（环境工程专业论文）ao膜生物反应器及动态膜生物反应器的研究.pdf

a d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o i i l l i 1ipi ll l l l li lu l y 1815 5 8 4 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y t h es t u d yo fa om e m b r a n e b i o r e a c t o r a n dd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r s c h o o l d e p a r t m e n t ：c o l l e g e o fe n v i r o n m e n t a l s c i e n c e e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e & e n g i n e e r i n g m a j o r ： e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：l u m e it i a n s u p e r v i s o r ：p r o f z h i c h a ow u m a r c h ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：团陆梅 珈8 年乡月j 归 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在；年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：关意适 学位论文作者签名：圄陆梅 2 卯p 年，；月7p 日二汐口占年月7 午e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 固陆梅 2 t ，口汐年月e l 摘要 摘要 本文将平板膜生物反应器与a o 工艺结合，构建了a o 平板膜生物反应 器，研究其脱氮除磷的效果。同时对动态膜生物反应器处理生活污水的运行特 性和影响因素也进行了一些研究。结果表明：a o 膜生物反应器中试对生活污 水有良好的处理效果，c o d 和n f l 3 - n 去除率都比较高，同时对总氮也有较好的 去除效果，出水总氮可达城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级b 标准，4 0 天泥龄条件下，稳定运行期总氮平均去除率7 8 7 ，最高去除 率可达9 2 ，系统总氮去除率高于传统a o 工艺对总氮的去除率( 5 0 - - - - 7 0 ) ， 其原因可能为此阶段反应器内污泥浓度较高，传氧速率低，溶解氧浓度低于 0 5 m g l ，膜生物反应器内存在同步硝化反硝化现象，提高了脱氮效果。2 0 天 泥龄条件下，系统对总氮的平均去除率为5 7 5 。采用聚合硫酸铁混凝剂对中试 系统进行化学除磷研究，在投加量为6 m g l 进水( 以全铁计) 的条件下，出水 总磷可低于0 5 m g l 。同时对投加聚铁前后反应器内微生物的活性进行了研究， 结果表明，投加聚铁对微生物的活性产生了影响，影响了脱氮效果。对o 膜 生物反应器小试研究发现，小试对c o d 和n h 3 - n 都有很好的去除效果，对总氮 的去除率要比中试的去除率低。试验还发现，2 0 0 回流比条件下对总氮的去除 效果要好于3 0 0 回流比的情况。 采用一种1 5 0 目的不锈钢丝网作为动态膜基材，形成动态膜来处理城市污 水，结果表明，恒定压力操作模式下动态膜在膜基材表面能很快形成，出水水 头越大，泥饼形成的速度越大，浊度衰减越快。同时发现，在较高的出水水头 下，动态膜形成初期的通量衰减规律符合泥饼阻力模型。曝气强度对动态膜形 成的影响也是比较大的，曝气强度越大，出水浊度越大，过大的曝气强度会影 响动态膜泥饼层的形成。动态膜生物反应器对生活污水有良好的处理效果，出 水c o d 和n h 3 - n 都比较低。恒定通量操作模式下，动态膜试验装置采取了两侧 边曝气的方式，结果表明：两侧边曝气使得动态膜膜面错流的循环动力分布更 加均匀，缓和回流混合液对接近曝气区膜片的冲刷作用，使得整个膜单元的动态 膜更加均匀化，微生物也能够与营养物质充分接触，其运行效果要优于单侧边 曝气。在此操作模式下，动态膜的运行周期分为三个阶段，即动态膜形成期， 摘要 稳定运行期和阻力快速增长期，一个运行周期大概持续7 8 天。 