（环境工程专业论文）次毫米过滤组件研制及其污泥分离特性研究.pdf

摘要 摘要 自主研制了两种次毫米过滤组件，次毫米过滤高端( 孔径0 1 0 1 0 0m m ) 组件和低端( 孔径0 0 1 o 1 0m m ) 组件，分别将其称为h 型组件和l 型组件， 旨实现高浓度污泥的折衷分离，将分离后较高浓度的污泥维持在生化反应区进 行生物降解，而获得较适宜的低浓度污泥为二沉池或膜生物反应器进行固液分 离，彻底摆脱高浓度污泥对污水生物处理系统的束缚。 h 型组件是采用不锈钢筛网制作而成，考察了污泥浓度( 1 0 , - , 3 0g i , ) 、组件 孔径( o 1 肌1 0 0m m ) 及水头差( 3 0c m h 2 0 ，9 0c m i - ：2 0 ) 对h 型组件通量的影响；并 用h 型组件过滤2 0 9 l 污泥，以获得平均浓度2 4 9 l 污泥为目标，研究了组件 孔径( 0 1 肛1 0 0m m ) 对h 型组件过滤的平均通量及滤出液污泥浓度( m l s s ) 的 影响。结果表明，( 1 ) 在不同的污泥浓度、组件孔径及水头差条件下，对过滤 通量与时间进行数据拟合，过滤通量随时间均呈负指数形式衰减，平均通量取 对数后与污泥浓度、组件孔径及水头差有显著的线性关系，得出h 型组件平均 通量的表达式为，= 1 3 7 她嗍1 0 5 7 0 m 加弘；( 2 ) 不同孔径的组件均可实现不 同程度的污泥分离，以获得平均浓度2 4 9 i , 污泥为目标而言，孔径0 4 7 r a m 的 组件效果最佳，运行4 0 m i n 后得到平均污泥浓度为3 1 9 l ，对应的平均通量为 2 8 2 3 l ( m 2 h ) ，为膜运行通量的3 0 , - 6 0 倍，且在该组件孔径下滤出液m l s s 随时 间的变化较稳定。 l 型组件是用有机高分子中空纤维束制成，对l 型组件分别进行了清水试 验、孔径的测定、过滤污泥试验、组件清洗试验及对l 型组件改性处理研究。 结果表明，( 1 ) 在水温为1 5 时，测得各种中空纤维组件的自身阻力均在1 0 8 1 0 9 m 1 范围内，比纯膜阻力降低了3 4 个数量级；( 2 ) 用溶质截留法测得l 型各组 件的最小截留粒径为2 2 8 t a n ，最大截留粒径为3 5 3 1 u n ：( 3 ) l 型组件过滤各种 浓度污泥，初始m l s s 均较低，仅为5 5 3 m g l 并很快降至0 ，在不同污泥浓度 条件下，l 型组件的平均通量随着中空纤维束截留粒径的增大而增大：( 4 ) 组件 的反冲洗采用空气反冲洗方式，具有最大截留粒径的l 型组件最容易清洗，通 量恢复率最大，当过滤污泥浓度为2 9 l 和l o g l 时，最佳反洗强度为1 0 m h 、 反洗历时为0 5 m i n ，当污泥浓度为3 0 9 l 时，最佳反洗强度为1 5m h 、反洗历 摘要 时为0 5 m i r a ( 5 ) 用乙醇处理和过泥处理两种方法对l 型组件进行表面改性， 并与未处理前进行通量对比，过滤通量都较处理前有所提高，经比较，过泥处 理的通量 乙醇处理的通量 未经任何处理的通量。 次毫米过滤高端( h 型组件) 可直接作为一种廉价、高效的高浓度污泥折衷 分离手段，为二沉池或膜生物反应器提供适宜浓度的污泥：而次毫米过滤低端 ( l 型组件) 初始m l s s 均很低，无法直接实现污泥的折衷分离。为实现污泥折 衷分离的目的，可通过间歇运行s m f 组件或者s m f 组件连续运行且联合污泥 旁路分离，从而间接达到污泥折衷分离的目的。 关键词：次毫米过滤组件污泥分离 a b s t r a c t t w ok i n d so fs u b m i l l i f i l t r a t i o n ( s m f ) m o d u l e s ，h i g h - e n do fs m f ( p o r es i z e o 1 0 1 o o m m ) a n dl o w - e n do fs m f ( p o r es i z eo 0 1 0 1 0 m m ) w e r ec a l l e ds e p a r a t e l y m o d u l eha n dm o d u l el ，a n di n t r o d u c e dt oa r t i f i c i a l l yc o n f i n eh i g hc o n c e n t r a t i o n s l u d g ew i t h i n o n et a n kf o rf a v o u r e dn u t r i e n t b i o d e g r a d a t i o na n dt om a i n t a i n a p p r o p r i a t ea c t i v a t e ds l u d g ea sm i x e dl i q u o rs u s p e n d e ds o l i d s ( m l s s ) i na n o t h e r t a n kf o re i t h e rm e m b r a n ef i l t r