（环境工程专业论文）不同水质及膜材质平板膜生物反应器运行特性研究.pdf

摘要 摘要 膜生物反应器是将膜分离与生物技术结合起来的一种新型污水处理和回用 技术，近年来在基础研究和实际工程应用领域都得到广泛的关注。 为了促进平板膜生物反应器在城市废水处理上的工程化应用，在课题组前 期研究成果的基础上，受课题组研究工作的安排，针对不同膜孔径和不同无纺 布开展了高通量平板膜材质的研究及高通量平板膜生物反应器处理生活污水的 研究，针对不同处理对象进行了平板膜生物反应器处理微污染水源水及高浓度 酒糟废水的实验研究，主要研究内容及实验结果如下： 1 ) 进行了高通量平板膜材质的中试研究。实验结果表明：不同膜孔径和不同 无纺布的平板膜按高通量3 0 l m 2 h 运行时其膜过滤性能有很大的差异，6 撑 膜( 国产无纺布) 、仿矿( 1 ) 膜、2 # 最新膜( 进1 ：3 无纺布) 其运行特性好，适宜于 m b r 工程用膜的推广。国产m f 膜由于在成膜过程中孔尺寸的控制精度还 不能很好掌握，可能会导致相同无纺布的膜其过滤性能有很大的差别。在 此基础上考察了高通量平板膜生物反应器处理生活污水的中试研究，实验 结果表明：系统对c o d c ，、n i - 1 4 + o n 有很好的去除效果，出水c o d c ，在 5 0 m g l 以下，c o d c ，去除率在8 5 - - , 9 9 之间。由于系统的污泥浓度高，在 控制适宜的d o 下，系统实现了同步硝化反硝化效应，对总n 有一定程度 的去除效果，去除率在2 0 , - - 7 0 之间，平均去除率为3 8 7 。 2 ) 进行了平板膜生物反应器净化微污染水源水的研究。实验结果表明：水力 停留时间( h r t ) 为1 5 h ，系统对水体中的污染物c o d c ，、c o d m n 、t o c 及 n i - - 1 4 + n 有很好的去除效果。出水c o d c , 低于1 5 m g l ，平均去除率为 7 8 7 ；出水n h 4 + n 低于0 5 m g l ，平均去除率为9 0 2 ；u v 2 5 4 的去除率 较低，平均去除率为3 4 6 。 3 ) 考察了平板膜生物反应器净化微污染水源水系统污泥混合液中胞外聚合物 ( e p s ) 浓度与膜污染的关系。结果表明：e p s 浓度与膜污染没有线性关系， 运行通量的选择是本研究三个工况膜污染程度相异的一个主要原因。 4 ) 考察了投加粉末活性炭对平板膜生物反应器处理微污染水源水去除效果的 影响。结果表明：由于活性炭的强吸附能力，活性炭的投加使得系统对水 体中c o d m 。、t o c 及u v 2 5 4 的去除率有很大的提高，去除率分别提高了 1 0 3 、6 8 及2 6 2 ，而对c o d c ，和n h 4 + n 的去除效果影响不大。 5 ) 进行了好氧平板膜生物反应器处理高浓度酒糟废水的初步研究。实验结果 表明：系统对不同c o d c r 浓度进水的高浓度酒糟废水有很好的去除效果。 摘要 在h r t 为2 4 4 h ，进水c o d c r 分别为4 0 0 0 m g l 、2 0 0 0 m g l 、10 0 0 m g l 的 情况下，出水c o d c ，分别介于3 0 m g l 1 8 0 r a g l 之间；介于1 0 m g l 1 0 0 m g l 之间；介于4 0 m g l - - - 1 0 0 m g l 之间。平均出水分别为7 0 9 m g l 、 4 3 5 m g l 、5 7 1 m g l 。平均去除率分别为9 8 2 、9 8 、9 4 1 。在h r t 为 1 2 2 h ，进水c o d c ，分别为2 0 0 0 m g l 、1 0 0 0 m g l 的情况下，出水c o d c ，分 别介于3 0 m g l - - , 2 5 0 m g l 之间；介于5 m g l - - , 8 0 m g l 之间。平均出水分 别为l1 7 m g l 、3 5 m g l 。平均去除率分别为9 6 8 、9 4 2 。 6 ) 好氧平板膜生物反应器处理高浓度酒糟废水其污泥混合液性质与一般的好 氧m b r 处理生活污水的混合液性质有很大的差异，膜面污染物质的性质也 不同。处理高浓度酒糟废水时，混合液中和膜面上的糖类含量相比处理生 活污水时要高。粘度是本研究好氧平板膜生物反应器处理高浓度酒糟废水 系统膜污染的一大主要影响因素。 