关键词：膜生物反应器，脱氮，动态膜，生活污水 i i a b s t r a c t b yc o m b i n i n gt h ep l a t em e m b r a n eb i o r e a c t o rw i t ha op r o c e s s ，ap i l o tt e s t s y s t e mf o re n h a n c i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lb yu s m gt h ea o - m e m b r a n e b i o r e a c t o r ( a o m a r ) w a sc o n s t r u c t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n de f f e c t so fi m p o r t a n t o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so nd y n a m i cm e m b r a n et ot r e a td o m e s t i cw a s t e w a t e rw e r ea l s o s t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ee f f e c to ft h ed o m e s t i cw a s t e w a t e r t r e a t m e n tb yt h ep i l o t d o m e m b r a n eb i o r e a c t o r 渊o m b r ) w a sg o o d t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o d a n dn h 3 - na n dt nw a sv e r yh i g ha n dt h ee f f l u e n tq u a l i t yc o u l d m e e tt h es t a n d a r do ft h ed i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t ( g b18 918 2 0 0 2 ) a tt h ec o n d i t i o no fs r to f4 0d a y s ，t h ea v e r a g e r e m o v a le f f i c i e n c yo ft nw a s7 8 7 ，a n dt h eh i g h e s te f f i c i e n c yw a s9 2 w h i c hw a s h i g h e rt h a nt h a to f t h et r a d i t i o n a la op r o c e s s t h er e a s o nw a st h a tt h em l s si nt h e m b rw a sv e r yh i g h , w h i c hr e s u l t e di nt h el o wd ot r a n s f e re f f i c i e n c y t h e r em a yb e s i m u l t a n e o u sm t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) w h i c hc o u l di m p r o v et h et n r e m o v a le f f i c i e n c yw h e nt h ed ow a sl o w e rt h a n0 5m g li nt h em b r a tt h e c o n d i t i o no fs r to f2 0d a y s ，t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo ft nw a s5 7 5 t h e p h o s p h o r u sw a sr e m o v e db ya d d i n gp o l y f e r r i ct ot h em b r t h er e s u l ts h o w e dt h a t w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fp o l y f e r r i cs a l tw a s6 m g l ( a si n f l u e n t ) ，t h ep