（环境工程专业论文）电场条件下膜生物反应器的特性研究及膜污染的控制.pdf

摘要 摘要 膜生物反应器( m b r ) 作为最具潜力的污水处理技术之一，已经在部分发达国 家有广泛的应用。膜生物反应器中的膜组件能够代替二沉池起到固液分离的作用， 节省了投资与用地并提高了处理效果，但膜污染是阻碍其应用的最主要因素之一。 本文研究以降低膜污染程度为目的，将电场引入膜生物反应器中，以控制带负电性 的微生物在膜孔中的积聚，同时可利用电场的作用强化生物除磷。另外，由于膜生 物反应器中污泥浓度大，微生物种群多，可以抵抗电场对微生物正常生理机能的干 扰。 研究表明：本实验的最佳电流密度为o 0 9 m a c m 2 ，在此条件下，膜污染有所 缓解，微生物的活性也未有明显降低。通过拟合比较认为，对数模型对于描述膜生 物反应器膜通量在短期内的膜通量的下降较为合适。 较长时白j 的运行发现，加电场条件的l # 膜生物反应器的通量下降情况与未加 电场的2 # 通量下降有明显区别，l # 膜生物反应器通量的数学表达基本可以认定为 三次函数形式，而2 # 则是明显的线性下降，说明加电场的膜生物反应器的膜通量 在一段时间内有控制膜污染的优势，在本实验中前5 天膜通量维持在较高的水平， 为控制膜污染的最佳运行周期。 在去除c o d 、氨氮方面，电场条件的优势并不明显，甚至还有负面影响，但 仍有较好的短暂的运行工况，c o d 和氨氮的去除效果有一定的联系，而总磷的去除 效果因为电场的强化得到了很高的水平，最高达到9 9 左右。 通过对不同累积时间的平均膜通量的变化趋势的考察，初步确定了污泥混合液 中对膜污染贡献物质分布与沉积顺序。初期膜通量的降低时由于浓差极化，即溶液 中溶解性物质的存在导致溶质在浓水一侧的累积，产生了透水性比膜差的物质；而 长期的膜通量降低才与污染物质的沉积膜面和堵塞膜孔有关。可以认为电场主要是 抑制了浓差极化现象的发生。 整个运行周期内l # 膜生物反应器的污泥平均浓度为3 5 5 6 m g l ，2 # 膜生物反 应器为3 6 8 9 m g l ，维持较高的污泥浓度难度比较大，其他污泥指数在整个实验阶段 比较正常，只有最后的3 天晕，污泥发生腐坏，出水指标恶化。 实验验证了静电对微生物具有促进其生长而后又加速其死亡的双重性作用。电 场对微生物细胞的影响，直接反映在细胞物理，化学、电化学等特性变化上，同细 胞的繁殖、生长、衰老、变异等有关，宏观上表现则是，良好的运行工况比较难于 ：奎三些查兰王茎譬圭兰竺鎏銮 保持很长的时间。 关键词：膜生物反应器；膜污染；电场；特性 a b s t r a c t a so n eo fp o t e n t i a lt e c h n o l o g yo fw a s t e w a t e rr e u s e ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) h a db e e nw i d e l yu s i n gi ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t sa n do n s i t es e w a g et r e a t m e n tf a c i l i t i e s i ns o m ed e v e l o p e dc o u n t r y m e m b r a n em o d u l ei ni tc a ns e p a r a t es o l i da n dl i q u i d p e r f e c t l yi n s t e a do f t h es e c o n d a r ys e t t l e rw h i c hr e q u i r e sl a n do c c u p a t i o na n dc o s th i g h l y m e m b r a n ef o u l i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r si nf l u e n c i n gt h ed e v e l o p m e n to f m b r f o rc o n t r o lm e m b r a n ef o u l i n g ，e l e c t r i cf i e l dt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nm b r ， t h e n ，e l e c t r o n e g a t i v i t ym i c r o b ec a nb ep r o t e c t e df r o ma c c u m u l a t i n gi nt h eh o l eo f m e m b r a n ea n de l e c t r i cf i e l di nb i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o nc a nc o m ea p p l