次毫米過濾組件分離高濃度污泥試驗(yàn)

闞靈佳，王素蘭，邢傳宏，崔燕平

鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001

次毫米過濾組件分離高濃度污泥試驗(yàn)

闞靈佳，王素蘭，邢傳宏*，崔燕平

鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001

采用自主研制的一種次毫米過濾組件，實(shí)現(xiàn)高濃度污泥的折衷分離，考察了ρ(污泥)(10～30 g/L)、組件孔徑(0.10～1.00 mm)及壓差(水頭差:30 cm H2O，90 cm H2O)對(duì)次毫米過濾通量和平均通量的影響;利用多元線性回歸模型和因素主次分析方法，探討了三因素對(duì)平均通量的影響程度.結(jié)果表明:在不同的ρ(污泥)、組件孔徑及壓差條件下，過濾通量隨時(shí)間均呈負(fù)指數(shù)形式衰減;三因素對(duì)平均通量的影響程度為ρ(污泥)＞組件孔徑＞壓差，ρ(污泥)與平均通量呈負(fù)相關(guān)，組件孔徑、壓差與平均通量呈正相關(guān).同時(shí)，通過解析多元線性回歸模型得到次毫米平均通量的表達(dá)式，為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了理論依據(jù).

次毫米過濾;高濃度污泥;組件孔徑;壓差;通量

Abstract:An innovative sub-m illimeter filtration(SMF)component was introduced to realize comprom ise separation of high concentration sludge.Effects of sludge MLSS(10-30 g/L)，component pore size(0.10-1.00 mm)and pressure drop(water head 30 cm H2O and 90 cm H2O)on the filter flux and average flux of the SMF were investigated.A linearmulti-regression model and primary and secondary factor analysis methods were applied to study the degree of influence of these three operating conditions on the average flux.Results showed that filter flux vs.time exhibited negative exponent patterns under different operating conditions. The three conditions that affected the average flux were analyzed，and the order of influence of the different factors was sludge MLSS，component pore size，and then pressure drop.Average flux was negatively correlated with sludge MLSS，and positively correlated with component pore size and pressure drop.Meanwhile，the mathematical formula for average flux of the SMF was obtained by resolving the linearmulti-regression model，which provided a theoretical basis for the experiment optimization design.

Keywords:sub-millimeter filtration;high concentration sludge;component pore size;pressure drop;flux

如何在高濃度污泥條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行一直是廢水生物處理系統(tǒng)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1-2］.厭氧系統(tǒng)一般采用顆粒化污泥和三相分離器來解決高濃度污泥下的液固分離問題［3］，但常需增設(shè)沉淀池才能保證液固分離系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.好氧系統(tǒng)在引入膜生物反應(yīng)器后可將曝氣池中的ρ(污泥)由2～4 g/L升至5～10 g/L，然而當(dāng)ρ(污泥)超過10 g/L時(shí)，氧傳質(zhì)速率降低導(dǎo)致曝氣能耗急劇增加，膜堵塞嚴(yán)重，造成在線/離線清洗頻繁，引發(fā)系統(tǒng)崩潰［4］.事實(shí)上，高濃度污泥的有效分離鮮見廉價(jià)、可靠的技術(shù)解決方法.

從分離尺度上講，固液分離可分為粗/細(xì)格柵(孔徑mm～cm)、微/超濾(孔徑nm～μm)、納濾/反滲透(孔徑 ＜nm)，而對(duì)應(yīng)孔徑μm～mm的分離手段目前國(guó)內(nèi)外尚無明確定義.筆者將該范圍的分離方法和組件分別稱為“次毫米過濾”(Sub-Millifiltration)和“次 毫 米 過 濾 組 件”(Sub-Millifiltration Filtration Component).廢水生物處理系統(tǒng)的污泥粒徑分布大致在幾微米到幾百微米之間［1］，恰好屬于次毫米過濾的分離范疇.因此從理論上講，次毫米過濾低端(孔徑0.01～0.10 mm)應(yīng)接近微/超濾的分離效果.國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾嘗試采用尼龍、絲網(wǎng)等材料制成次毫米過濾組件對(duì)ρ(污泥)為 2～10 g/L進(jìn)行分離以代替微/超濾［5-10］，雖然其出水水質(zhì)略優(yōu)于二沉池出水，但與微/超濾出水相差甚遠(yuǎn)，因此用次毫米過濾低端直接代替膜分離是不合適的，然而代替厭氧/好氧系統(tǒng)中的沉淀池是可行的.次毫米過濾高端(孔徑為0.10～1.00 mm)應(yīng)當(dāng)接近細(xì)格柵的分離效果，或可實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥〔ρ(污泥)為10～30 g/L〕的“折衷”(部分)分離.事實(shí)上，城市污水處理廠二沉池和膜生物反應(yīng)器最佳ρ(污泥)分別為2～4和5～10 g/L，因此次毫米過濾高端可以定位為一種廉價(jià)、高效的高濃度污泥折衷分離手段，為二沉池或膜生物反應(yīng)器的高效、低耗穩(wěn)定運(yùn)行提供適宜濃度的污泥.迄今為止，國(guó)內(nèi)外尚鮮見次毫米過濾高/低端用于污泥折衷分離的文獻(xiàn)報(bào)道.