关键词：平板膜生物反应器，膜材质，高通量，膜过滤性能，微污染水源水， 粉末活性炭，高浓度酒糟废水，糖类，胞外聚合物，膜污染 i l a b s t r a c t a b s t r a c t t h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) h a sr e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o ni nw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n dr e c l a m a t i o nf o ry e a r s ，w h i c hc o m b i n e sm e m b r a n es e p a r a t i o nw i t h b i o l o g i c a lt e c h n o l o g y i no r d e rt os p e e dt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o j e c ta p p l i c a t i o no ff l a t - s h e e t m e m b r a n eb i o r e a c t o r , r e g a r dt od i f f e r e n tm e m b r a n ea p e r t u r ea n dn o n w o v e nf a b r i c s ， l l i g hf l u xf l a t s h e e tm e m b r a n em a t e r i a lw i t hp i l o t s c a l ee x p e r i m e n ti si n v e s t i g a t e di n t h i ss t u d y f u r t h e r m o r e ，m i c r o - p o l l u t e ds o u r c ew a t e rp u r i f i c a t i o na n dh i g hs t r e n g t h l e e sw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb ya e r o b i ct i a t - s h e e tm e m b r a n eb i o r e a c t o ra r ea l s os t u d i e d t h em a i ns t u d y i n gc o n t e n ta n dr e s u l ta r es h o w na sf o l l o w s ： 1 ) l l i g hf l u x f l a t - s h e e tm e m b r a n em a t e r i a lw i t h p i l o t s c a l ee x p e r i m e n tw a s i n v e s t i g a t e d t e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em e m b r a n ef i l t r a t i o np e r f o r m a n c ew a s g r e a t l yd i f f e r e n tf o rd i f f e r e n tm e m b r a n ea p e r t u r ea n dn o n w o v e nf a b r i c s n o 6 ， n o 2m e m b r a n ea n ds i m u l a t e dn o 6m e m b r a n ew i t he x c e l l e n t o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa r es u i t a b l et od e v e l o pi nt h em b r p r o j e c t i tm a yl e a dt og r e a t d i f f e r e n c eo fm e m b r a n ef i l t r a t i o np e r f o r m a n c ew i t hs a m en o n w o v e nf a b r i c sd u e t ob ei n c a p a b l eo fg r a s p i n gt h ep r e c i s i o nw e l li nt h ef o r m i n go fm e m b r a n e a p e r t u r e b a s e di n a b o v es t u d i e d ，d o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yf l a t - s h e e t m e m b r a n eb i o r e a c t o rw i t hp i l o ts c a l ew a ss t u d i e d t e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a t m b ro w n e de x c e l l e n tr e m o v ee f f e c to fp o l l u t a n t e f f l u e n tc o d c rw a sl o w e rt h a n 5 0 m g la n dc o d e rr e m o v a