h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o ni nt h ee f f l u e n tw a sl o w e rt h a n0 5 m g l t h ea c t i v i t yo ft h ea c t i v a t e d s l u d g ea f t e ra d d i n gp o l y f e r r i cw a ss t u d i e d , w h i c hc o m p a r e dw i t ht h a to fb e f o r e t h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h ea c t i ! v i t yo ft h ea c t i v a t e ds l u d g ew a sa f f e c t e db ya d d i n g p o l y f e r r i c ，e s p e c i a l l yt h ee f f i c i e n c yo ft h et nr e m o v a l t h er e s u l to ft h el a b - s c a l e a om b r e x p e r i m e n ts h e w e dt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d a n dn h 3 - nw a s g o o d , b u tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft nw a sl o w e rt h a nt h a to ft h ep i l o t s c a l e e x p e r i m e n t i ta l s of o u n dt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft n a tt h ec o n d i t i o no fr e t u r n r m i o no f2 0 0 w a sh i g h e rt h a nt h a to f3 0 0 r e t u r nr a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i cm e m b r a n ef o r m i n go nt h es u r f a c eo f15 0m e s h s t a i n l e s ss t e e lm e s ht ot r e a td o m e s t i cw a s t e w a t e rw e r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h e i i i a b s t r a c t r e s u l ts h o w e dt h a tt h es l u d g el a y e ra tt h em e s hs u r f a c ec o u l db ef o r m e dq u i c k l y ，a n d w i t ht h er i s i n go ft h ew a t e rh e a d ，t h ec a k el a y e rf o r m e dm o r eq u i c k l ya n dt h e t u r b i d i t yd e c l i n e dm o r er e m a r k a b l y i ta l s of o u n dt h a tt h ev a r i a t i o n so fi n i t i a lf l u x w e r ei na g r e e m e n tw i t ht h ec a k el a y e rr e s i s t a n c em o d e la tt h ec o n d i t i o no f h i g h e r w a t e rh e a d 1 1 硷e f f e c to fa e r a t i o ni n t e n s i t yo nt h e f o r m i n go fc a k el a y e rw a sa l s o i n v e s t i g a t e d t b er e s u l ts h o w e dt h a tam o r ei n t e n s i v ea e r a t i o nc o n d i t i o nl e dt oh i g h e r t u r b