筆者研制一種次毫米過濾組件，旨在實(shí)現(xiàn)高濃度污泥的折衷分離，考察了ρ(污泥)(10～30 g/L)、組件孔徑(0.10～1.00 mm)及壓差(30 cm H2O，90 cm H2O，其中1 mm H2O≈10 Pa)對(duì)次毫米過濾/平均通量的影響;在因素主次分析方法的基礎(chǔ)上，研究三因素對(duì)次毫米平均通量的影響程度，并采用多元線性回歸模型解析得到平均通量表達(dá)式，為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，污泥分離裝置主要包括:①循環(huán)泵，用以維持反應(yīng)器內(nèi)液面及ρ(污泥)的恒定.②次毫米過濾反應(yīng)器，有效容積為20 L.③次毫米過濾組件，主要由3層構(gòu)成，內(nèi)部支撐層是兩端封閉的不銹鋼管件，表面開孔率為2.44%，孔尺寸為5 mm;中間層和外層分別由孔徑為1 mm的篩網(wǎng)以及試驗(yàn)所用篩網(wǎng)組成，外層為有效過濾層，有效過濾面積為0.045 3 m2，為考察不同篩網(wǎng)孔徑對(duì)過濾的影響，外層容易被替換.組件中央頂部設(shè)有直徑8 mm的開口，過濾后的泥水混合液(濾出液)從此處流出組件.組件制作簡(jiǎn)單且成本低廉.④儲(chǔ)池，用以收集濾出液.⑤曝氣泵.⑥氣體擴(kuò)散裝置，用以提升反應(yīng)器內(nèi)污泥并使其混合均勻.⑦氣體流量計(jì)，調(diào)節(jié)曝氣量.

圖1 污泥分離裝置Fig.1 Schematic diagram of sludge separation apparatus

1.2 操作條件及試驗(yàn)步驟

操作條件:ρ(污泥)為10～30 g/L;組件孔徑為0.10～1.00 mm;壓差為 30 cm H2O，90 cm H2O.活性污泥從當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S取得，在試驗(yàn)前將其濃縮到試驗(yàn)要求的濃度.

試驗(yàn)步驟:①次毫米過濾裝置準(zhǔn)備就緒，將濃縮好的污泥放入反應(yīng)器，打開曝氣泵使污泥呈懸浮狀態(tài);②打開閥門開始過濾并從出液口處取樣，用體積法計(jì)算過濾通量;③當(dāng)過濾通量值小于50 L/(m2·h)時(shí)停止過濾，并且用氣體反沖組件，如果污泥清除不徹底，則將組件取出用水徹底沖洗;④開始下一個(gè)試驗(yàn).

說明:試驗(yàn)中的過濾通量為瞬時(shí)通量.由于過濾通量隨時(shí)間順序發(fā)展而變化，故平均通量按時(shí)點(diǎn)序列序時(shí)平均數(shù)公式計(jì)算得到［11］.

2 通量影響程度分析模型

2.1 分析模型的建立

對(duì)平均通量取對(duì)數(shù)后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，其基本模型為:

式中，J為平均通量，L/(m2·h);C為ρ(污泥)，g/L;P為組件孔徑，mm;H為壓差，cm;Y為平均通量對(duì)數(shù)即 lnJ;b0為常數(shù)項(xiàng);b1，b2和b3分別是ρ(污泥)、組件孔徑及壓差對(duì)Y的偏回歸系數(shù).

2.2 模型顯著性及擬合度的檢驗(yàn)［12］

顯著性檢驗(yàn)方法:采用方差分析法，F(xiàn)服從自由度F(m，n-m-1)的分布，在給定的顯著性水平(α)下，從F分布表中查得Fα(m，n-m-1).一般情況下，若F＜F0.05(m，n-m-1)，則稱Y與C，P及H之間沒有明顯的線性關(guān)系，回歸方程不可信;若F0.05(m，n-m-1)＜F＜F0.01(m，n-m-1)，則稱Y與C，P及H之間有顯著的線性關(guān)系;若F＜F0.01(m，n-m-1)，則表示Y與C，P及H之間有非常顯著的線性關(guān)系.

