错流流速对厨余垃圾厌氧膜生物反应器通量的影响研究_吴健.pdf

错流流速对厨余垃圾厌氧膜生物反应器通量的影响研究吴健1，华银锋2，陈卫华1（1.上海黎明资源再利用有限公司，上海201209；2.上海浦东环保发展有限公司，上海200127）【摘要】对上海市某厨余垃圾处理厂的中试规模厨余垃圾浆料厌氧膜生物反应器（AnMBR）进行了研究，重点探索了 AnMBR 处理过程中错流流速对厌氧膜通量的影响。结果表明，错流流速与 AnMBR 的膜通量密切相关。在试验错流流速下，沼液的 AnMBR 亚临界通量为 18.48 L/（m2 h），相应的膜过滤阻力 R 为 2.531012m-1，此膜过滤阻力为清水的 1.12 倍。修正后的惯性升力模型表明，运用该修正模型对不同错流流速下 AnMBR 沼液膜通量拟合获得的沼液悬浮污染物颗粒平均半径 a 为（4.3750.032）m，膜通量修正值 b 为（3.1720.198）L/（m2 h）。【关键词】厨余垃圾浆料；厌氧膜生物反应器；错流流速；膜通量中图分类号：X799.3；X703文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）02-0070-07DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.02.011Effect Study of Cross-Flow Velocity on Membrane Flux of AnMBR for Food WasteWU Jian1，HUA Yinfeng2，CHEN Weihua1（1.Shanghai Liming Resources Reuse Co.Ltd.，Shanghai201209；2.Shanghai Pudong Environmental ProtectionDevelopment Co.Ltd.，Shanghai200127）【Abstract】The investigation of a pilot-scale AnMBR for the treatment of food waste slurry from a food wastetreatment plant in Shanghai was carried out.Primarily focused on the impact of cross-flow velocity on membrane flux duringAnMBR treatment.The findings indicated a strong correlation between the cross-flow velocity and the membrane flux ofAnMBR.The AnMBR subcritical flux for the biogas slurry was 18.48 L/（m2 h）under the experimental cross-flow velocity，and the corresponding membrane filtration resistance R was 2.531012m-1，which was 1.12 times that of water.According tothe modified inertia lift model，the average radius（a）of the suspended biogas slurry pollutant particles and the membraneflux correction value（b）were（4.3750.032）m and（3.1720.198）L/（m2 h），respectively，which were determined byfitting the AnMBR biogas slurry membrane flux with the modified model at various cross flow velocities.【Key words】food waste slurry；AnMBR；cross-flow velocity；membrane flux1引言上海市自 2019 年 7 月开始强制推行生活垃圾分类工作。随着生活垃圾分类工作的开展及深入，分拣出的厨余垃圾数量急剧上升，约占生活垃圾总量的 50%70%。据上海市绿化和市容管理局最新统计数据，预计到“十四五”末期，上海市每日分拣出的厨余垃圾（上海称之为“湿垃圾”）总量在 9.00103t 以上，集中处理量每天约 6.05103t1。上海市大部分厨余垃圾处理厂采用“厨余垃圾预处理+厌氧发酵”的主体工艺，厨余垃圾在大杂物分选、细杂物分选、制浆、除砂、湿热水解提油、离心分离等预处理工艺步骤后，获得的厨余垃圾有机浆料进入均质罐暂存，而后进入厌氧消化系统发酵产沼；获得的毛油作为产品外售；产生的残渣则外送至焚烧厂处置。由于高浓度厨余垃圾有机物料的复杂性，普通的连续式完全混合 型 反 应 器（Continuous Stirring Tank Reactor，CSTR）在能源转化过程中遇到诸多问题，例如污泥上浮、污泥流失、VFAs 累积等，导致长期运行过程中出现厌氧罐有机负荷较低、沼渣产率高、沼气产率低及需要定期补充菌种等问题。厌氧膜生物反应器（Anaerobic Membrane Bio收稿日期：2022-04-25；录用日期：2022-10-11第 31 卷第 2 期2023年4月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.2Apr.2023reactors，AnMBR）是一种有机结合厌氧消化反应器和膜分离技术的新型废水处理工艺技术，厌氧消化反应器出水（沼液）需要通过厌氧膜组件过滤截留，滤液进入下一道处理工艺，而含有大量厌氧微生物和有机物的浓液则回流进入厌氧罐，这使得厌氧反应器的微生物浓度大幅提高，并且有机物可进一步厌氧发酵产沼。