i c a t i o n b e c a u s eo fh u g em l s sa n de x c e s s i v ep o p u l a t i o n si nm b r ，i n t e r f e r e n c eo nm i c r o b ec a n b ef i g h tb a c k t h er e s u l t ss h o w e dt h eb e s tc u r r e n t d e n s i t y o fe x p e r i m e n ti sd e t e r m i n e d ： 0 0 9 m a c m 2 m e m b r a n ef o u l i n gi sa l l e v i a t e da n dt h ea c t i v i t yo fm i c r o b ea l s od i d n t d e c r e a s ei nt h ec o n d i t i o n c o m p a r i s o n so fc u r v ef i t t i n go fm o d e l s ，l o g a r i t h m i cm o d e li s m o r es u i t a b l et h a nl i n e a rm o d e lf o rt h ed e c l i n eo fm b rf l u xi ns h o r tp e r i o do ft i m e i tc a nb ed e t e c t e dt h a tt h ed e c l i n eo ff l u xi nl 栉m b rt h a tt h ee l e c t r i cf i e l di s i n t r o d u c e di ni sd i f f e r e n tf r o mt h eo n ei n2 群m b rw i t ho p e r a t i o ni nl o n g e rt i m e t h e e l e c t r i cf i e l di sb e c o m i n gt om e m b r a n ef o u l i n gc o n t r o l ，b e c a u s ec u b i cs p l i n ef u n c t i o n s c a nb ei n1 牟m b ra n dl i n e a rm o d e lc a nb ei n2 撑m b rb ym a t h e m a t i c a le x p r e s s i o ni n e v i d e n c e m e m b r a n ef l u xi nt h ef r o n to f5d a y sw h e nm b rt a k e sb e s to p e r a t i o nt i m e k e e pb e t t e rl e v e lo fm e m b r a n ef l u xi n1 群m b r e l e c t r i cf i e l di sn o ts u i t a b l et ot h er e m o v a lo fc o da n dn h + 4 一n ，e v e nn e g a t i v e i n f l u e n c ec a nb ed e t e c t e d c o dh a ss o m ec o n t a c tw i t hn h + 4 - ni nr e m o v a lr a t e ，t h e r e m o v a lo ft pt a k e sm a xr a t eo f9 9 w h i c hm a k ea n o t h e rs u b s t i t u t eo fc h e m i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a l p r e l i m i n a r yi d e n t i f i c a t i o no fd e p o s i t i o n a lg r a d a t i o na n ds u b s t a n c ec o n t r i b u t i o n t h r o u g hw h i c ht r e n do fa v e r a g ef l u xd e c l i n ew i t ha c c u m u l a t i o no fo p e r a t i o nt i m e c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o nw h i c hm e a n ss o l u b l em a t t e r st h a ti sm i x e dl i q u i ds l u d g eh e r e i n d u c et h ea c c u m u l a t i o no fs o l u t ed