a t i o no rs e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o n , w h i c hg o tr i do ft h e l i m i to fh i g hc o n c e n t r a t i o ns l u d g eo nb i o r c a c t o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t s y s t e m m o d u l ehw a sm a d eo fs t a i n l e s ss t e e lm e s h , ( 1 ) e f f e c t so fs l u d g em l s s ( 1 0 - 3 0 g l ) ，m o d u l ep o r es i z e ( o 1 0 - 1 0 0n u n ) a n dp r e s s u r ed r o p ( w a t e rh e a d ：3 0c m h 2 0a n d 9 0c i i ：d - 1 2 0 ) o nt h ef l u xo fm o d u l ehw e r ei n v e s t i g a t e d , ( 2 ) e f f e c t so ff i v ed i f f e r e n t p o r es i z e s ( o 1 肛1 0 0 r a m ) o nt h ef l u xa n df i l t r a t em l s so fs u b - m i l l i f i l t r a t i o n ( s m d w e r ei n v e s t i g a t e db ym o d u l ehf o rs e p a r a t i n g2 0 9 ls l u d g em l s sa n da c h i e v i n g a v e r a g es l u d g em l s s2 4 9 l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l u xo fs m fm o d u l e t i m e e x h i b i t e dn e g a t i v ee x p o n e n tp a t t e r n s ，l o g a r i t h m i co fa v e r a g ef l u xh a de x t r e m e l y n o t a b l el i n e a rr e l a t i o n s h i p 谢t hs l u d g em l s s ，m o d u l ep o r es i z ea n dw a t e rh e a d , a n da m a t h e m a t i c a lf o r m u l aj = 0 6 1 3 7 2 o 0 7 9 9 c + 1 0 5 7 0 p + o 3 4 w a so b t a i n e dt oc o m p u t et h e a v e r a g ef l u xo fs m fm o d u l ea tg i v e np a r a m e t e r s ；m o d u l e so fd i f f e r e n tp o r es i z e s c o u l da c h i e v es e p a r a t i o no fh i g hc o n c e n t r a t i o ns l u d g e ，a sf a ra sd e s i g nv a l u e ( 2 4 9 l ) w a sc o n c e r n e d ，t h em o d u l eo fp o r es i z e0 4 7 r a mw a sc o n s i d e r e dt ob et h eb e s tc h o i c e ， w h i c ha c h i e v e da v e r a g es l u d g em l s s3 1g ld u r i n gt h e4 0m i n , t h ec o r r e s p o n d i n g a v e r a g e f l u xw a so b t a i n e d 2 8 2 3 l ( m 2 h ) a n d 3 0 一t o6 0 - f o l d h i g h e r t h a n u l t r a m i c r o f i l t r a t i o n , a n dt h ef i l t r a t em l s sw a sr e l a t i v e l ys t a b l e 、城t l lt h et i m ec h a n g e a tt h i sp o r et h em o d u l e m o d u l elw a sm a d eo fo r g a n i cp o l y m e rm a t e r i