模型擬合程度檢驗(yàn)方法:模型的擬合程度可用校正后的系數(shù)(R2)表示:

其中，R2越近于1，模型的擬合程度越高.

2.3 因素主次分析方法［12］

因素主次分析方法:在多元線性模型中，偏回歸系數(shù)bi(i=1，2，3)表示因素C，P和H對(duì)Y的具體效應(yīng)，并不能直接反映各因素的相對(duì)重要性，為了消除各時(shí)間序列因權(quán)重不同和各因素〔ρ(污泥)、組件孔徑、壓差〕因單位不同所產(chǎn)生的影響，使不同因素?cái)?shù)據(jù)間具有可比性，需對(duì)偏回歸系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.設(shè)偏回歸系數(shù)(bi)的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為Si(i=1，2，3)，則Si的計(jì)算式為:

式中，k為試驗(yàn)次數(shù);當(dāng)i=1，2，3時(shí)，x所代表的因素分別為ρ(污泥)(g/L)、組件孔徑(mm)及壓差(cm H2O).

3 結(jié)果與討論

3.1 操作條件對(duì)過濾/平均通量的影響

3.1.1 ρ(污泥)對(duì)過濾/平均通量的影響

在壓差為90 cm H2O，組件孔徑為0.47 mm下進(jìn)行試驗(yàn)，考察不同ρ(污泥)(10～30 g/L)對(duì)過濾/平均通量的影響，并對(duì)過濾通量-時(shí)間及平均通量-ρ(污泥)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖2，3所示.

由圖2可知，在不同ρ(污泥)下，過濾通量隨時(shí)間呈負(fù)指數(shù)形式衰減，且隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，即快速下降 -緩慢下降 -趨于穩(wěn)定，表明泥餅層在過濾初期迅速形成，導(dǎo)致過濾通量快速下降，并且隨著過濾的進(jìn)行泥餅層經(jīng)壓縮變得致密，致使過濾通量下降緩慢，最終趨于穩(wěn)定.進(jìn)一步分析圖2可知，ρ(污泥)越高，初始過濾通量越低，終止試驗(yàn)〔即過濾通量小于 50 L/(m2·h)〕所需的時(shí)間越短，對(duì)于ρ(污泥)為10和30 g/L的污泥而言，所需時(shí)間分別為 65和12 min.說明高濃度污泥形成泥餅的阻力較大，使得過濾通量迅速下降且快速達(dá)到終止值.

圖2 不同ρ(污泥)下過濾通量隨時(shí)間的變化Fig.2 Filter flux vs time at varied sludge MLSS

圖3 平均通量隨ρ(污泥)的變化Fig.3 Relationship between average flux and sludge MLSS

圖3展示了平均通量隨ρ(污泥)的變化情況.分析圖3可知，ρ(污泥)越高，平均通量越低.當(dāng)ρ(污泥)從 10 g/L升至 30 g/L時(shí)，平均通量由646.6 L/(m2·h)降至149.6 L/(m2·h).對(duì)平均通量與ρ(污泥)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，平均通量隨ρ(污泥)的提高呈負(fù)指數(shù)形式衰減，根據(jù)Darcy公式(J=TMP/μR［8］)可知，通量與污泥黏度(μ)成反比，進(jìn)而推出污泥黏度隨ρ(污泥)的提高呈指數(shù)形式增加，該推論與一些研究結(jié)論［13-14］相符.

以上分析表明，ρ(污泥)對(duì)過濾/平均通量主要起負(fù)貢獻(xiàn)的作用.李俊等［15］在相同錯(cuò)流速度及跨膜壓差下考察了ρ(污泥)為1～8 g/L的污泥對(duì)通量的影響;CUI等［16］在相同壓差及孔徑下研究了ρ(污泥)為5～20 g/L的污泥對(duì)通量的影響，結(jié)果得到相同的結(jié)論，即ρ(污泥)越大，通量越小，達(dá)到穩(wěn)定通量所需的時(shí)間越短.該結(jié)論可解釋為隨著ρ(污泥)的增大，污泥黏度隨之增大，因此在組件表面形成的污泥層較致密，導(dǎo)致過濾阻力大且通量衰減較快.盡管如此，污泥特性對(duì)系統(tǒng)的影響是多方面的，如污泥性能及微生物種群［17-18］等因素也會(huì)對(duì)過濾泥餅的產(chǎn)生與發(fā)展造成不可忽略的影響，目前在這些方面的研究不多，還需進(jìn)行大量試驗(yàn)對(duì)其機(jī)理深入探討.