lr a t ew a sf l u c t u a t e db e t w e e n8 5 a n d9 9 d u et o t h eh i g hs l u d g ec o n c e n t r a t i o n , f l a t - s h e e tm b rs y s t e ma c h i e v e dt h es i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n 诵ml o wd i s s o l u b l eo x y g e n ，a n dm b ro w n e da c e r t a i ne x t e n tr e m o v a le f f e c t so ft o t a ln i t r o g e n t o t a ln i t r o g e nr e m o v a lr a t ew a s f l u c t u a t e db e t w e e n2 0 a n d7 0 ，a n dt h em e a nt o t a ln i t r o g e nr e m o v a lr a t ew a s 3 8 7 2 1 m i c r o - p o l l u t e ds o u r c ew a t e rt r e a t m e n tb yf l a t s h e e tm e m b r a n eb i o r e a c t o rw a s s t u d i e d t e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tm b ro w n e de x c e l l e n tr e m o v a le f f e c to f c o d c r ，c o d m n ，t o ca n dn h 4 十- nw i t hh r t1 5 h e 用u e n tc o d c rw a sl o w e r t h a n15 m g la n dt h em e a nc o d e rr e m o v a lr a t ew a s7 8 7 e f f l u e n tn 出+ - n w a sl o w e rt h a n0 5 m g la n dt h em e a nn h 4 + - nr e m o v a lr a t ew a s9 0 2 t h e m e a nu v 2 5 4r e m o v a lr a t ew a s3 4 6 1 1 1 a b s t r a c t 3 ) t h e r e l a t i o nb e t w e e ne p sc o n c e n t r a t i o na n dm e m b r a n ef o u l i n gw a si n v e s t i g a t i o n i nt h i ss t u d y t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew a sn on o t a b l ec o r r e l a t i o nb e t w e e n e p sc o n c e n t r a t i o no fm i x e dl i q u o ra n dm e m b r a n ef o u l i n g t h es e l e c t i o no f o p e r a t i o n a lf l u xh a ds i g n i f i c a n te f f e c t so nm e m b r a n ef o u l i n ga n do p e r a t i o no ff l a t m e m b r a n eb i o r e a c t o r 4 ) w 纳t h e a d d i t i o no fp a c ，t h ee f f e c to nt h er e m o v a le f f e c to ff l a t s h e e tm e m b r a n e b i o r e a c t o rw a ss t u d i e d t e s tr e s u l t ss h o w nt h a td u et ot h es t r o n ga d s o r p t i o n c a p a b i l i t y , t h er e m o v a lr a t eo fc o d m n ，t o ca n du v 2 5 4t r e a t m e n tb yf l a t s h e e t m b rh a dag r e a ti m p r o v e m e n t ，w h i c hi m p r o v e d10 3 ，6 8 a n d2 6 2 h o w e v e r ，i th a dn on o t a b l ee f f e c to nt h