i d i t yo ft h ee f f l u e n ta n dt h ec a k el a y e rc o u l dn o tf o r mi ft h ea e r a t i o nw a st o o i n t e n s i v e t h ee f f l u e n tq u a l i t yo f d y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a e t o rw a sv e r yg o o d a t t h eo p e r a t i o no fi n v a r i a b l ef l u x , b o t hs i d e sl a t e r a la e r a t i o nw a sa d o p t e d 硼忙r e s u r s h o w e dt h a tb o t hs i d e sl a t e r a la e r a t i o nc o u l di n c r e a s et h ec r o s s f l o wv e l o c i t ya l o n g m e m b r a n es u r f a c e ，a n dm a k et h ed i s t r i b u t i o no f v e l o c i t ym o r es y m m e t r i c a l l y i ta l s o c o u l da l l e v i a t et h ef l o wc o n d i t i o n sa tt h em e s hs u r f a c es ot h ed y n a m i cm e m b r a n ei n t h er e a c t o rw a sm o r es y m m e t r i c a l l y i tf o u n dt h a tb o t hs i d e sl a t e r a la e r a t i o nw a s o b v i o u s l yb e t t e rt h a nu n i - l a t e r a la e r a t i o n a tt h i sc o n d i t i o n , t h e r ew e r et h r e ep e 南d s o ft h ed y n a m i cm e m b r a n eo p e r a t i o n , w h i c hw e r et h ef o r m i n gp e r i o d , t h es t a b i l i z a t i o n p e r i o da n dt h ei n c r e a s i n gr e s i s t a n c ep e r i o d k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r , n i t r o g e nr e m o v a l , d y n a m i cm e m b r a n e ， m u n i c i p a lw a s t e w a t e r i v 目录 目录 第1 章综述1 1 1 膜一生物反应器工艺简介l 1 2 膜一生物反应器的组成与分类2 ，1 3 膜污染及其影响因素研究状况3 1 3 1 膜污染的概念与成因3 1 3 2 膜污染的影响因素3 1 4 膜污染的控制技术7 1 5a o 膜一生物反应器及国内外研究进展8 1 5 1a o 膜一生物反应器国内外研究动态9 1 6 膜一生物反应器的未来的发展方向，1 l 1 7 动态膜一生物反应器及其发展现状1 2 1 7 1 国内外动态膜的研究进展1 3 1 7 2 动态膜工艺存在的问题和未来发展方向1 6 第2 章课题研究背景、研究内容和方法1 8 2 1 课题研究背景1 8 2 2 课题组前期研究成果1 8 2 3 本课题主要研究内容1 9 2 4 试验方法2 0 2 4 1 设备和材料2 0 第3 章h o 平板膜一生物反应器处理生活污水的中试研究2 2 3 1 试验目的2 2 3 2 试验内容2 2 3 3 试验装置与运行条件2 3 v 目录 3 4 试验用水与接种污泥2 4 3 5 试验结果与讨论2 5 3 5 1m b r 中不同膜的运行情况2 5 3 5 2e p s 与膜污染的关系2 7 3 5 3m l s s m l v s s 的变化情况2 8 3 5 4a 段和0 段粘度变化情况3 0 3 5 5a 段和0 段d o 浓度变化情况，3 1 3 5 6 系统对c o d 的去除效果3 l 3 5 7 对n i