的增加。在高粘度下运行会影响泵所需的能量，膜的空气冲刷和微生物的氧气供应。由于这些经济原因，如今，处理市政污水的全尺寸MBR的MLSS范围约为8–18g /升。这些是相当大的经验值，而最佳值取决于各个装置，例：管道，曝气设备以及除MLSS浓度以外的其他生物质特征。

描述生物学反应或膜过滤的模型和参数已被广泛使用。但是，由于生物过滤和膜过滤阶段相互影响，因此需要修改适用于MBR的模型。尽管这些实践经验和数据可用于MBR流程，但到目前为止，尚未考虑到所有交互作用的系统研究。

1.2.MBR结垢

与CAS相比，MBR技术的主要缺点仍然是成本高。在过去的几年中尽管膜组件的成本已大大降低（低于50美元/m2）导致资本成本的减少，但膜污染的减少导致能源需求的增加，成为了MBR总体运营成本的主要贡献。结垢会以多种方式影响这些，如下所示。

由于以下原因降低了植物的生产率/产水量:

过滤破裂和反冲：为了去除沉积物层，通常在渗透侧（空心纤维组件）或松弛（弹性组件）反冲，通常需要大约10分钟。每3-12分钟过滤15-60秒。

经常清洁（维护清洁大约每2-7d，每年进行一次或两次）。通过形成化学清洁副产品（例如可吸附的有机卤素（AOX）），还会导致环境危害。）。

损坏，效率低下或后期的化学清洗可能会缩短模块的使用寿命并导致更高的更换成本。

曝气对能源的高要求：膜曝气是运营成本的最大贡献者，高达总能源成本的70％。根据10年全尺寸MBR的运行经验，发现仅在10％的运行时间内，即在峰值负载期间，可以最佳地利用所提供的能量，这显示出巨大的优化潜力。

严格意义上的结垢是在操作过程中吸附或简单堆积的沉积物覆盖膜表面（外部和内部）。但是，该术语通常用于表示所有导致渗透率损失的现象。这种损失会导致更大的膜表面，更高的施加压力或较高的流速/剪切速率，或者频繁地对结垢的膜进行化学清洁，这都会导致更高的能量消耗。但是，渗透性损失也可能是由于模块堵塞或淤塞造成的，这是由于交叉条件的局部破坏以及随后对生物质的脱水而造成的，该生物质在组件的空隙中留下了相当大的固体沉积物。

由于沉积物主要通过对流传输带到膜上，因此很明显污垢的发生率取决于与表面垂直的速度-渗透通量。这导致一个典型的权衡或优化问题：在较高的通量下，资本支出减少而运营支出增加。如果已知通量和结垢率之间的相关性，则可以进行优化。不幸的是，结垢的速度取决于许多其他相互关联的参数。迄今为止，仍然缺乏基本的了解，因此这种关系是模糊的。

由于经济影响，结垢一直是膜特别是MBR研究中的主要问题，十多年来，已发表论文的数量稳步增长。大约所有MBR文献中30％有关污垢。遗憾的是，尽管与实验室，实验室或中试规模研究的大量论文形成对比，但对结垢的全面调查却很少。尽管有大量可用信息，但许多问题仍然没有答案。下面列出了许多未解之谜，剩余的知识鸿沟和矛盾的结果的三个主要原因：

（1）由于膜生物反应器系统的复杂性，研究人员—包括我们自己的实验室—在观察任何一种关系时都会得出结论

（2）各种各样的实验，样品制备评估方法由不同的小组使用。例如，临界通量（请参阅 2.1.2）在其最严格的形式中是不可实现的，因此对所谓的临界通量的确定是相当随意的，并取决于所使用的方法。

（3）通常，一个术语是建立起来的，但使用时没有明确的定义。例如，术语“可溶性微生物产物（SMP）”是指通过不同方法分析的一组化合物（见第2.1.1节），术语“临界通量”通常用于各种通量步进试验中观察到的不同阈值通量。