3.1.2 組件孔徑對(duì)過濾/平均通量的影響

在ρ(污泥)為25 g/L，壓差為90 cm H2O的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，考察不同組件孔徑(0.10～1.00 mm)對(duì)過濾/平均通量的影響.對(duì)過濾通量-時(shí)間及平均通量-孔徑進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖4，5所示.

圖4 不同組件孔徑下過濾通量隨時(shí)間的變化Fig.4 Filter flux vs time at varied pore sizes

由圖4可知，不同組件孔徑條件下過濾通量與時(shí)間的擬合曲線為負(fù)指數(shù)形式.組件孔徑越大，過濾通量達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，過濾通量隨時(shí)間變化的波動(dòng)性越大.如用孔徑為 0.80 mm的組件過濾時(shí)，在整個(gè)運(yùn)行期間過濾通量在擬合曲線上下波動(dòng)幅度較大.孔徑分別為0.10，0.30和0.47 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的過濾通量隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)較一致:迅速下降—趨于穩(wěn)定.分析圖5可知，平均通量隨組件孔徑的增大整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì).對(duì)平均通量與組件孔徑進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合表明，平均通量隨著組件孔徑的增大呈二次拋物線形式遞增.組件孔徑大，對(duì)應(yīng)的通量大，但在較大孔徑下運(yùn)行時(shí)，聚集在孔徑內(nèi)的污泥量會(huì)增多，細(xì)菌更容易在孔口架橋，從而形成更細(xì)的篩分，造成孔口堵塞、通量減小，或存在一個(gè)最佳孔徑，使得平均通量值最大.

圖5 平均通量隨組件孔徑的變化Fig.5 Relationship between average flux and pore sizes

3.1.3 壓差對(duì)過濾/平均通量的影響

在ρ(污泥)為25 g/L，組件孔徑為0.47 mm下進(jìn)行試驗(yàn)，考察不同壓差(30 cm H2O，90 cm H2O)對(duì)過濾/平均通量的影響，得到過濾通量-時(shí)間及平均通量-壓差的關(guān)系如圖6，7所示.

圖6 不同壓差下過濾通量隨時(shí)間的變化Fig.6 Filter flux vs time at varied pressure drop

圖6表明，不同壓差下過濾通量隨時(shí)間呈負(fù)指數(shù)變化.壓差越高，初始過濾通量越大，通量衰減速度越快.在 90 cm H2O下，過濾通量在 2.5 m in內(nèi)的平均衰減率為397.35〔L/(m2·h)〕/m in，運(yùn)行5 min后比低水頭(30 cm H2O)的通量值還要低.分析原因:壓差相當(dāng)于系統(tǒng)的操作壓力，壓差越大為過濾提供的驅(qū)動(dòng)力越大，致使初始通量較大，但壓差增大，加快了污泥在組件表面的沉積速度，進(jìn)而加大了過濾阻力，以致過濾通量減小.要想得到最大通量還需在二者之間尋找平衡點(diǎn).圖7展示了在2種壓差下平均通量的情況，當(dāng)壓差從30 cm H2O增至90 cm H2O時(shí)，平均通量變化幅度較小，由141.6 L/(m2·h)增至167.5 L/(m2·h).

圖7 平均通量隨壓差的變化Fig.7 Relationship between average flux and pressure drop

壓差相當(dāng)于微/超濾中的操作壓力，是過濾的動(dòng)力和泥餅形成的關(guān)鍵因素.儲(chǔ)金樹等［19］研究了微濾膜通量與操作壓力之間的變化關(guān)系，范彬等［20］考察了出水水頭(壓差)對(duì)動(dòng)態(tài)膜過濾性能的影響，結(jié)果都表明通量不會(huì)隨著操作壓力的增大而無限地增大，而是存在一個(gè)臨界壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力在臨界值之前運(yùn)行時(shí)，過濾通量隨著壓力的增大而增大，最終達(dá)到一個(gè)極限通量，但在臨界值之后運(yùn)行時(shí)，過濾通量反而隨著壓力的增大呈下降趨勢(shì).要得到極限通量，延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，找出最佳壓差(壓力值)，還需深入探討.