er e m o v a lr a t eo fc o d o ，n h 4 + - s 5 、 h i g hs t r e n g t h l e e sw a s t e w a t e rt r e a t m e n t b ya e r o b i cf l a t - s h e e tm e m b r a n e b i o r e a c t o rw a sp r i m a r i l ys t u d i e d t e s tr e s u l t ss h o w nt h a tm b ro w n e de x c e l l e n t r e m o v a le f f e c tt r e a t m e n td i f f e r e n tc o d c rc o n c e n t r a t i o no f h i g hs t r e n g t hl e e s w a s t e w a t e r i nt h ec o n d i t i o no fh r t2 4 4a n di n f l u e n tc o d c rr e s p e c t i v e l yw a s 4 0 0 0 m # l 、2 0 0 0 m g la n d 10 0 0 m g l ，e f f l u e n t c o d c rr e s p e c t i v e l yw a s f l u c t u a t e db e t w e e n3 0 m g la n d18 0 m g l ，b e t w e e n10 m g la n dm0 0 m e g l ， b e t w e e n4 0 m g la n d10 0 m g c l ，a n dt h em e a ne f f l u e n tc o d c rw e r e7 0 9 m g l ， 4 3 5 m g la n d5 7 1 m g l ，r e s p e c t i v e l y t h e m e a nc o d c rr e m o v a lr a t e w e r e 9 8 2 ，9 8 a n d9 4 1 ，r e s p e c t i v e l y i nt h ec o n d i t i o no fh r t12 2a n di n f l u e n t c o d e rr e s p e c t i v e l yw a s2 0 0 0 m g la n d10 0 0 m g l ，e f f l u e n tc o d c rr e s p e c t i v e l y w a sf l u c t u a t e db e t w e e n3 0 m g la n d2 5 0 m g l ，b e t w e e n5 m g la n d8 0 m g l ，a n d t h em e a ne f f l u e n tc o d c rw e r e117 m g la n d3 5 m g l ，r e s p e c t i v e l y t h em e a n c o d e rr e m o v a lr a t ew e r e9 6 8 a n d9 4 2 ，r e s p e c t i v e l y 6 ) t h e r ew a sag r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nm i x e dl i q u o rc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s t r e n g t h l e e so r g a n i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb ya e r o b i cf l a t s h e e tm e m b r a n e b i o r e a c t o ra n dm i x e dl i q u o rc h a r a c t e r i s t i c so fd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb y m b r a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o l l u t a n t so nm e m b r a n ea l s oh a dg r e a t d i f f e r e n c e v i s c o s i t yw a st h em a i ne f f e c tf a c t o ro nt h em e m b r a n ef o u l i n gi nt h e m b rs y s t e mt r e a t m e n th i 曲s t r e n g t hl e e so r g a n i cw a s t e w a