b n 的去除效果3 2 3 6 系统脱氮除磷效果分析3 3 3 6 1 系统对总氮的去除效果；3 3 3 6 20 段混合液反硝化试验3 5 3 6 3 出水总氮含量分布3 6 3 6 4m b r 中污泥粒径分析3 7 3 6 5 投加化学药剂前系统对总磷的去除效果3 8 3 6 6 化学除磷3 9 3 7 本章小结4 l 第4 章a o 船r 中试系统微生物活性分析4 2 4 1 试验目的4 2 4 2 试验装置4 2 4 3 试验方法4 3 4 4 试验结果与讨论4 3 4 4 1 伽r 试验结果4 3 4 4 2n u r 试验结果4 4 4 4 3a u r 试验结果4 5 4 5 本章小结4 6 第5 章a o 膜一生物反应器处理生活污水小试试验研究4 7 v i 目录 5 1 试验目的4 7 5 2 试验内容4 7 5 3 试验装置及方法4 7 5 3 1 试验装置4 7 5 3 2 试验用水和接种污泥4 8 5 4 结果与讨论4 8 5 4 i 运行过程l f l s s 与m l v s s 变化4 8 5 4 2 系统对c o d 的去除效果4 9 5 4 3 系统对肌_ n 的去除效果5 0 5 4 4 反应器对t n 的去除效果5 0 5 5 本章小结5 l 第6 章恒定压力条件下动态膜一生物反应器运行特性研究5 3 6 1 试验目的5 4 6 2 材料与方法5 4 6 2 1 试验装置5 4 6 2 2 实验用水与接种污泥5 5 6 2 3 试验条件5 5 6 3 结果与讨论5 5 6 3 1 动态膜泥饼形成影响因素研究5 5 6 3 2 动态膜污水处理效果5 7 6 3 3 动态膜运行初期膜通量衰减规律6 0 6 3 4 动态膜膜污染机理及清洗效果研究6 3 6 3 5 动态膜研究中存在的问题6 5 6 4 本章小结6 6 第7 章恒定通量条件下动态膜一生物反应器运行特性研究6 7 7 1 试验目的6 7 7 2 试验装置及方法6 7 i 目录 7 2 1 试验装置6 7 7 2 2 试验用水和接种污泥6 8 7 2 3 试验方法6 8 7 3 结果与讨论6 8 7 3 1 曝气方式的选择6 8 7 3 2 出水水头与通量变化6 9 7 3 3 反应器内污泥浓度随时间的变化7 0 7 3 4 运行过程中反应器内污泥s v i 变化7 1 7 3 5 动态膜对污水处理效果7 1 7 4 本章小结7 4 第8 章结论与建议7 5 8 1 结论7 5 8 2 建议7 6 致谢7 7 参考文献7 8 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 5 v i l i 第1 章综述 第1 章综述 我国全国性淡水资源紧张，人口占世界的2 1 ，却只拥有全世界水资源的 7 ，日缺水1 , 6 0 0 万m 3 ，影响到经济的持续发展和人民生活水平的提高。2 0 1 0 年后我国又将开始进入严重缺水期，而水质污染也将逐渐成为我国城市安全供 水的最大障碍。因此，开发新水资源成为当务之急。工业废水和市政污水处理、 回用，即废水资源化是建立新水资源的另一主要内容。目前工业发达国家企业 的工业用水回用率一般在9 0 左右，而我国仅为5 1 0 ，2 0 1 0 年国内水资源再 利用率规划达到4 0 以上。国际上废水回用领域，膜法处理已占到总量的9 5 以上，国内也较普遍的利用了膜分离技术。发展膜法水资源再利用不仅可以开 辟新的淡水资源，而且还可以实现工业节水、清洁生产、保护环境，促进国民 经济发展和人民生活水平的提高，对和谐社会建设和可持续发展具有战略意义。 因而对废( 污) 水进行处理，特别是利用膜分离技术获得高质量的再生水进行 回用意义重大i l j 。 1 1 膜一生物反应器工艺简介 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , 简称m b r ) 是将膜分离技术中的超 微滤组件与污水生物处理中的生物反应器相互结合而开发的新型系统。近年来， 膜生物反应器( m b r ) 在污水处理中的应用格外引人注目。该工艺与传统工艺相 比具有如下优点【2 j ： ( 1 ) 能高效的进行固液分离，分离效果好于传统的沉淀池，出水水质良好且 稳定，可以直接回用。 ( 2 ) 由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反应器内，实现反 应器水力停留时间和污泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。 ( 3 ) 生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面 积小。 ( 4 ) 有利于增殖缓慢的微生物( 如硝化细菌) 的截留和生长，系统硝化效率 得以提高。也可增加一些难降解有机物在系统中的水力停留时间，有效地将分 第1 章综述 解难降解有机物的微生物滞留在反应器内，有利于难降解有机物降解效率提高。 ( 5 ) 膜生物反应器一般都在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产 量低，降低了污泥处理费用。 ( 6 ) 易实现自动控制，操作管理方便。 目前该工艺能耗及成本较高和膜污染仍然是阻碍其发展的三大瓶颈，但是 随着膜技术的发展，膜的制造成本的下降，新型膜组件及膜生物反应器工艺的 不断开发，以及膜污染机理的研究与防治，膜生物反应器技术在废水处理中将 会得到更广泛的应用。 1 2 膜生物反应器的组成与分类 根据膜系统与生物反应器组合的方式和位置，膜生物反应器又可分为循环 式( 分置式) 和浸没式( 一体式) 两种，如图1 1 、1 2 所示【3 】。 原水 膜 装 置 出水 鼓风机 图1 1 分置式膜生物反应器图1 2 一体式膜生物反应器 两种膜生物反应器的特点如下表1 1 所示： 表1 1 一体式与分置式膜生物反应器的特点 出水 类型优点缺点 ( 1 ) 膜出水靠真空泵抽吸或其他类型泵抽吸出 水，结构紧凑、体积小、工作压力小、动力消耗( 1 ) 膜面流速小易污染； 一体式小、无水循环、不堵塞膜纤维中心孔等优点。( 2 ) 清洗麻烦； ( 2 ) 由于不使用加压泵，避免微生物菌体受到剪( 3 ) 存在出水不连续问题。 切而失活。 ( 1 ) 组装灵活，各种不同种类的生物反应器与膜( 1 ) 动力消耗大、系统运行费 组件可以相互组合，形成多种形式的分置式膜一生用高，其单位体积处理水的能 分置式 物反应器。耗是传统活性污泥法的1 0 , - - - 2 0 ( 2 ) 易于控制，由于膜组件与生物反应器相互分 倍。为了维持一定的水通量，只 2 第1 章综述 开，所以便于设备的安装，膜组件的清洗、更换、有增加泵的工作压力以保证一 增设等。定的膜面流速。污泥回流泵是造 ( 3 ) 易于大型化，分置式系统可以建成大规模的成系统运行费用较高的原因 工业化系统，不受生物反应器的限制。( 2 ) 由于泵的回流产生的剪切 ( 4 ) 透水率可相对增大，因为泵的工作压力可在力可能影响微生物的生物活性。 膜组件的承受压力范围内灵活调节，从而可最大 限度的增大透水率。 另外，膜生物反应器按其需氧形式又可以分为好氧m b r 和厌氧m b r ，现 在研究与应用较多的是好氧m b r 。近年来，相对好氧m b r 来说，厌氧m b r 具 有的能耗低和污泥产率低等特点逐渐受到人们的重视。 1 3 膜污染及其影响因素研究状况 1 3 1 膜污染的概念与成因 膜污染是由于膜与活性污泥中的污染物质相互作用引起的，通常是指溶质 在膜表面和膜孔内吸咐聚集，以及因为浓差极化使溶质浓度超过饱和浓度而在 膜表面产生沉淀或结晶，形成“凝胶层”或者“泥饼层”，从而引起膜通量衰减的过 程。膜污染有可逆污染和不可逆污染之分。在m b r 中，膜污染常能使实际运行 通量低于清水通量的5 ，对膜运行过程有很大的影响。 污水中通常含有数千种不同的有机物，单独测定每一种有机物是不可能的 【5 】。污泥混合液的组成非常复杂，它包括营养基质、菌胶团、微生物细胞、细胞 碎片以及微生物代谢产物如胞外聚合物( e p s ) 等。这些污染物质从形态上讲包 括固体大颗粒、小颗粒、胶体、有机大分子、小分子和各种有机、无机溶解性 物质，理论上讲每一部分都对膜污染有贡献。污泥混合液中污染物质的组成也 是变化的，特别是污泥中的细胞具有生物活性，有着比物理过程、化学反应更 为复杂的生物化学过程。膜污染过程非常复杂，其机理目前尚不完全清楚。有 些膜污染可以通过一定的方法消除或减轻，有些则使膜发生了永久性改变，无 法消除。 1 3 2 膜污染的影响因素 影响膜污染的因素主要有：膜本身特性及进水水质，活性污泥混合液性质， 3 第l 章综述 工艺运行条件等几个方面。 1 3 2 1 膜本身特性对膜污染的影响 膜本身的特性如膜材质、膜孔径或孑l 隙率、表面能、电荷、粗糙度以及亲、 疏水性对膜污染有直接的影响。 ( 1 ) 膜材质对膜污染的影响 膜按材质分为无机膜和有机膜，污水处理中一般采用的膜都是有机膜，目 前应用较广的材料主要有：聚砜( p s ) 、聚醚砜( p e s ) 、( 脂肪) 聚酰胺( p a ) 、 聚丙烯( p p ) 、聚丙烯睛( p a n ) 、聚偏氟乙烯( p v d f ) 、纤维素酯、聚醚醚酮、 聚酰亚胺、聚醚酰胺等。其中聚偏氟乙烯( p v d f ) 是现在公认的抗污染性能较 好的膜材质。