a l ，c l e a rw a t e re x p e r i m e n t , p o r e s i z e m e a s u r e ，f i l t e r i n gs l u d g et e s t , b a c k w a s h i n gt e s t a n ds u r f a c em o d i f i c a t i o no f m o d u l elw e r ei n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o w e d ( 1 ) r e s i s t a n c e so fv a r i o u sk i n d so f m o d u l ew e r ea l lw i t h i nlo s l0 9m 1 ，r e d u c i n gb yo v e r3 - 4o r d e r so fm a g n i t u d e c o m p a r e dt or e s i s t a n c eo fm e m b r a n e ，( 2 ) t h es m a l l e s ta n db i g g e s ti n t e r c e p tp a r t i c l e s i z eo fm o d u l ew e r es e p a r a t e l yt e s t e df o r2 2 8 1 m aa n d3 5 3 1 m ab ys o l u t ei n t e r c e p t m e t h o d ，( 3 ) v a r i o u sc o n c e n t r a t i o ns l u d g ew e r ef i l t e r e db ym o d u l el ，i n i t i a lm l s sw a s o b t a i n e dv e r yl o w l yf o r5 5 3 m g la n dr a p i d l yf o r0 ，t h eb i g g e rt h ei n t e r c e p tp a r t i c l e s i z e ，t h eb i g g e ra v e r a g ef l u xo fm o d u l elw a so b t a i n e da tt h ed i f f e r e n ts l u d g e c o n c e n t r a t i o n , ( 4 ) a i rb a c k w a s hw a se m p l o y e df o rc l e a n i n go fm o d u l el ，t h em o d u l e o ft h eb i g g e s ti n t e r c e p tp a r t i c l es i z ew a sc l e a n e dm o r ee a s i l y , a n di t sf l u xr e c o v e r y r a t ew a st h eb i g g e s t w h e n2 9 la n dlo g n 。s l u d g em l s sw e r ef i l t e r e db yt h eb i g g e s t i n t e r c e p tp a r t i c l es i z em o d u l e ，t h eo p t i m a li n t e n s i t yo fb a c k w a s ha n db a c k w a s h i n gt i m e w e r eo b t a i n e df o rlo m ha n d0 5 r a i n , w h e n3 0 9 n 。s l u d g em l s sw a sf i l t e r e d , t h e o p t i m a li n t e n s i t yo fb a c k w a s ha n db a c k w a s h i n gt i m ew e r ea c q u i r e e df o r15 m ha n d 0 5 m i n , ( 5 ) 也es u r f a c eo fm o d u l elw a sm o d i f e db yt w ok i n d so fm e t h o d se t h a n o l p r o c e s sa n ds l u d g ep r o c e s s ，t h ef i l t e rf l u xw a si m p r o v e dc o m p a r e dt ou n p r o c e s s e d o n e s ，t h es i g n i f i c a n c ei nd e c r e a s e do r d e rw a sf o u n dt ob es l u d g ep r o c e s s ，e t h a n o l p r o c e s sa n du n p r o c