t e r k e yw o r d s ： f l a t - s h e e tm e m b r a n eb i o r e a c t o r ,m e m b r a n em a t e r i a l ，h i 班f l u x ， m e m b r a n ef i l t r a t i o n p e r f o r m a n c e ，m i c r o - p o l l u t e d s o u r c ew a t e r , p o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o n ，h i 【曲s t r e n g t hl e e so r g a n i cw a s t e w a t e r , g l u c i d e ，e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ( e p s ) ，m e m b r a n ef o u l i n g 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。 搬纛虢安地一引哟 指剥币虢安地，学位敝储签名纱1 嘶 刀钏肌日 叼年 月f 叫 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。 胁蜘形辛 叼年月 l 第l 章综述 第1 章综述 水资源是有限的，地球上可供利用的水资源约占地球总水量的o 6 ，并且 水资源在全球各地分配极不均匀，全球有6 0 以上的陆地淡水不足，有4 0 多个 国家缺水，加上世界人口的增长和社会经济的发展，对淡水的需求量急剧增加， 再加上水体的污染，世界上许多国家和地区相继出现了水危机，世界上有1 3 的人得不到安全水【l 】。当今世界有8 0 个国家，约2 0 多亿人口面临淡水资源危 机，其中2 6 个国家的3 亿多人正生活在缺水状态中，预计到2 0 1 0 年，还将增 加8 个国家，缺水已成为世界性的问趔2 i 。 我国也是一个水资源极匾乏的国家，人均水资源占有量约2 5 0 0 m 3 ，仅为世 界人均占有量的1 4 ，位居第1 1 0 位，己被联合国列为1 3 个水资源贫乏的国家 之一。 针对越来越重的水体污染，近年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应 运而生，而其中的膜分离技术，特别是膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ， 简称m b r ) 组合工艺在废水处理中的应用格外引人注目。该工艺与传统废水生 物处理工艺相比具有如下优点： 1 ) m b r 工艺利用超滤或微滤膜组件，实现了混合液中泥、水的高效分离，可 以维持生物反应单元丰富的生物种类和高生物污泥浓度，使废水中那些大分 子、颗粒状难降解的成分在有限体积的生物反应器中有足够的停留时间，进 而得到充分降解，生化处理效率可提高1 0 - 3 0 。 2 ) 当处理对象为生活污水时，出水水质好，可直接回用。 3 ) 膜能够高效地进行同液分离，出水性质不再依赖于活性污泥的沉降特性，克 服了常规活性污泥法中容易发生污泥膨胀、二沉池沉降性能差等弊端。 4 1 有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得到提高。 通过改变运行方式，可实现反硝化和生物除磷的深度生物处理功能。 5 ) 工艺简单，节省占地。m b r 工艺集传统工艺中的曝气池、二沉池、污泥浓 缩池和消毒池于一体，处理单元少，水力停留时问短，大大简化了处理系统 的工艺流程，极大地降低了系统的占地。 6 ) 剩余污泥产量少。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，高的 s r t 使污泥产生好氧消化作用，污泥产率降低。 7 ) 膜使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间( h r t ) 和污 泥龄( s r t ) 的完全分副引，使运行控制更加灵活稳定。 8 ) m b r 系统可实现全流程p l c 自动控制，易于实现自动化控制，实现无人值 第1 章综述 守。 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 1 膜生物反应器分类及特点 膜和生物反应器各自具有自己的多样性，因此膜生物反应器也有很多不同 的分类方法，到目前为止，人们对于膜生物反应器的分类还没有权威、统一的 定义。 ( 1 ) 按膜组件和生物反应器组合方式的不同可分为分置式膜生物反应器与 一体式膜生物反应器。 分置式膜生物反应器是指膜组件与生物反应器分开设置，靠加压泵加压出 水，其特点见下表1 1 。 表1 1 分置式膜生物反应器的特点 分置式膜一生物反应器 1 )组装灵活，各种不同种类的生物反应器与膜组件可以相互组合，形成多 种形式的分置式膜生物反应器。 