王锦等1 6 采用不同材质超滤膜对洗涤废水进行研究，研究发现，在 特定试验条件下，三种膜通量下降幅度大小顺序为：p s 膜 p a n 膜 p p 膜( p a n 膜的通量明显高于p p 膜和p s 膜) ；净平均通量大小为：p a n 膜 p s 膜 p p 膜； 过膜压差升高速率：p s 膜 p p 膜 p a n 膜。由此可见，三种膜材质中p a n 膜为 洗涤废水处理的较优膜材质。 ( 2 ) 膜的孔径或孔隙率对膜污染的影响 理论上讲，在满足截留要求的前提下，应尽量选择孔径或截留分子量较大 的膜，从而得到较高的膜通量。但研究中发现，较大孔径的膜，污染速率更高， 膜通量下降很快。吴志超等1 7 1 对于不同截留分子量条件下好氧分置式膜生物反 应器的研究表明，截留分子量大的超滤膜，虽然清水通量和短期运行时膜通量 大，但在长期运行条件下，膜表面更易出现浓差极化现象，清洗周期缩短。从 而认为过高的截留分子量可能带来更易堵塞、清洗频繁、运行效果出现波动等 问题。 ( 3 ) 膜电荷性质对膜污染的影响 膜在料液中，由于高分子材料对料液中的正负离子有吸附或排斥作用，或 者由于构成膜的高分子材料具有荷电基团等原因，使膜面带有电荷，对膜的性 能有一定的影响。 一般水溶液中胶体粒子带负电，当膜表面呈正电性时，胶体杂质易沉积于膜 上造成污染，使膜性能下降。当膜面具有与胶体微粒相同电荷时，膜不易污染。 所以选用电位为负值的膜材质，由于同性相斥效应，能起到防止膜污染的作用。 n a k a o 等1 8 j 发现与膜表面有相同电荷的料液能改善膜表面的污染，提高膜通量。 4 第1 章综述 s h i m i z u 等 9 1 发现荷负电的陶瓷微滤膜比非荷电或荷正电的膜通量有很大提高， 其原因就在于荷负电的胶体与膜表面之间存在较强的电性斥力，使膜污染减轻。 ( 4 ) 膜的亲疏水性对膜污染的影响 亲水性膜不容易与混合液中蛋白质类污染物结合，从而减少了膜对于生物 类污染物质的吸附。膜的亲疏水性通过测量接触角0 来表征，0 越大，膜疏水性 越强。i n - s o u n gc h a n g 等【1 0 , 11 1 比较了a m i e o n 公司的疏水性超滤膜( p m 3 0 ，接触 角6 0 0 ) 和亲水性超滤膜( y m 3 0 ，几乎完全浸润) 对不同种类的活性污泥过滤 中膜污染的差别。试验表明，p m 3 0 膜比y m 3 0 膜更容易被污染。f u t a m u r a 等人 【1 2 1 在采用m b r 处理有机废水时也得到亲水性膜污染较轻的结果。对于疏水性材 料和弱亲水性材料，通过引入亲水基团( 如磺酸基) 和表面改性技术可以提高 膜的亲水性，增加通量和抗污染性。如采用丙烯酸对聚砜超滤膜进行表面改性， 可以同时提高膜通量及膜的抗污染性能【1 3 1 。聚砜超滤膜接枝改性后，膜的亲水 性提高，抗蛋白质吸附污染的能力显著增强，膜污染会大大减轻【1 4 1 。p i e r a c c i 1 5 】 对1 0 k d a 的聚醚砜超滤膜进行了光化学改性研究，发现改性后的膜亲水性增加 2 5 ，污染程度减少4 9 。 1 3 2 2 污泥混合液的特性对膜污染的影响 活性污泥混合液的各部分组成是造成膜污染的物质来源。污泥混合液的组 分随着进水性质和操作条件的变化而变化，不但含有废水中的各种污染物，还 含有各种微生物及其代谢产物。其中的各种成分，从溶解性物质如无机物和胞 外聚合物，到胶体、颗粒性物质和生物体，都会造成膜污染。 研究资料表明：随着活性污泥浓度的增加，活性污泥更容易在膜表面沉积， 加快膜污染，导致膜过滤阻力的增加，进而降低膜通量；污泥浓度过高，还会 造成污泥粘度增大，影响氧的传递效率i l6 ，1 7 j 。 吴金玲1 1 8 】等研究了活性污泥混合液性质对膜过滤性能的影响，试验表明： 上清液中有机物浓度越高，膜的过滤性能越差；在高污泥浓度( m l s s 1 0 9 l ) 条件下，m l s s 越高，膜过滤性能越差，同时混合液中污泥絮体越大，对膜的过 滤性能越有利；此外，丝状菌的适度生长有利于膜过滤性能的提高。 胞外聚合物是微生物细胞分泌的粘性物质，作为含水凝聚基质将微生物粘 结在一起，对于污泥絮体的形成具有重要作用。胞外聚合物成分复杂，包括多 糖、蛋白质、核酸、类脂体等高分子化合物【l9 1 。近年来，许多研究认为e p s 是 5 第l 章综述 膜污染众多因素中最重要的生物因素。c h a n g 等人【2 0 】研究认为e p s 浓度与膜污 染程度之间存在线性关系，通过试验确定减少e p s 4 0 ，可以减少相应程度的泥 饼层阻力。n a g a o k a 等人【2 l 刀】经过研究建立了曝气池中水力阻力与e p s 之间的关 系，包括e p s 产率与降解率的经验参数，并采用模型来预测膜污染以及负荷率、 膜通量、剪切力对于生物反应器的影响。