e s s e do n e m o d u l ehc o u l db ec o n s i d e r e dt ob eac o s te f f e c t i v ea n de f f i c i e n tt e c h n o l o g yf o r c o m p r o m i s es e p a r a t i o no fh i g l lc o n c e n t r a t i o ns l u d g e ，a n dp r o v i d ea p p r o p r i a t e a c t i v a t e ds l u d g ea sm i x e dl i q u o rs u s p e n d e ds o l i d s ( m l s s ) f o re i t h e rm e m b r a n e f i l t r a t i o no rs e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o n , b u ti n i t i a lm l s so fs m fl o w - e n dw a sv e r y l o w l y , a n dc o u l dn o tb eu s e df o rc o m p r o m i s es e p a r a t i o no fs l u d g e ，t or e a l i z es u c ha g o a l ，m o d u l elc o u l db eo p e r a t e db yi n t e r m i t t e n t l yo rp r o c e s s e db yc o n t i n u o u s l y a l o n g 、i mb y p a s ss e p a r a t i o no fs l u d g et oi n d i r e c t l yr e a l i z ec o m p r o m i s es e p a r a t i o no f s l u d g e k e yw o r d s ：s u b - m i l l i f i l t r a t i o n m o d u l e s l u d g es e p a r a t i o n i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 次毫米过滤的定义及出现的意义 活性污泥法是目前最常见的污水好氧生物处理工艺，主要有曝气池与二沉 池两个功能单元构成。一般认为，曝气池在高浓度污泥条件下运行，会减少剩 余污泥排放量、提高污水处理的能力和效率，然而为了保证二沉池重力沉降效 果和获得高质量出水，曝气池中的污泥浓度被限制到2 4 9 l 【i l 。膜生物反应器的 引进将曝气池的污泥浓度由2 - 4 9 l 提升到5 l o g l ，但当泥浓度超过l o g l 时，氧 传质速率降低、曝气能耗急剧增加，以及产生严重的膜污染，造成在线离线清 洗频繁引发系统崩溃【2 】。如何在高浓度污泥条件下长期稳定运行一直是污水生物 处理系统面临的严峻挑战1 3 1 。因此，亟待有效的固液分离手段，使污水生物处理 系统摆脱高浓度污泥的束缚。 从分离尺度而言，固液分离可分为粗细格栅( 孔径m m 唧m ) 、微超滤( 孔 径n m p m ) 、纳滤反渗透( 孔径- r i m ) ，而对应孔径p m m m 的分离手段目前 国内外尚无明确定义，本文将该范围的分离方法和组件分别称为“次毫米过滤” ( s u b m i l l i f i l t r a t i o n ，简称s m f ) 和“次毫米过滤组件”( s u b - m i l l i f i l t r a t i o nm o d u l e ， 简称s m f 组件) 。污水生物处理系统的污泥粒径分布大致在几微米到几百微米 之间1 4 j ，恰好属于次毫米过滤的分离范畴。因此从理论上讲，次毫米过滤低端( 孔 径0 o l 枷1 0m m ) 应接近黼滤的分离效果，国内外学者曾尝试采用尼龙、丝 网等材料制成次毫米过滤组件对浓度2 l og l 污泥进行分离以代替微超滤 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 1 0 】，但与微超滤出水相差甚远，因此用次毫米过滤低端直接代替膜分离是 不合适的；次毫米过滤高端( 孔径0 1 0 1 0 0m m ) 应当接近细格栅的分离效果， 或可实现对高浓度污泥( 1 0 - 3 0g l ) 的“折衷”( 部分) 分离。事实上，城市污 水处理厂二沉池和膜生物反应器最佳污泥浓度分别为2 4g l 和5 1 0g i , ，因此次 毫米过滤高低端可以定位为一种廉价、高效的高浓度污泥折衷分离手段，为二 沉池或膜生物反应器的高效、低耗稳定运行提供适宜浓度的污泥。 