2 )易于控制，由于膜组件与生物反应器相互分开，所以便于设备的安装， 膜组件的清洗、更换、增设等。 优点 3 )易于大型化，分置式系统可以建成大规模的工业化系统，不受生物反应 器的限制。 4 )透水率可相对增大，因为泵的工作压力可在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。 1 )动力消耗大、系统运行费用高川，其单位体积处理水的能耗是传统活性 污泥法的1 0 2 0 倍。为了维持一定的水通量，只有增加泵的工作压力 缺点 以保证一定的膜面流速。污泥网流泵是造成系统运行费用较高的原因。 2 )由于泵的同流产生的剪切力可能影响微生物的生物活性。 一体式膜生物反应器是将膜组件安放在生物反应器内部，曝气器设置在膜 组件的正下方。膜表面的错流是由空气搅动产生的，在这种剪切力的作用下，胶 体颗粒被迫离开膜表面，减缓膜的堵塞，起到缓解膜污染的作用，其特点见下表 1 2 ： 2 第1 章综述 表1 2 体式膜生物反应器的特点 一体式膜生物反应器 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 优点 压力小、动力消耗小、无水循环、不堵塞膜纤维中心孔等优点。 2 )由于不使用加压泵，避免微生物菌体受到剪切而失活。 1 )膜面流速小易污染 缺点 2 1清洗麻烦 3 )存在出水不连续问题 ( 2 ) 膜生物反应器按膜组件在生物反应器中作用不同可分为分离膜生物反 应器、无泡膜生物反应器和萃取膜生物反应器三种，各膜生物反应器的特点见 下表1 3 。 表1 3 分离、无泡及萃取膜生物反应器的特点 膜生物反应器类型特点 分离膜生物反应器即传统的一体式与分置式膜一生物反应器，膜 分离膜生物反应器起泥水分离作用，可以有效的克服传统活性污泥工艺中存在的活性 污泥沉降性不易控制和生化反戍速率不高两个主要问题。 1 )无泡膜一生物反应器的曝气系统采用一种新型透气性膜4 】【那，具 有传质阻力小，内高压的特点。克服了传统鼓泡曝气氧气传质 效率底的缺点，使氧的利用率接近1 0 0 ，可以极大地提高m b r 中的生物量。 无泡膜一生物反应器 2 )另外，由于采用了无泡供氧的曝气形式，使其可以用于含挥发 性有毒有机物或发泡剂废水的处理。 3 )同传统的曝气系统相比，膜曝气系统的基建费较高，又由于膜 的阻力，传质所需的动力费用也要相应增加，这是膜曝气系统 的不足之处 4 】【5 1 。 萃取膜一生物反应器是用膜将废水与活性污泥隔离开，废水在膜 腔内流动，并与进水和出水槽相连，而含某种专性细菌的活性污泥 在膜外流动，污染物能选择性透过疏水性膜并最终被膜外的生物降 解【4 】。 萃取膜生物反应器 1 )由于膜具有选择透过性，能萃取废水中的挥发性有机物，如芳 烃、卤代烃等【4 】。 2 )在处理酸碱度高、盐度高或含有毒和其它挥发性有机物的特种 废水时，萃取膜一生物反应器具有良好的应用前景1 5 l 。 ( 3 ) 膜组件部分从构型上可分管式、毛细管式、卷式、平板式及中空纤维式 膜生物反应器；按膜化学组成可分为有机膜与无机膜；按孔径大小分微滤膜与 超滤膜；按膜过滤时驱动方式不同分加压型和吸压型；按微生物生长需氧情况的 不同可分为好氧膜生物反应器和厌氧膜生物反应器。 第1 章综述 1 2 膜污染及控制技术 1 2 1 膜污染 膜生物反应器中的膜污染，影响反应器的运行稳定性和工艺经济性，是限 制膜生物反应器广泛推广的瓶颈问题【6 】。它会引起膜渗透通量的下降和膜阻力 的上升，甚至使膜过滤过程无法继续进行。膜污染是指处理物料中的微粒、胶体 物质或溶质大分子物质由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用引起的在膜 表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的 不可逆变化的现象。只要料液与膜接触，即使膜两侧没有压差，膜污染也会产生。 广义的膜污染不仅包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的污染( 不可逆污染) ，而且 包括可逆的浓差极化( 可逆污染) ，二者共同造成运行过程中膜通量的衰减。 膜污染通常采用污染阻力来表征。过滤总阻力r 包括膜本身的固有阻力l k 、 过滤过程中的浓差极化阻力k 、膜孔堵塞和吸附阻力如、泥饼层阻力。总阻 力即各种阻力值的叠加，且符合达西( d a r c y sl a w ) 方程【7 】： 1d v pa p i 一一一一一一一 ，11 、 。 ad t 肚( r m + r c p + r b + r 。) u 。 ( 1 1 ) 式中：j 为膜通量( l m ：h ) ，a 为膜面积，v 为过滤液体积( m 3 ) ，t 为时间( s ) ， a p 为膜两侧的压力差( p a ) ，肛为透过液粘度( p a s ) ，r 为过滤 总阻力( m 1 ) 。膜的阻力分布可用图l - l 表示。 l 匕1 厂x | | | 霪 i x h x w - k ，嗡 ；薯 t 广蓁萋 ， 图1 1 膜过滤阻力分布示意图 活性污泥的超滤过程，必然同时存在膜孔的堵塞和沉积层的形成。