e n s et h eo n es i d eo fm e m b r a n ei st h em o s ti m p o r t a n t r e a s o ni nt h ef i r s tm o m e n to fm b r d e p o s i t i o no nt h es u r f a c ea n df o u l i n gp o r eh a v e r e l a t i o nt ot h er u no fl a t e rm o m e n t s o e l e c t r i cf i e l dc a nk e e p 疔o mc o n c e n t r a t i o n i i i 广东1 = 业大学1 = 学硕士学位论文 p o l a r i z a t i o ni ns o m ee x t e n t a v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fm l s si n l # m b ri s3 5 5 6m g la n d2 群m b ri s3 6 8 9 m g li nt h ew h o l eo p e r a t i o np e r i o d i t sd i f f i c u l tt ok e e pah i g hl e v e lo fm l s s ，b u t o t h e rp a r a m e t e r sa r en o r m a l i nt h el a s t 3d a y s ，t h ew a t e rq u a l i t yd e t e r i o r a t i o ni st a k e p l a c e e x p e r i m e n t sh a v ep r o v e de l e c t r i c f i e l dw h i c hc a na c c e l e r a t eg r o w t hr a t eo f m i c r o b ea n dt h e nd e c e a s eq u i c k l yi sd u a ln a t u r e t h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i cf i e l do n m i c r o b et a k e sr e f l e c t i o nb yt h ec h a n g eo fp h y s i c a lc h e m i s t r ya n de l e c t r i cc h e m i s t r y c h a r a c t e r si nt h ec e l l i t sr e l a t i o nt op r o p a g a t i o n ，a c c r e t i o na g i n ga n da b e r r a n c e m a e r o s c o p i c a l l y ，i t h a sd i f f i c u l t yw i t hh o l d i n go p e r a t i n gc o n d i t i o ni nal a s t r u n n i n g t i m e k e y w o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；m e m b r a n ef o u l i n g ；e l e c t r i cf i e l d ；c h a r a c t e r s 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师的指导下进行的研究以及所取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表的或撰写过的研究成果，不包含本人或 其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明，并表示谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下所取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 6 i 指导教师签字： 论文作者签字： 二0 0 七年四月三十同 蜓 第章绪论 第一章绪论 1 1 膜生物反应器的研究进展 膜分离技术( m e m b r a n es e p a r a t i o n ) 是以选择性透过膜为分离介质，在膜两 侧一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分 离，以达到提纯、浓缩等目的的分离过程。