AnMBR 具有残留污泥含量低、有机物去除率高、液固分离完全、出水水质好、资源回收率高和占地面积小等优点2。虽然目前国内外有一些采用 AnMBR 工艺处理高浓度厨余垃圾浆料的应用研究，但大多研究侧重于工艺条件控制、工艺特性（有机负荷及产沼性能等）、微生物群落结构、膜污染机理等3-5，尚未见 AnMBR 处理厨余垃圾浆料过程中流体力学特性对膜通量的影响研究报道。本 项 目 在 前 期 调 研 及 中 试 研 究 中 发 现，AnMBR 处理厨余垃圾浆料厌氧消化沼液的 COD 去除率基本能稳定在 98%以上，这与肖小兰6的COD 去除率达到 99%的研究结果较为一致，可见AnMBR 对沼液有机物具有优良的截留性能。要实现 AnMBR 规模化、稳定化运行，关键在于维持较好的膜通量、控制膜污染的速率。膜污染是膜处理过程中较严重的问题，导致膜污染的原因主要有膜表面滤饼层的形成或膜内部结构堵塞，这两大原因将直接影响膜通量7。多项研究表明，较高的物料黏度会使膜过滤阻力 R 增加、污泥絮凝性能及疏水性能降低，这是膜通量下降的重要原因8-10。在分体式膜生物反应器中，错流流速是快速改变膜透过性的方法之一。错流是滤膜系统的一种运行方式，指膜运行时原水在内膜表面上切向流过，而产水垂直通过膜面，浓水则沿膜面排出回流。在高浓度和小孔径膜的系统中，错流流速的增大可以缓解污染物在膜表面沉积11。针对高黏度的厨余垃圾厌氧消化沼液，研究流体力学特性，特别是错流流速对厌氧膜通量的影响显得尤为重要。为此，以上海市某厨余垃圾处理厂构建的中试规模厨余垃圾浆料 AnMBR 为研究对象，重点探索该 AnMBR 处理过程中错流流速对厌氧膜通量的影响，为 AnMBR 实现大规模工程应用提供借鉴，具有较强的理论意义和实际应用价值。2材料与方法2.1AnMBR 中试项目工艺概述中试规模的厨余垃圾 AnMBR 项目工艺流程如图 1 所示。CSTR 厌氧反应器出来的沼液经过初滤机过滤后进入沼液储罐（约 20 m3）暂存，之后通过循环泵进入厌氧膜组件。经过厌氧膜柱后的浓液回流进入沼液储罐，而产水则进入产水清液罐。厌氧膜组件可采用 BT（Bottom to Top，指沼液在垂直膜管里由底部向顶部流动）及 TB（Top to Bottom，指沼液在垂直膜管里由顶部向底部流动）的运行模式，可定时启动反冲洗泵进行反冲洗。产水流量调节阀既可手动调节，也可以与产水流量计关联，实现自动调节，定期将沼液储罐浓液回流至 CSTR 厌氧反应器。厌氧膜组件采用外置式管式膜，具体参数如表 1 所示。214161956201314387 18179产水12111015注：1 为 CSTR 厌氧反应器；2 为初滤机；3 为产水清液罐；4 为液位计；5 为进水循环泵；6 为精密过滤器；7 为反冲洗流量计；8为反冲洗泵；9 为产水流量计；10 为化学清洗罐；11 为化学清洗泵；12 为厌氧膜组件；13 为进水流量计；14 为进水压力传感器；15 为出水压力传感器；16 为沼液储罐；17 为产水流量调节阀；18为产水压力传感器；19 为浓液回流泵；20 为换热器。图 1AnMBR 中试项目工艺流程Figure 1Process flow of pilot-scale AnMBR project表 1厌氧膜组件特性参数Table 1Characteristic parameters of anaerobicmembrane module膜参数外壳封装材料膜材质单支膜通道直径/mm组件长度/mm膜面积/m2膜孔径/nm设计清水通量/（L m-2 h-1）特性饮用水质量PVC环氧树脂PVDF5.23 0003330302.2试验原料AnMBR 中试项目厌氧反应器的进料来自均质罐，经过除杂、提油、制浆等预处理工艺步骤后吴健，等.错流流速对厨余垃圾厌氧膜生物反应器通量的影响研究 71环境卫生工程2023 年 4 月第 31 卷第 2 期的厨余垃圾浆料在均质罐暂存后进入厌氧消化反应器发酵产沼，发酵完的沼液从厌氧罐上部出水堰溢流出水，经过初筛机（1 mm 筛网孔）初步截留除杂后进入沼液储罐。本试验所用沼液储罐沼液的理化性质见表 2。表 2试验沼液的理化性质Table 2Physicochemical characteristics of biogas slurry参数pHTS/%VS/%MLSS/（g/L）TCOD/（mg/L）电导率/（mS/cm）总氮/（mg/L）含油率/（mg/L）数值7.82.04510.51.4010512.83 500400参数氨氮/（mg/L）总磷/（mg/L）Ca2+/（mg/L）Mg2+/（mg/L）黏度/（MPas）总硬度（以 CaCO3计）/（mg/L）总碱度（以 CaCO3计）/（mg/L）沼液温度/数值3 00076110581742012 00025AnMBR 在整个中试期间处于稳定运行的状态，反应器对厨余垃圾浆料中 COD 的去除率稳定维持在 98%以上。厌氧反应器整体污泥浓度维持在 1530 g/L，污泥停留时间（SRT）控制在 50 d左 右，污 泥 总 产 率 系 数 约 为 0.06 kg/kg（VSS/COD）。2.3分析方法原料 pH、电导率测定采用多参数水质分析仪（DZS-706，上海雷磁）；TCOD、氨氮、总氮、总磷测定采用哈希法12；TS、SS 测定采用 105 烘干法（DHG9140，上海慧泰）；VS 测定采用600 马弗炉灼烧法（SG-XL1100，中科院上海光 机 所）；Ca2+、Mg2+的 测 定 采 用 ICP-OES（5110VDV，美国安捷伦）；黏度的测定采用旋转黏度计（NDJ-1，上海平轩）；总硬度、总碱度的测定采用指示剂滴定法；含油率采用索氏提取差量法13，沼液温度通过在线静压式温度传感器（E+H，瑞士）测定。2.4试验方法2.4.1清水膜通量试验在 20 清水温度下，采用不同流体力学条件（表 3）进行清水膜通量试验，为后续沼液过滤试验提供对照，同时作为基准水平，便于膜通量差异原因的