一般在过 滤初期膜污染主要由膜材质决定，以膜孔的堵塞为主，之后沉积层开始控制膜过 滤，因此要尽量避免一次吸附和阻塞的发生【8 】 1 2 2 膜污染的影晌因素 膜污染的影响因素主要有：膜材质、污泥混合液的性质及操作条件，这些因 4 第1 章综述 素相互作用，使m b r 系统的阻力预测和膜通量预测工作变得十分复杂。 1 2 2 1 膜材质 膜的性质主要是指膜材料的物化性能，如由膜材料的分子结构决定的膜表面 的电荷性、亲及憎水性、膜孔径大小、粗糙度等，这些性质对膜污染都有一定的 影响。 一般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。 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。 表1 4 列出了国内外一些研究者对这些因素与膜污染关系的一些研究结果。 表1 4 膜生物反应器膜材质与膜污染的关系 膜性质与膜污染的关系 1 )n a k a o 等【9 1 发现与膜表面有相同电荷的料液能改善膜表面的污染， 提高膜通透量。 膜的电荷性 2 )s h i m i z u 等m 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。 1 )r e i h a n i a n 等】在对膜分离蛋白质影响的研究中发现，憎水性膜对 蛋白质的吸附小于亲水性膜，因此能获得相对较高的通透量，易 受蛋白质等污染的膜有聚砜等，而憎永性质的聚丙烯睛膜和聚烯 烃膜等受到的污染程度较轻。 2 )c h o o i c h 采用3 种不同的亲、疏水性的m f 膜处理厌氧m b r 消化液 膜的亲水性及疏水性 时，发现亲水的纤维素膜比疏水的聚砜膜污染趋势小。 3 )f u t a m u r a 等人【1 2 1 在采用m b r 处理有机废水时得到亲水性膜污染 较轻。 4 ) s a t o s h if 1 3 1 等研究表明亲水性膜比疏水性膜具有更高的抗污染特 性。 1 )k h c h o o 和c h l e e t 4 1 对厌氧m b r 的研究认为，由于污染组分 粒径与膜孔径之间的关系，孔径为0 1 l a n 的p v d f 微滤膜污染趋势 膜孔径 最小。并且认为上清液中的细微胶体物质，虽然与其它组分相比 占得比例很小，但对于膜污染阻力的贡献却最大。 第1 章综述 2 )y s h i m z u 在活性污泥法用陶瓷膜进行的试验中发现，孔径为 0 0 5 o 2 m n f j 勺膜通量最大【1 m 。 1 ) s h o j i 等 1 5 1 的研究结果认为，膜表面粗糙度的增加使膜表面吸附污 染物的可能性增加，但同时另一方面也由于增加了膜表面的搅动 膜粗糙度 程度，阻碍了污染物在膜表面的形成，因而粗糙度对膜通量影响 是两方面效果的综合表现。 、 当然上述各因素与膜污染的关系都是在特定条件下研究得出的结果，因此为 了膜生物反应器工程化的广泛应用，降低膜污染，需对膜材质进行更深入的研 究，以找到更适合工程应用的膜材质。 1 2 2 2 污泥混合液的性质 活性污泥混合液的各部分组成是造成膜污染的物质来源，它包括微生物菌群 及其代谢产物、所处理废水中的有机大分子、小分子、胶体物质、溶解性物质和 固体颗粒。不同料液、不同操作方式和不同膜组件形式，占主导地位的优势污染 物往往不同。膜生物反应器内混合液的性质主要包括悬浮固体浓度及粒度分布、 粘度、溶解性有机物浓度及其组成成分、胞外多聚物( e c p ) 浓度，此外混合液的 p h 值等亦影响膜的污梨1 6 1 。而表征膜生物反应器混合液性质通常可以从理化性 质和生物学性质这两个方面进行。混合液的物理化学性质包括混合液的组成性 质、功能性质、絮体结构性质、环境指标等，而混合液的生物学性质主要指膜 生物反应器中微生物生态学特征，主要包括微生物群落结构特征和功能特征【1 7 】。 表1 5 列出了国内外一些研究者对污泥混合液性质与膜污染关系的一些研究 结果。 表1 5 膜一生物反应器污泥混合液性质与膜污染的关系 性质分类 性质性质指标与其关系密切的性质 影响膜污染的条件参考文献 低浓度( 1 5g l ) 范 围内，m l s s 浓度高 2 4 ，2 0 1 2 5 】 成 加剧污染 低浓度比中浓度加 【2 6 】 性 剧污染 胶体浓度 未见报道 6 第1 章综述 溶解性有机物浓度 浓度, 音i j j h 剧污染【2 2 ，2 7 ，2 8 ，2 9 】 溶解性有 分子量分布 未见报道 机物浓度 s m p 浓度菌群结构 浓度高加剧污染 【2 2 ，2 7 ，2 8 】 与组成 s m p 组成菌群结构 未见报道 离子强度 未见报道 c a ：+ 含量高加剧污 染 【3 0 ，3 1 无机盐类 c a ：+ 含量低加剧污 元素含量 粒径分布 染 【3 2 c a 2 + 含量低加剧污 染，适宜c a ：+ 含量可 【3 3 】 减少膜污染 絮凝性 粒径分布e p s 未见报道 污泥浓度、菌群结构、 功 沉降性 s v 、s 未见报道 能 粒径分布 污泥过滤 性 过滤性 粒径分布、e