目| ； 的膜分离技术有：微滤 ( m i c r o f i l t r a t i o n ，m f ) 、超滤( u l t r a f i l t r a t i o n ，u p ) 、纳滤( n a n o f i l t r a t i o n ，n f ) 、 反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，r o ) ，渗析( d i a l y s i s ，d ) ，电渗析( e 1 e c t r o d i a l y s i s ， e d ) 、控制释放( c o n t r o lr e l e a s e ) ，膜传感器( m e m b r a n es e n s o r ) 、气体分离( g a s p e r m e a t i o n ，g p ) ，渗透汽化( p e r v a p o r a t i o n ，p v ) 、膜蒸馏 ( m e m b r a n e d i s t i l l a t i o n ) 、膜萃取( m e m b r a n ee x t r a c t i o n ) 、液膜( l i q u i dm e m b r a n e ) 等。 膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。水处理中常以压力差为 推动力，采用的膜技术有微滤、超滤、纳滤和反渗透【1 1 。 1 9 6 9 年，美国的s m i t h 等人首次报道了将活性污泥法和超滤膜组件相结合处理 城市污水的工艺研究，该工艺大胆地提出用膜分离技术取代常规活性污泥法中的二 沉池，这就是膜生物反应器的最初雏形。 膜组件部分从构型上可以分为：管式膜生物反应器、板框式膜生物反应器、卷 式膜生物反应器、中空纤维式膜生物反应器；根据膜的材料可分为：有机膜膜生物 反应器、无机膜膜生物反应器；根据膜过滤的压力驱动方式可分为：加压型和抽吸 型；根据膜组件在m b r 中所起作用的不同，可将m b r 分为：分离m b r ( 膜组件相当于 传统生物处理系统中的二沉池，m b r 由于高的截流率，井将浓缩液回流到生物反应 池内，使生物反应器具有很高的微生物浓度和很长的污泥停留时间，因而使m b r 具 有很高的出水水质) 、无泡曝气m b r ( 采用透气性膜对生物反应器无泡供氧，氧的利 用率可达1 0 0 ，因不形成气泡，可避免水中某些挥发性的有机污染物挥发到大气 中) 、萃取m b r ( 用于提取污染物的萃取，由内装纤维束的硅管组成，这些纤维束的 选择性将工业废水中的有毒污染物传递到好氧生物相中而被微生物吸附降解) 。应 用最为广泛的膜组件当数中空纤维膜组件 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r s ，m b r ) 技术近几年来在国内外快速发展， 通常利用超滤( u l t r a f i l t r a t i o n ，u f ) 或微滤( m i c r o f i r r a t i o n ，m f ) 薄膜分离浓缩生 物污泥，并得到水质良好出水。在不到十年之间，m b r 已从实验室研究规模发展至 广东【：业大学1 = 学硕士学位论文 超过1 0 0 0 0 m 3 d 的污水处理厂应用规模。目前有多家国外公司已有商业化产品，其 中以加拿大的z e n o n 公司与日本的k u b o t a 公司有较多实厂案例。膜生物反应器技 术能够快速的发展，原因包括：薄膜制造技术之改善，使薄膜使用寿命延长3 至8 年，降低更换频率；薄膜费用大幅降低，减少固定成本与操作成本投资；膜生物反 应器技术具有解决新兴产业造成污染问题的优势。目前膜生物反应器技术的应用遍 及城市污水处理、家庭污水处理、食品工业废水处理、畜牧业废水处理、制药业废 水处理、照相业废水处理、纸浆废水处理、船舱废水处理等，随各种薄膜材料的应 用与生物反应器的设计，新的应用方向将陆续被开发，可预期未来膜生物技术将广 为应用。 1 1 1 膜生物反应器的特点 膜生物反应器是将膜分离技术与生物处理技术帽结合的水处理技术，该技术有 较高的有机污染物去除率、出水水质好，没有传统程序污泥分离的问题；反应器内 生物浓度高，处理过程中污泥负荷低；可去除细菌和病毒，以达到消毒的作用；工 艺流程短，占地面积小，浸入式m b r 占地面积仅为传统活性污泥程序之一半；污 泥停留时间( s l u d g er e t e n t i o nt i m e s r t ) 可相当长，生长速率缓慢的微生物得以 滞留与增殖，有利于特殊或难分解污染物的去除；维持低f m 比，减少废弃污泥 量；自控程度高，易管理。适宜处理各种有机污水，特别适宜对高浓度、难降解等 有机废水处理，生活污水的净化和中水回用处理。 膜生物反应器一般分为淹没式和分离式两种。前者是将膜组件直接置于反应器 内，多采用中空纤维，膜和板式膜；后者则是将膜组件与反应器分开放置，多采用 管式膜。前者的主要问题在于如何有效地解决完全置于活性污泥中的膜组件的堵塞 问题和大型装置的检修问题，而后者的主要问题是动力消耗大、系统运行费用较高， 其处理单位体积水的能耗是传流活性污泥工艺的l o 2 0 倍。 1 1 2 膜生物反应器在脱氮除磷方面的表现 随着膜生物反应器r ( m b r ) 污水处理技术的r 趋成熟，有关其脱氮功效的研究也 有了长足的发展。