h u a n g 等人团】发现生物反应器中高分 子溶解性有机物会产生积累，它们主要是微生物的代谢产物，并对于膜通量具 有负面作用：t o c 每增加5 0 m g l ，膜通量就减少7 0 。不同种类的e p s 对于 膜污染的贡献程度也不同。i n - s o u n gc h a n g 等人【2 4 】发现9 0 的泥饼层阻力来自 e p s ，并且e p s 中蛋白质和碳水化合物的比例不同，则阻力也不同。m u k a i 等人 瞄j 发现e p s 中蛋白质和糖类的比例不同，超滤的膜通量也不同，膜通量随着蛋 白质比例的增加而减少。 1 3 2 3 操作条件对膜污染的影响 影响膜污染的m b r i 艺条件主要有：膜通量和临界通量、曝气方式和曝气 量、膜面错流速度、h r t 和s r t 及出水方式等。高膜通量下操作，膜污染会很快 发生，因此在实际操作过程中，膜通量应该在低于临界通量的条件下运行。 h o w e l l 2 6 通过胶体的微滤试验认为，在临界膜通量以下系统运行稳定，胶体不 会引起膜污染，膜通量的大小与膜驱动压力成正比。在临界通量以上运行时， 膜通量会短暂增大，但是最终又会下降到临界通量水平，此时膜污染已经发生。 当再降低压力时，稳定通量会降低到临界通量以下。在一体式m b r 中，曝气不 但为微生物提供氧气，满足有机物降解和细胞合成的要求，还产生工艺所需的 错流速率，使混合液处于悬浮状态冲刷膜面使膜污染减轻。曝气引起的错流可 以有效的去除或者减轻膜面的污染层。理论上可以计算出安装有挡板的内循环 生物反应器的错流速率 2 7 2 s 】，一般在浸没式m b r 中，错流速率为o 3 0 5 m s 。 m b r 中采用较短的h r t 会为微生物提供较多的营养物质，因而污泥增长速率较 高，m l s s 浓度升高快。m l s s 浓度直接受到污泥负荷率的影响。h i d e k eh a r a d a 等【2 9 】与t v e d a 等f 3 0 】都证明，过短的水力停留时间会导致溶解性有机物的积累， 吸附在膜面上而影响通量。因此需要控制h r t ，以维持溶解性有机物的平衡。污 泥停留时间直接影响剩余污泥的产量、组成、生物特性和浓度，例如在批量处 理系统中，微生物处于内源呼吸期时，大量微生物死亡，上清液中可溶性代谢 产物积累刎j ，会比对数生长期产生更多的细胞碎片和胞外聚合物，从而加剧膜 6 第1 章综述 的生物污染。有研究【3 2 3 3 】表明当s r t 从5 d 增加至u 2 0 d 时，m l s s 从3g l 增加到 7 s g l ，较长的s r t 使膜污染减轻。但是也有报道【3 4 1 高m l s s 浓度会导致高的污 泥粘度，从而加重膜污染，认为应定期排泥以保持较低的粘度。运行操作条件 是影响膜过滤及污染的重要因素。研究表明间歇运行可以有效地减缓膜污染。 杜萍等【3 5 l 研究得出：缩短抽吸时间或延长暂停时间和增加曝气量均有利于减缓 膜污染，但过短的抽吸时间、过长的暂停时间和过大曝气量不能进一步地减轻膜 污染。 1 4 膜污染的控制技术 膜污染是膜技术应用中面临的重要问题之一，欲使m b r 长期稳定地运行， 就必须研究膜污染机理及防治办法。有效的膜污染防治技术，可以增加膜通量， 增强系统运行稳定性，延长膜寿命，降低工艺的运行费用。宏观上认为，膜污 染的形成主要受三方面的影响：膜的性质、混合液性质和操作条件，而且这三 方面间相互影响，相互制约。因此，在m b r 的研究和实践中，防治膜污染的控 制措施可以从以下几点考虑：选择抗污染性强的膜材料；优化膜组件的结构和 布置方式；选择合适的操作运行模式和清洗方式；改善混合液性质和活性污泥 的过滤性能。日本三菱公司新开发了一种材质为p v d f 的s a d f 膜，与该公司 前期的产品相比，s a d f 膜通量约提高3 倍，强度约提高6 0 倍，更耐化学腐蚀， 使用寿命更长。我国正在建设规模约4 5 0 0 0 m 3 d 的m b r 污水处理厂采用的就是 s a d f 膜【3 6 1 。研究表明在m b r 混合液中投加一些填料，如活性炭、化学絮凝剂、 沸石、硅藻土等会减缓膜的污染。罗虹等1 3 7 1 在m b r 处理生活污水的研究试验中 投加p a c ，取得了更优的水质，减轻了膜阻力，提高了膜通量。杨德立等j 在 活性污泥中投加硅藻土，结果表明硅藻土的投加能有效增加膜的通量，但存在 硅藻土的最佳投加量，即当污泥浓度为6 9 l 时，通量随硅藻土的投加量增大而 增加，但在污泥浓度为9 9 l 和1 2 9 r l 的情况下，通量的增加并不随投加量的增 加而增加，而是存在一个最佳的投加量，最佳投加量范围在1 0 9 l 左右。在浸没 式m b r 中，采取间歇抽吸的方法往往