第1 章绪论 1 2 次毫米过滤的特点 1 2 1次毫米过滤( s m f ) 的优点 ( 1 ) s m f 组件：s m f 组件制作方便、价格低廉；组件基材廉价易得，价格 远远低于膜材料，可以为尼龙筛网、无纺布、工业滤布、钢丝网等；组件基材 机械强度高，使用寿命长； ( 2 ) 运行费用：运行费用低，s m f 的阻力很小，因而可以在较小的水位差 下就可以自流出水，不需要动力设备，节约了能耗； ( 3 ) s m f 的清洗：次毫米过滤污染去除较容易，可采用简单的清洗方式， 例如过滤组件下方进行曝气冲刷就可以减少堵塞现象，且污染后再生较为容易； ( 4 ) s m f 应用：s m f 为膜生物反应器和二沉池提供了最适宜污泥浓度，使 整个运行工艺的处理能力大幅度提高。 1 2 1次毫米过滤( s m f ) 的缺点 由于s m t 高端过滤孔径大，使得过滤通量在整个运行过程中变化幅度大， 不易控制。 f 1 3 次毫米过滤的研究进展 目前，国内外学者仅是将次毫米过滤代替膜过滤使用，即用孔径为微米级 的过滤材料代替传统的黼滤膜，利用在过滤组件表面产生的污泥层起到截留 作用 1 1 , 1 2 】。迄今为止，国内外鲜见次毫米过滤高低端用于高浓度污泥折衷分离 的文献报道。 1 3 1 工艺处理效果的研究 日本的k j s o 5 1 采用孔径为1 0 0 - - - 3 0 0 p m 的聚酞胺筛绢为过滤基材，构建生物反 应器处理模拟的生活污水，结果表明，反应器能够持续稳定运行2 3 个月，在水 力停留时间为4 8 h ，并连续或自j 歇曝气时，出水b o d 和m l s s 分别不至l j 5 m g l 和 1 s m g l ，在间歇曝气的条件下，总氮的去除率为8 0 ；将其运用于a 2 0 t _ 艺， 能够达到很高的t n 去除率。另# l - k i s o 还利用1 0 0 p r o 尼龙筛网制作组件与s b r i 艺 相结合【1 3 1 ，反应器m l s s 为2 5 3 0 9 l 时，反应器可稳定运行3 6 0d ，大大减少剩余 2 第1 章绪论 污泥的排放量。 f u c h s l l 4 】等以尼龙纤维滤网构建生物反应器处理生活污水，结果表明，通量 可以达到5 0 - - - 1 5 0 l ( m 2 h ) ，最长运行周期可以达到3 周，出水s s 小于1 2 m g l ， 出水c o d 为2 4 m g l ，且出水b o d 5 不大于5 m g l 。 韩国g t s e o 1 5 】等用聚丙烯无纺布为过滤基材制作组件进行生活污水处理， 将其置于厌氧好氧工艺的曝气池中进行试验，结果表明系统可以稳定运行3 0 天 以上，平均出水c o d 和s s 都较低分别是1 5 m g l 和3 2 m g l ，平均去除率分别 达9 1 6 和9 2 3 ，总氮去除率最高可达到8 0 。当出水通量为0 4 m d 、出水水 头在0 0 5 - - - 0 5 m 之间时，系统可以稳定运行3 0 天以上。 日本m r a l a v im o g l l a d c - u 6 1 等用多元醋的无纺布为过滤基材制作组件进 行模拟生活污水试验，结果表明出水平均s s 为1 6 m g l ，t o c 去除率为8 7 。 除此之外，还研究了不同s r t s 条件下的膜污染情况及处理效果，结果表明，在 不排泥的条件下，膜污染较严重，反应器的运行周期大大缩短。 卢进登【l6 】等采用不同规格的不锈钢筛网和尼龙制作组件与生物反应器一起 构建次毫米过滤反应器。研究表明，组件对污染物的去除效果与组件孔径密切 相关，与组件材料的相关性不明显。3 0 0 目的组件对s s 去除率与混合液经沉淀后 所达到的去除率效果相差不大，对c o d 的去除率远高于经沉淀后的去除率，表 明了该生物反应器开发应用的前景十分广泛。 高松【1 7 】等用不锈钢筛网构建组件，过滤面积为o 1 2 n 1 2 ，在有效容积为4 0 0 l 的反应器内试验，发现在系统运行稳定后，c o d 的去除率可达7 9 以上，n h 4 + - n 去除率达9 0 以上，出水浊度在i n t u 以下。 刘宏波【l8 】等利用0 1 m m 的筛绢作为基材构建生物反应器，处理高浓度城市 污水。结果表明在系统稳定运行阶段，保持h r t 约5 h 、平均容积负荷为 7 4 k g c o d ( m 3 d ) 和过滤通量为1 6 5 l ( m 2 h ) 的条件下，系统对c o d 去除率在 9 0 以上，对总磷和氨氮的平均去除率分别为7 4 和8 5 4 ，对浊度的平均去除 率达9 7 。 吴季勇【l9 】等采用0 1 m m 的筛网构建自生生物反应器对模拟的城市污水进 行处理。结果表明，在水力停留时间为4 h 、过滤通量为2 0 8 从m 2 h ) 以及m l s s 为4 9 l 左右时，系统对c o d 平均去除率为8 7 5 ，对氨氮的去除率在8 0 以上， 对有机物的平均去除率为1 8 6 ，出水未检到s s ，浊度均在5 n t u 以下。 薛念涛【2 0 j 等分别利用筛绢和不锈钢筛网作为过滤基材构建生物反应器，并 3 第l 章绪论 用于处理城市污水。结果表明，不锈钢筛网组件和筛绢组件的出水水质相差不 大，出水的c o d 分别是5 7 5m g l 和5 0 4m g l ，出水氨氮分别是1 3 9m g l 和 2 8 4m g l ；出水的浊度能够很快降至5 n t u 以下并且保持稳定；出水s s 几乎为 o 。