3.2 回歸模型及因素主次分析

3.2.1 回歸模型的顯著性分析及表達(dá)式

多元線性回歸方程的顯著性分析結(jié)果見表1.由F=54.92＞F0.05(3，41)［11-12］可知，多元線性回歸模型對(duì)置信度 α=0.05是高度顯著的，表明Y與C，P及H之間有顯著的線性關(guān)系.因此將數(shù)據(jù)按式(1)進(jìn)行回歸分析，得到常數(shù)值(b0)及偏回歸系數(shù)(bi，其中i=1，2，3)，結(jié)果見表2.則回歸模型的表達(dá)式為:

但由R2=0.786 2可知，模型的擬合度一般.

表1 多元線性回歸方差分析Table 1 Variance analysis of linearmulti-regression

表2 相關(guān)系數(shù)及R2值Table 2 Correlation coefficient and value of R2

3.2.2 因素主次分析

對(duì)回歸方程的偏回歸系數(shù)(bi，其中i=1，2，3)按式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果見表3.由表3可知，S1＞S2＞S3，三因素對(duì)Y影響程度的大小順序?yàn)棣?污泥)＞組件孔徑 ＞壓差.由表2可知，b1為負(fù)值，b2和b3為正值，說明ρ(污泥)對(duì)Y起負(fù)貢獻(xiàn)的作用，ρ(污泥)越大，Y值越小;而組件孔徑與壓差主要起正貢獻(xiàn)的作用，隨著組件孔徑與壓差的增大，Y值隨之增大，但是孔徑的影響大于壓差的影響.對(duì)式(1)進(jìn)行變換可得平均通量表達(dá)式為J=eY，該公式屬遞增函數(shù)，因而可知，三因素對(duì)平均通量的影響程度為ρ(污泥)＞組件孔徑＞壓差，ρ(污泥)與平均通量呈負(fù)相關(guān)，組件孔徑和壓差與平均通量為正相關(guān).

表3 標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)Table 3 Standard values of regression coefficient

4 結(jié)論

a.在不同ρ(污泥)、組件孔徑及壓差下，對(duì)過濾通量與時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合表明，過濾通量隨時(shí)間均呈負(fù)指數(shù)形式衰減.ρ(污泥)越大，同一時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的過濾通量越小;平均通量隨ρ(污泥)的增加呈負(fù)指數(shù)形式衰減.組件孔徑越大，過濾通量越大，且過濾通量隨時(shí)間的波動(dòng)性越大;平均通量隨組件孔徑的增大呈二次拋物線形式增加.系統(tǒng)在90 cm H2O下運(yùn)行時(shí)過濾通量衰減較快，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后的通量值較小，但該條件下的平均通量比 30 cm H2O時(shí)大，分別為 167.5和 141.6 L/(m2·h).

b.回歸模型的顯著性檢驗(yàn)及因素主次分析結(jié)果表明，平均通量取對(duì)數(shù)后與ρ(污泥)、組件孔徑及壓差有顯著的線性關(guān)系，三因素對(duì)平均通量的影響程度為ρ(污泥)＞組件孔徑＞壓差.ρ(污泥)與平均通量呈負(fù)相關(guān)，組件孔徑及壓差與平均通量呈正相關(guān).次毫米過濾平均通量的表達(dá)式為J= e6.137 2-0.079 9C+1.057 0P+0.003 4H.

c.次毫米過濾是一種廉價(jià)、高效的高濃度污泥折衷分離手段，能夠?yàn)槎脸鼗蚰ど锓磻?yīng)器的高效、低耗穩(wěn)定運(yùn)行提供適宜濃度的污泥，使廢水生物處理系統(tǒng)徹底擺脫高濃度污泥的束縛，從而大幅度提高廢水處理效率和降低處理成本.隨著次毫米過濾的進(jìn)行，過濾組件表面污泥層阻力增大，使得濾出的ρ(污泥)和過濾通量越來越低，為獲得適宜濃度的污泥和較高的過濾通量，需要適當(dāng)?shù)貙?duì)組件進(jìn)行反沖洗，因此，對(duì)反沖洗的研究十分必要，將成為今后研究的重點(diǎn).

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Experim ental Study of Sub-M illim eter Filtration Com ponent Separating High Concentration Sludge

KAN Ling-jia，WANG Su-lan，XING Chuan-hong，CUIYan-ping
School of Water Conservation and Environmental Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China

X703

A

1001-6929(2011)01-0090-06

2010-05-27

2010-09-21

闞靈佳(1986-)，女，吉林松原人，kanlingjia@163.com.

*責(zé)任作者，邢傳宏(1969-)，男，河南鄭州人，教授，博士，碩導(dǎo)，主要從事水污染控制理論與技術(shù)研究，imast@yahoo.cn