结垢可分为不同类别。传统上，术语“可逆结垢”是指可以通过物理方法如反冲或在交叉条件下松弛，由维护清洁剂清理，剩下另一基准由主要清洁剂处理。最后，污垢无法通过任何清洁方法清除的结垢，而不可逆结垢则是指只能通过化学清洁去除的结垢。然而，在典型的全尺寸MBR的长期运行过程中，可以观察到另外两个不同的结垢率（ 图1 和 表格1 ）。可逆污垢是由于外部物质的沉积（滤饼过滤）而发生的，大部分在过滤中断或反冲洗循环过程中被清除。基线的斜率是不可逆转的，因为它是完全的由维护清理。留下另一个基线由主要污垢处理。最后，不可恢复的污垢无法通过任何清洗来清除，并且会长期产生。

已经进行了一些尝试将渗透率下降与生物质浓度相关，絮凝体大小，污泥流变学以及悬浮的细胞外聚合物（EPS）的浓度相结合。尽管如此，由于生物系统的复杂性、方法缺失和术语标准化，这些是互相矛盾的。

这项工作旨在退后一步，并严格地重新评估结垢表征方法和结果。着眼于最新发现和新兴的污垢缓解，这些策略可能会导致更经济，更稳健的MBR运行，这也意味着对Judd和Le-Clech在2006年发表的大量MBR污论进行了更新和补充。

1.2.污染的原因

结垢是不可避免的，但当知道机理和负责任的物质时，可以在一定程度上加以控制。传统上，三个因素认为会影响结垢：膜，污泥特性和操作。需要将因素“操作”分为生物学参数和膜操作参数。曝气模块尺寸已添加到原始的三个因素中，并组成了一组设计参数。但是，经常忽略另一个设计方面：模块的几何特征，而且MBR储罐本身的几何特征都影响流体动力学，进而影响结垢和堵塞。图2显示了工程决策变量如何通过相互关联的生物量特征和水动力学网络影响渗透率损失。除结垢和堵塞外，清洗还会影响膜老化造成渗透性损失。清洁化学品也可能改变膜的污染附着易感性。

如1.2节所述一些参数之间已经开发了（由Chang等人综述,和Judd），但在许多情况下，这些都无法确认或转移到其他工厂。除了缺乏量化的依存关系外，甚至连定性的性质也鲜为人知。例如，对于高混合液悬浮固体浓度，发散甚至没有观察到影响。矛盾的观察结果，例如在MLSS浓度升高时结垢减少，但在1 L以上进一步增加时结垢增加，很可能是由于污泥流变性和流体动力学的显着变化。这表明，由于大多数参数不能相互独立地改变，因此很难获得声音结果并加以解释。

2.1.结垢分析

污垢的研究主要集中在确定混液的罪魁祸首种类或表征操作条件对污垢程度的影响。因此，多年来收集了一个大型数据库，然而，随着报告的增多，似乎显示出越来越不明确的趋势。这在一定程度上可归因于已经提到的各种实验方法，这些方法在工厂水平上可能有所不同，但在实际分析技术上也有所不同，如下所示：

  • 植物差异：
    • 植物配置和大小
    • 膜材料和组件
    • 给水特性
    • 运行条件。
  • 分析差异：
    • 样品制备（离心，过滤，稀释等），
    • 分析方法，
    • 选择结垢程度的测量方法（电阻，结垢率，临界通量等），
    • 确定此措施的方法。

某些方法，例如Dubois文章中的多糖检测法或临界通量的确定已变得非常流行，并在全球范围内得到了广泛应用。除了没有对确切程序进行标准化这一事实外，问题仍然在于它们是新潮还是真正有用的结垢分析方法。即使它们被证明对于正确预测全规模工厂的结垢行为没有用，但如果它们易于使用并产生定性趋势，它们仍可能提供结垢的见解。但是，在这种情况下，研究人员始终需要谨记，不可能将结果外推到全面和真实的条件。