筛绢组件的平均通量为5 1 9 l ( m 2 h ) ，不绣钢筛网组件的平均通量为 3 0 3 l ( m 2 h ) ，前者比后者高出7 1 ，但后者的强度明显高于前者。 董春松 2 1 】等研究了一种新型玻璃纤维管式的次毫米过滤生物反应器，并用 于处理垃圾渗滤液。结果表明，系统对c o d 、b o d 5 和氨氮的平均去除率分别超 过7 1 、9 6 和9 8 ，出水浊度不到1 0n t u 。 邱宪锋阱j 等利用筛绢为过滤基材制备内循环生物反应器处理生活污水。在 水力停留时间为6 h ，且通量为6 6 2 耿m 2 h ) 时，反应器对c o d 、总氮、氨氮和总 磷的平均去除率分别为9 4 o 、4 9 2 、9 7 6 和8 3 7 。 吴盈禧【l o 】等以孔径为1 0 0 1 x r n 粗网材料作为基材构建生物反应器，考察了该 反应器在通l - 4 0 l ( m 2 h ) 条件下处理生活污水的特性，结果表明该反应器对c o d 和氨氮的平均去除率分别为7 8 和9 1 。 初里冰 7 1 等采用滤布为基材构建生物反应器处理校园生活污水。结果表明， 构建的系统对c o d 和氨氮的去除率分别是7 2 - 8 9 和6 6 9 4 ，出水s s 大部 分运行时间为0 ，最大出水s s 不超过5 0m g l ，出水浊度在9 5n t u 以下。 熊丽田】等采用o 1m i l l 孔径的筛绢包裹膜组件制备平板型过滤组件，并构建 生物反应器进行生活污水处理试验。结果表明，在水力停留时间为5h ，并且通 量分别为1 3 9 l ( m 2 h ) 、1 6 7 l ( m 2 h ) 和2 0 8l ( m 2 h ) 三种条件下，系统对c o d 的 去除率均在9 0 以上，且出水s s 为o 。 周彦瞰】等以0 1 m m 孔径的普通筛绢作为过滤基材构建生物反应器，并处理 实际化粪池污水。在水力停留时间为5 h ，通量为1 8 l ( m 2 h ) 情况下，构建的反应 器对氨氮和c o d 的平均去除率分别为6 8 2 和6 5 3 。 吴志超 2 5 1 等用孔径为1 0 8 1 x m 左右的不锈钢丝网制备组件，并处理城市生活 污水。结果表明，在系统稳定运行条件下，出水的平均浊度为1 2n t u ，对c o d 和氨氮的平均去除率分别为9 0 和9 7 。 范彬，黄霞【8 2 6 l 等用孔径为0 1 m m 的普通筛网为过滤基材构建生物反应器， 并进行实际城市污水的处理试验。在水力停留时间为3 5 h 时，出水s s 最高达 4 0 5 r a g l ，大多数情况下为0 。在m l s s 约为7 7 5 9 l 条件下，当通量为1 4 9 2 l ( m 2 h ) 时，出水c o d 大部分情况下均未至l j 5 0 m g l ，去除率大多数大于8 0 ，并 4 第1 章绪论 且当d o 大于2 3 m g l 时，氨氮的去除率大于9 6 。 林新斌 2 7 】等采用非织造布为过滤基材制备生物反应器处理模拟的城市生活 污水。结果表明，反应器在大部分情况下出水s s 为0 ，并且对c o d 、氨氮和总氮 的平均去除率分别为9 0 1 、8 9 和3 7 9 。 许晓光【2 8 】等采用孔径为l o o p m 的聚酯无纺布作为过滤基材构建生物反应 器处理模拟生活污水。结果表明在系统反应周期为6h 、处理水量为1 8l 时， c o d 、氨氮和总氮的平均去除率分别为9 2 0 、8 8 4 和7 0 9 ；在相同的运行 条件，并且好氧时间：厌氧时间= 4 ：2 时，处理效果最佳，对c o d 、氨氮和总氮 的平均去除率分别为9 0 o 、8 5 0 和6 9 0 。 张建【2 9 】等用次毫米过滤生物反应器处理生活污水，结果表明，在出水水头 为8 c m 时，过滤1 0 0 m i n 后出水水质趋于稳定。反应器在稳定运行条件下，对 c o d 、氨氮和t n 的平均去除率分别为7 8 4 、9 5 0 和4 0 o 。 各学者对于次毫米过滤的研究主要是将其代替膜生物反应器( m b r ) ，从而 克服m b r 在应用中一些缺点，例如：( 1 ) 膜组件的价格昂贵；( 2 ) 动力消耗过 高，运行费用大；极易造成膜堵塞，系统运行崩溃等问题。以前的研究主要是 着重于次毫米过滤出水水质，但事实上，次毫米过滤初始s s 都很高，需要初始 回流来改善水质，与m b r 出水相比相差甚远：并且运行时过滤通量一般都在较 低的水平( 1 0l ( m 2 ”左右) 。 1 3 2 影响次毫米过滤特性的主要参数 影响次毫米过滤的参数有很多，主要有四个重要方面：过滤组件( 过滤组 件的材质和基材孔径等) ；出水控制( 出水水头和起始通量) ；污泥特性( 污泥 浓度、污泥活性、污泥粘性等因素) ；反应器的控制条件( 曝气强度、反冲洗强 度以及错流流速等) 1 3 们。 1 3 2 1过滤组件 可用于制作组件的基材有很多，比如，无纺布、尼龙、不锈钢筛网以及工 业滤布等。而近年来主要用的材料是：无纺布、尼龙和不锈钢筛网三种。