旋流分离器 – 改善MBR运行通量的替代方法

国际水协会曾在3月份的微信推送《inDENSE工艺：利用旋流分离器生产好氧颗粒污泥》中☜点击链接 向大家介绍过DEMON™厌氧氨氧化工艺发明者、来自奥地利的Bernhard Wett博士如何利用原来用于DEMON工艺的水力旋流器（hydrocyclone）的应用进行拓展，发明了可以生物除磷、改善污泥沉降性能的inDENSE™颗粒污泥工艺。后者对二沉池排出的污泥进行筛选，将沉降性能好的污泥颗粒回流到生物反应器中。在不改变原工艺的条件下（如传统的连续式活性污泥工艺），它能显著提高污泥容积指数（SVI）的表现，无需新增二沉池就能解决混合悬浮固体沉降性差的问题。

曾在奥地利的Strass污水厂运行的inDENSE装置

最近Wett博士又与日本明电舍新加坡分公司（Meiden Singapore）以及新加坡公用事业局（PUB）合作，将水力旋流器的应用潜能进一步拓展到MBR工艺上，用以提高MBR的膜通量。

项目背景

膜生物反应器（MBR）在占地和出水稳定性上都有优势，所以在近几年得到了显著发展。但如果要想进一步提高MBR系统的污泥质量，需要控制好跨膜压差（TMP）的增幅，来让膜系统保持高通量运行。气反洗是常用的减少膜污染的手段，另外也可加入絮凝剂以改善污泥形成，从而减少膜结垢。除此以外臭氧也是改善MBR性能的手段之一。另一方面，可以通过优化MBR的操作条件和参数来改善通量，例如混合液悬浮固体（MLSS），水力停留时间（HRT），污泥停留时间（SRT），食物与微生物比（F/M），回流污泥（RAS）等。膜结垢的部分成因是由可渗入膜孔的胶体粒子引起的，因此去除混合液中的这些粒子被认为可以改善MBR系统的通量。

据资料显示，此前明电舍、PUB就与Wett博士合作过，研究侧流厌氧氨氧化工艺在新加坡的适用性，在此前的合作中，明电舍和PUB已经见识到水力旋流器筛选不同尺寸颗粒的高效性，所以萌生了将它应用到MBR系统的想法：他们决定对新加坡的一个处理生活污水的MBR系统进行了调查，通过旋流分离器从回流污泥中截留高密度颗粒回MBR系统中。较轻的颗粒作为剩余污泥从水力旋流器的溢流排出。研究目的是评估水力旋流器对MBR性能的影响。

实验方法和材料

下图就是他们搭建的实验系统： 处理能力为1000m³/天的MBR系统，外置的水力旋流器对部分回流污泥进行处理，其中混合液的高密度颗粒会作为回流污泥返回至缺氧/好氧池。轻质的部分作为剩余污泥外溢。旋流分离器进水速度为1.8m³/小时，水力旋流器的底流和溢流速率则分别为0.3和1.5m³/小时。关键参数及其范围见下表。

图1.MBR系统和水流旋流器的结合工艺流程图

表1.关键参数控制范围

实验结果和讨论

图2显示好氧池的MLSS水平在安装了水力旋流器前后的变化情况。总的来说，MLSS维持在2000-3000mg/L的水平。然而MLSS有时会由于从侧流带来的进水而增加，例如2015年12月和2016年11月两次超过8000mg/L的情况。而系统维护期间带来的剩余污泥则会导致MLSS过低的现象。2016年8月到2017年3月期间的波动是由频繁的侧流进水和系统维护造成的。

图2.好氧池的MLSS趋势

图3显示了MBR池的污泥过滤时间（TTF）的变化趋势，在安装水力旋流器前，TTF平均约为40秒，安装后因为污泥质量得到改善，在初始的7个月内降至20-25秒， 然而在此后开始回升，研究团队认为这可能跟上边MLSS的波动相关。

图3.MBR反应器污泥过滤时间TTF的变化趋势

图4显示了好氧池污泥的SVI指数趋势，基本与图1的MLSS趋势吻合。值得注意的是在MLSS的波动期，SVI的相应波幅更大。

图4.好氧池污泥的SVI趋势

水力旋流器对膜透性的影响

图5是胶质总有机碳（cTOC）和溶解性COD的月平均值统计。在安装水力旋流器后，cTOC更加稳定，维持在6-13mg/L。换成渗透性COD(COD-P)来比较发现，从2016年10月开始COD-P的值就低于15mg/L，直到调研结束。但换算成5倍的cTOC/COD-P值则发现这个趋势值在安装水力旋流器后的后6个月比前6个月要高。这跟上边的TTF的变化趋势吻合。

图5.cTOC和溶解性COD变化趋势

图6.cTOC 和 渗透性COD变化趋势

图7.cTOC和 渗透性COD的比率变化趋势

水力旋流器对膜表现的影响

下面两图是MBR反应器两条处理线的跨膜压差（TMP）变化趋势。图8显示TMP在2015年的3月到8月逐渐从12kPa升至17kPa，然后在之后两周内迅速升至32kPa。经过反洗之后又恢复到11kPa，在4个月后又会升值18kPa。而安装旋流分离器后，TMP值在8个月左右的时间里维持在16-18kPa的水平，接着慢慢升至21kPa，并在2017年3月突然升到35kPa。但值得注意的是，之前研究团队就提到，污泥特性和渗透率从2016年8月开始慢慢恶化。第二条处理线的趋势与图8相似。另外值得一提的是，在安装了水流旋流器后MBR在长达一年的时间里不需要反洗。这个结果显示混合液中的轻质颗粒对膜结垢有负面影响，因此它们需要从MBR系统中去除掉。

图8. MBR处理线1的跨膜压差变化趋势

图9.MBR处理线2的跨膜压差变化趋势

结论

实验结果显示安装旋流分离器能改善处理生活污水的MBR系统的表现，因为它去除混合液中的轻质颗粒组分。将其作为剩余污泥排除系统。在长达8个月的时间里，膜通量维持在25L/㎡/h(LMH)的水平，TMP值稳定在16-18kPa间，污泥也得以稳定，并且在长达一年的时间里无需反洗。而在引入水流旋流器之前，反洗频率约为3-4个月。这意味着水流旋流器能降低反洗频率和化学品的使用。最后值得一提的是尽管污泥的沉降性能得到改善，但是在实验的最后阶段，污泥负荷的波动对系统造成了极大影响，否则水力旋流器可能使MBR的通量稳定期变得更长。

参考资料

Alternative approach to improving operating flux of MBR, H. Noguchi, E. Fong, M. H. Oo, Y. Nakamura, T. Niwa, Y. Fukuzaki, B. Wett, G. Tao, Water Practice & Technology, Vol 13 No 1, Page 39-44; DOI: 10.2166/wpt.2018.010