p s未见报道o 比阻 质 粘度高加剧膜污染 【2 4 ，3 4 3 7 】 流变特性粘度m f l s s 、e p s 一定范闱影响不大 2 2 浓度低加剧膜污染 【3 8 ，3 9 ，4 0 菌群结构 浓度高加剧膜污染 【2 4 】 e p s 浓度 粒径分布 存在最佳浓度，影 e p s 浓度 粘度 【4 1 1 ， 2 2 1 ， 4 2 】 与组成 响不大 絮 菌群结构、接触角、 蛋白含量含量高加剧膜污染 【4 l 】 表面电荷 体 多糖含量菌群结构、接触角没有影响 f 4 1 】 结 亲疏水性、胶体稳定 表面电荷 性、粒径分布 电荷多加剧膜污染 【4 1 构 亲疏水性 接触角 表面电荷、粒径分布接触角大加剧污染 f 4 1 性 胶体稳定稳定性差加剧膜 表面电荷 【4 3 】 质 性污染2 s v 、s 粒径小加剧膜污染 【3 7 ，4 4 - 4 7 】 10 9 i n 的粒子易造成 过滤比阻 【3 7 删 粒径分布 膜污染 0 5 - s g m 彭j 粒子造 e p s 、无机元素 4 6 ，4 7 】 成污染 7 第1 章综述 细菌活性、群落结构、高于临界值加剧膜 酸碱度 p h e p s 、表面电荷高 4 8 】 环 污染 境 指 细菌活性浓度低加剧膜污染 【4 9 】 标 d o 浓度 群落结构 无影响 【5 0 5 1 】 温度 细菌活性、群落结构未见报道侣 微小动物 高级动物、适量轮 种类与数 虫存在时，混合液 2 9 】 群 过滤性好 落 量 结 丝状菌大量生长， 构 特 丝状菌细 e p s 、沉降性、粘度、 过滤起始阶段， 征 t m p 上升缓慢，后 【5 2 】 菌分布 污泥活性 期上升迅速 多样性未见报道 群落功能污泥产率未见报道 特征 细菌活性未见报道 注：( 1 ) 污泥过滤比阻非指膜过滤阻力，而是滤纸过滤形成的阻力：( 2 ) 不是从膜- 生物反应器试验 中得到的结果；( 3 ) 不包括温度对膜材质产生的直接影响 总之，对膜生物反应器混合液性质进行研究，应该注意以下2 点： 1 1 混合液的各项性质不是孤立存在的，而是相互联系和相互影响的。例如：群 落结构会影响e p s 的组成与含量，从而影响絮体结构，影响混合液的絮凝性 质。粘度会受到污泥浓度、温度等条件的影响。 2 ) 尽管活性污泥混合液性质复杂多变，相对于其他水处理工艺，膜生物反应器 混合液性质具有其重要的自身特点和规律。例如：膜生物反应器中的混合液， 与其他的活性污泥水处理工艺中的活性污泥相比，生物量更高、溶解性有机 物质含量更高。 1 2 2 3 操作条件 除了膜材质和污泥混合液的性质对膜污染有很大的影响之外，膜生物反应 器的运行操作条件也会间接影响m b r 膜污染，m b r 操作条件主要包括：进水负 荷、膜面错流速率、曝气、水力停留时i f i ( h r t ) 、泥龄( s r t ) 、运行压力及运 行膜通量、运行模式、运行温度以及临界通量等。表1 6 为膜生物反应器操作条 件与膜污染的关系。 第1 章综述 表l - 6 为膜生物反应器操作条件与膜污染的关系 操作条件与膜污染的关系 错流速率通过剪切力和剪切诱导扩散影响颗粒物在膜表面积累，进而影 响污染层的厚度，减轻膜污染。当膜面流速大时，膜面沉积物受到的剪切力 大，有利于降低膜表面的浓差极化和沉积层的形成。 1 ) t h o m a smh 等人在分置式膜生物反应器中，研究错流速度与污染阻力 的关系。结果表明，开始时，随流速增加，污染层阻力下降，在3 m s 附 膜面错流速率 近有一最低点，以后随错流速度增加，污染层阻力反而增加，可能足高 流速产生的较高压力使污染层压密，增加了膜孔的堵塞所致。 2 )刘锐等人【5 3 】考察了生物反应器构造对膜间错流流速的影响，发现反应器 高度越高，上升流道越窄，下降流道和底部流道越宽，在同样曝气量条 件下，可获得越大的错流流速，从而更有利于缓解膜污染。 曝气可以使混合液处于悬浮状态从而起到冲刷膜面使膜污染得到减轻。 曝气强度 l e ij i 等f 5 4 1 研究表明增大曝气强度，污泥混合液中的蛋白质和碳水化合物 减少了，进而减小了膜污染。 1 ) h i d e k eh a r a d a 等5 5 1 与t v e d a 等研究得到，过短的水力停留时间会导致 溶解性有机物的积累，吸附在膜面上从而影响通量。 2 )v i s v a n a t h a a 等【5 7 1 研究了浸没式中空纤维膜m b r 中h r t 对于膜污染的 玎玎及负荷 关系，发现较高的h r t 使膜污染减轻，t m p 也没有升高，而在较短的 h r t 下，膜表面会迅速形成致密的泥饼层。 3 ) 1 ls h a n et r u s s e l l i 铭】等研究表明系统负荷率从o 3 4 增大到1 4 1 g c o d g v s s d 时，膜污染增长速率增大了2 0 倍。 h r t 和s r t 菇非直接引起膜污染的因素，只足二者的变化会引起反应器 中污泥特性和m l s s 的变化，相应导致膜污染状况的改变。过度的延长s r t ， 会导致污泥浓度增加而营养物质相对贫乏，内源呼吸导致水中胶体物质