无纺 布的特点主要是其独特的不规则空间网状结构，其过滤性能高于其他材质，而 尼龙和不锈钢筛网两个材质质地坚韧，不易损坏，清洗和再生容易。还有研究 者认为基材表面的亲疏水性也会影响过滤的污染性能。因此在选择过滤基材时 5 第1 章绪论 应从强度、化学稳定性、热稳定性、产水性能、造价、和使用寿命等多个方面 进行比较和衡量。 一般而言，过滤基材孔径的变化会影响出水通量和水质。m a r c 砧仃i l a n 【3 l 】等 认为过滤基材的选择会严重影响过滤性能，过滤基材孔径越小，所形成的过滤 膜也越致密且其分离效果相对较好，但出水通量下降较快。 韩国g t s e o l l 5 】等用重量分别为7 0g r e 、5 0g m 2 和3 5 9 m 2 的聚丙烯无纺布 做对比试验，结果发现基材重量对出水通量有着重要影响。用重量为7 0 9 m 2 的 基材试验，其出水通量衰减最快，过滤4 0 m i n 后的通量就为起始通量的7 0 ， 而重量为3 5 9 m 2 的基材需过滤1 6 0 m i n 才可衰减到同等程度。同时发现，较轻的 基材可在较小的水头下达到稳定通量。基材的重量越轻，起始的出水水质越差。 但重量越重的基材，结构较致密，孔径较小，尽管出水通量衰减较快，但出水 水质较好，这一结论与其他研究者的相同。 日本k i s o t 5 】等用1 0 0 p r o 、2 0 0 p r o 和5 0 0 1 u n 三种孔径的尼龙做对比试验，发 现用孔径1 0 0 1 m a 的尼龙过滤1 0 m i n 后，出水s s 降到1 0 m g l ，过滤4 0 m i n 后， 出水s s 降到5 m g l ：而孔径为2 0 0 9 i n 和5 0 0 9 i n 的两种尼龙滤网同样能在运行 过程中形成有效的过滤膜，但在整个运行过程中出水s s 始终较高，试验进行1 h 后仍高于8 0 m g l 。 在国内，高松【 】等用1 0 0 目、2 0 0 目及5 0 0 目( 孔径分别为1 8 0 1 m a 、8 0 1 m a 及2 5 9 m ) 的不锈钢筛网做对比试验，发现筛网的目数对出水通量的影响不大， 而出水水质随目数的增大有所提高。结果表明，基材目数并不是决定通量大小 的关键因素，而基材目数对起始的出水s s 影响较大，这一结论与其他研究者有 所不同。 以上研究的结果表明，基材孔径的大小与基材的材质都会影响过滤过程中 组件表面污泥层的形成，从而对最终的处理效果产生影响，因此基材的孔径和 材质是过滤过程中很重要的两个因素。 1 3 2 2出水控制 次毫米过滤阻力很小，可以靠水头差( w a t e r h e a dd r o p ，w h d ) 自流出水， 而不同的水头差及起始通量能够对组件表面污泥层的形成及系统的稳定运行产 6 第1 章绪论 生重要影响，为寻找最佳水头差及最佳运行方式，各国学者进行了许多试验研 究。 m r a l a v im o g h a d d a m 3 2 】等发现水头差越大，起始通量越高，致使更多的污 泥泄漏，从而导致起始的出水水质较差。这一结论与韩国的c l t s e o 【1 5 】等人结论 相同。 k i s o 5 j 等发现，水头差越大，通量越大，但通量与水头差并不是成比例增加， 通量的增加与水头差的增加有一定的滞后关系。分析原因为，前者的变化主要 是由于压力增大引起的基材表面污泥的聚集，后者的变化主要由于污泥层的压 缩而造成。 范彬闭等分别研究了次毫米过滤膜恢复期水头差为1 0 c m 、8 c m 、6 c m 、4 c m 和0 5 c m 对过滤的影响。发现随水头差的增加，过滤膜恢复期初始阶段的通量随 之增大，这样不利于微细颗粒的沉积，同时对已形成的动态膜结构的破坏作用 增大，从而导致出水浊度增加。另外，作者还发现，增加过滤水头差，出水通 量可以更快地达到稳定，并可以在一定程度上增大稳定通量，但是稳定通量与 水头差并不呈正比关系，随着水头差的增加，稳定通量的上升逐渐变缓，在水 头差为6 c m 时达到最大，不再随水头差的增加而上升。虽然提高水头差可以在 一定程度上增加稳定通量，但稳定运行时间大大缩短。 高松【1 7 】等考察了四种不同的水头差( w h d ) ，1 0 c m 、2 0 c m 、3 0 c m 和4 0 c m 对过滤通量的影响。结果发现，在过滤起始时刻，初始通量随着水头差的增大 而增大，但通量越大，衰减的也越快，在过滤2 3 0 m i n 内，各水头差条件下， 出水通量均随时间逐渐减小至一稳定值，3 0 m i n 后通量变化很小。以上分析可知， 水头差越高，出水动力越高，过滤基材表面形成的污泥层越厚，阻力越大，导 致过滤精度越大，因此，最终通量的大小主要取决于两者谁占优势。 综上所述，水头差主要有提供动力和改变动态结构两个作用，水头差越大， 出水动力越大，从而初始出水通量越大；同时水头差的提高又能压缩污泥层， 造成污泥致密出水阻力增加，从而导致出水通量减小，因此，要想得到最佳的 出水通量，延长系统运行时间，还需做大量的试验，在两者之间寻找一个平衡 点。 7 第1 章绪论 1 3 2 3 污泥特性 污泥特性对次毫米过滤同样有较大影响，为此，各国学者纷纷做了不同程 度的试验研究。 