污垢分析取决于对污垢本身或污垢相关因素的检测。已经建立了各种各样的方法，一方面从实验室取样到全尺寸工厂，另一方面从分析样品成分到进行各种过滤实验。这些将产生与全尺寸过程中的污垢相关的非常不同的信息量（图3）。

为了解释实验室规模的结果及其在大规模工厂运行中的应用，重要的是要意识到典型运行条件之间明显但严重的差异（表2）。乍一看，这种简单的比较强调了两个重要方面。时间尺度通常显着不同，因此在实验室试验中分析诸如不可修复的污垢等长期影响将是不现实的。报告指出，在长期亚临界通量下结垢主要是不可逆的，而短期通量产生更大的可逆性。此外，与实验室规模相比，全规模工厂的进料参数和温度波动更大，这可能导致不同的结垢机理和速率。使用简单的合成废水可能导致无代表性的微生物群落。他们发现，随着全尺寸MBR的增加，生物多样性呈线性增加，他们用岛屿理论解释了这一点。即使这可能并不总是如此明显，它在另一方面说明了大小的重要性。有趣的是，实验室和中试工厂试验中的SMP浓度水平通常明显高于全规模工厂。观察的原因尚未完全了解，但这可能是由于特定的能量输入不同（见表2）和相应的不同剪切速率。作为可能的结果，在不同的工厂规模下，污泥和结垢行为可能会固有地不同，Lyko等人，在为期两年的全面MBR监测活动中，发现了基于实验室规模的结果无法用当前知识来解释的结垢机制，从而证明了扩大此类发现的局限性。除了这些一般性差异显示其固有的代表性有限之外，当更详细地查看它们时，还会显示典型实验室规模试验的其他弊端。因此，甚至在正常实验室规模的时间范围内发生的结饼和残留污垢的结果的代表性也可能受到限制。原因包括无代表性的流体动力学：

  • 尺寸不同的模块，包括缺少适当的静压头，
  • 没有曝气或测试池方向错误地说明气泡浮力，
  • 没有相互作用的单纤维，
  • 恒定TMP而不是恒定通量，请参见 2.2.3.2 ，
  • 数小时内没有回潮或松弛，这导致了不同的结垢机制或蛋糕结构，并且
  • 处理通常在测量前需要运输或存储几天的生物质样品。在这段时间内，生物质消耗了残留的有机物和氧气，因此变成厌氧的，导致其性质发生变化，例如EPS含量和絮凝体大小。即使仅存储了几个小时，其过滤性仍可能降低或至少发生变化 。

但是，在许多情况下，实验室规模的试验是评估某些关系的唯一方法，因为至少复杂网络中的某些变量（图2）可以固定为一个固定值。例如，由于环境条件的全面相互作用，定义的实验室研究是独立研究MBR中生物动力学影响的唯一方法。关于过滤数据，可以以更明确的方式研究流体动力学的影响，因为人们不必依赖模块的整体渗透率，而模块的整体渗透率可能已经部分堵塞。因此，实验室规模的实验是进行基础污垢研究必不可少的工具。适当运行的短期实验可用于表征不同污泥的可过滤性和相对结垢倾向。 例如，如果植物通透性突然降低的原因是目前活性污泥或组件污泥的低过滤性，则可以加以区分。 因此，通过监控某种小型过滤设备中的可过滤性，可以对大型工厂中的污泥行为进行定期监控。（请参见第 2.1.2.1 ）。

清洁成功可以定性地转化为全尺寸，但也不能定量。

结垢分析有两个目的：一方面阐明结垢机制，另一方面对给定MBR的结垢行为进行量化或预测。对于前者，共焦激光或多光子显微镜等越来越复杂的方法正在应用。对于后者，可以观察到两种趋势。MBR技术引入了更实用的手段，例如MFI等“单数”指标同时，基于数学建模的高级方法或化学分析进行了调查。

2.1.1.污垢的识别

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