m r a l a v im o g h a d d a m 3 3 1 等进行了三种不同固体停留时间( s r t s 为1 0d ，3 0 d 和7 5 d ) 的对比试验。分别对出水水质、污泥性质以及污泥中的微生物种类进行 研究。发现当s r t s 为l o d 和3 0 d 时，系统出水水质较好，无基材堵塞现象，而 s r t s 为7 5 d 时，系统出水水质变差，运行8 0 d 后出现严重的堵塞现象。总结发 现，当m l s s 浓度高、被t y p e0 2 1 n 细菌统治、丝状菌不丰富、含大量p r i s t i n as p 及t a r d i g r a d e s ( m a e r o b i o t u s ) 、并且e p s 浓度较高时，较易于发生堵塞现象。 k i s o 5 1 等考察y - - 种不同的m l s s ( 3 0 0 0 m g l 、6 5 0 0 m g l 和l l s 0 0 m g l ) 对 过滤的影响，结果发现，在相同的出水通量条件下，m l s s 越高，系统所需的压 力越大，出水浊度也越大。 高松【1 7 】等做了m l s s 浓度分别为2 3 0 0 m g l 、3 5 0 0 m g l ；f g l6 0 0 0m g l 的试验， 发现在相同的水头差条件下，m l s s 越高，系统稳定出水的通量越小，出水浊度 越低。这一结论与以上学者相同。 以上结论可知，污泥特性对系统的影响较为复杂。在污泥浓度对系统的影 响上，各学者看法一致，认为污泥浓度越高出水通量越小，出水水质越好，分 析原因是在高污泥浓度下形成的污泥层较厚，过滤阻力较大。而污泥的其他特 性，如粘度等因素也会对污泥层的产生及发展产生不可忽略的影响，目前关于 这方面的研究并不多，仍需做大量的试验对其机理进行深入研究。 1 3 2 4 控制条件 曝气系统主要由两个作用：提供氧气，保持池内完全混合流态。另外 还有学者认为，曝气可以减缓组件表面的污染，致使在线清洗容易。 k i s o 5 】等人认为，曝气强度越大，出水浊度越大，大强度的曝气会影响动态 膜的形成，在过滤组件下方曝气及间歇出水可以缓解膜污染及对已污染的膜进 行清洗。结果表明，在组件表面进行3 1 0 c m s 曝气错流可使出水通量稳定，而 2 0 - - 4 0 c m s 曝气错流可适用于组件的清洗，在组件下方进行h r i i l l 的曝气冲洗后 重新开始试验，则新污泥层迅速形成，出水浊度和通量迅速下降到一稳定值。 8 第1 章绪论 m r a l a v im o g h a d d a m 3 2 j 认为曝气强度并不是决定动态膜系统运行的主要 因素，在不同曝气强度下，出水浊度和s s 区别不大，在系统正常运行条件下， 组件表面形成的污泥层很薄，不会受到曝气强度的影响。这一结论与k i s o 的相 反。 一般而言，曝气强度愈大，组件表面错流速度愈大，而污泥是否能沉积到 组件上是由错流形成的剪切力和组件两侧的压力差两者共同决定，因此，应该 寻找到一个理想点使污泥不再沉积，污泥层达到一种平衡状态，系统的运行也 达到稳定平衡。但是实际运行中发现，错流速度还会对污泥层的形成结构造成 影响，错流流速愈大，组件表面形成的污泥层愈薄，且更致密，出水阻力更大， 结果导致出水通量反而减小。可否寻找到一个理想点，能延长系统的稳定运行 时间，仍需做大量的试验。 除以上所讨论的影响参数外，组件形式也是影响次毫米过滤的主要参数。 根据膜组件的制作形式可知，管式、平板式、卷式、以及中空纤维是膜组件的 主要形式，在分置式m b 良【艺中，应用较多的是管式膜和平板式膜组件，而在 一体式m b r 中多采用中空纤维膜和平板式膜组件。平板式膜组件运行较稳定， 但填充密度小，而中空纤维式膜组件运行较平板式差，但填充密度较大，各具 优缺点 3 4 1 。另外组件的外形设计也与操作方式等多种因素有关，s h i m i z u t 3 5 1 等 认为中空纤维膜组件外形会对其外部流体环境造成影响，不同组件外形造成的 流体均匀性有所差异。对次毫米过滤而言组件的形式及外形设计同样对过滤有 着重要的影响，因此，本文共设计了两种形式的次毫米过滤组件进行过滤试验。 1 4 研究目的和研究内容 1 4 1研究目的 自制次毫米过滤组件，实现高浓度污泥的折衷分离，将分离后较高浓度的 污泥维持在生化反应区进行生物降解，而获得较适宜的低浓度污泥为二沉池或 膜生物反应器进行固液分离，彻底摆脱高浓度污泥对污水生物处理系统的束缚。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 设计出两种不同形式次毫米过滤组件。h 型组件属于次毫米过滤高端设 计，l 型组件属于次毫米过滤低端设计； 9 第1 章绪论 ( 2 ) 用h 型组件分离1 0 - - - 3 0 9 l 污泥，考察该组件能否实现高浓度污泥的折 衷分离； ( 3 ) 考察了污泥浓度( 1 0 - - 3 0g l ) 、组件孔径( o 1 0 1 0 0m m ) 及水头差( 3 0 c m h 2 0 ，9 0g m h 2 0 ) 三个因素对h 型组件的过滤通量和平均通量的影响；同时以