与传统污水处理工艺相比，由于膜分离单元的引入，使m b r 在脱 氮性能上得到了一定程度的强化。武小鹰等1 2 1 研究了膜生物硝化反应器对含氨废水 的处理效能，发现分离膜可将硝化细菌完全截留于反应器内，在启动阶段的5 0 d 中 污泥浓度由5g l 提高到1 0g l 。较高的污泥浓度保证了膜生物硝化反应器的效能。 2 第。章绪论 优化了出水水质。分离膜表面附着的生物层对氨氮和亚硝氮具有一定的氧化作用。 k k u b i n 等【3 】研究了多段硝化m b r 系统对有机物，特别是氮的去除规律。在进水 n h , + n 质量浓度平均为4 4 。lm g l 时，出水的n h 4 + - n 质量浓度在0 0 1 m g l 左右，几乎 不能被检出。研究发现，多段硝化的m b r 系统氮的去除率略要好于一段硝化，而有内 回流的m b r 系统出水的n h 4 + n 质量浓度在0 0 7 m g l 左右，去除率要低于没有内 回流的m b r 系统。德国的c a d a m 等【4 1 研究了同时具有脱氮除磷能力的m b r 系统对 废水中氮、磷及有机物的去除规律，运行稳定后的各项参数如下：污泥龄为i5 d ；回 流比为1 0 0 和4 0 0 ：容积负荷为1 3 0 k g m 3 d ；有机负荷为0 2 2k g ( k g d ) ；污泥 产量为o 0 9k g d 。研究人员将该工艺与传统的活性污泥工艺作了对比，在进水 c o d 、n h 4 + n 、p 分别为9 9 8 m g l 、4 1m g l 、1 0 5m g l 时， 活性污泥法出水相应 指标为5 6m g l 、2m g l 、0 2 2m g l ，而m b r 系统出水相应指标为3 6m g l 、o 4 9 m g l 、0 1 0m g l 。大大优于传统法。 对膜分离技术与脱氮工艺的组合的研究可以为脱氮工艺的强化奠定基础。杨小 丽等【5 】采用a o 法膜生物反应器( m b r ) 处理城市污水，膜分离对c o d 、n h 4 + - n 、 t n 和s s 去除率的贡献分别为1 0 一2 0 、5 1 、7 7 和1 0 2 0 ，相当于在传 统二缴处理的基础上增加了深度处理工艺。a o 法m b r 工艺在提高有机物去除效 果的同时也强化了硝化反硝化作用，进而提高了对氮的去除率。张捍民等1 6 】对序批式 膜生物反应器( s b m b r ) 脱氮除磷效果进行了研究，发现s b m b r 通过改变周期、提 高交换比等方式，t n 和氨氮去除率分别保持在6 7 6 和9 3 1 。在有机碳源不足 的情况下，s b m b r 的t p 去除率降至平均4 9 9 ，其余时间内t p 去除率保持在9 0 左右，平均去除率为9 1 4 ，不受进水c o d t n 变化影响。 不同运行阶段的硝化污泥种群结构和运行条件与生物群落结构之间的联系。逐 步随着微生物学的发展成为研究热点，李红岩等【7 】以无机氨氮废水( n h 4 + - n ，5 0 0 m g l ) 为处理对象，在不排泥条件下逐渐缩短膜生物反应器的水力停留时间( h r t ， 3 0n 5h ) ，连续运行2 6 0d 。在反应器内的氨氮容积负荷和污泥负荷分别为1 1 2 k g d l 和2 1 1 3 k r , k g d 时，氨氮去除率达9 8 以上当h r t 减少至7 h 时开始 出现n h 4 + - n 和n 0 2 - n 的积累。杨宗政等哺】采用前置缺氧好氧膜生物反应器处理废 水，反应器启动时间短，对n h 4 + n 浓度为2 4 0m g l 废水控制好氧反应器的d o 为 o 3 0 5 m g l 和h r t 为4 3 h 可以获得较好的硝化效果。使用甲醇作为碳源更容易获得 较高的t n 去除率，但容易导致异养微生物过量生长，与硝化细菌争夺溶解氧，从而 使硝化菌受到抑制，进而影响n h 4 + - n 去除率。王勇等1 9 l 对膜生物反应器处理污水3 个月运行试验的跟踪观察及分析发现，活性污泥中微型动物优势种群呈现一定的规 律性变化，并与系统内活性污泥浓度和状态具有较强的相关性，按照运行时间的顺序。 3 广东t 业大学t 学硕十学位论文 游动型纤毛虫、红斑瓢体虫、轮虫及累枝钟虫、表壳虫，交替成为优势种群。微型动 物在活性污泥中发挥吞食作用以控制系统内活性污泥总量的增长，而活性污泥的状 态特性又会反作用于微型动物的生活过程及数量的变化过程。 1 2 膜污染的研究进展 对于膜生物反应器( m b r ) 的研究逐渐由实验室规模发展到中试的规模，在实 际工程中也有少量的应用，但膜价格昂贵、膜组件容易污染等问题大大的阻碍了m b r 的应用，膜污染表现为膜通量的下降，进而需要对膜进行清洗乃至膜的更换，有效 控制膜污染和降低运行成本成了m b r 的研究热点。 1 2 1 膜污染的种类与成因 就膜组件本身而言，膜污染分为膜外部污染和膜内部污染，外部污染是指污染 物质沉积在膜表面形成滤饼，造成膜通量的下降，滤饼的组成是复杂而变化的，包 括部分活性污泥、胶体物质和由金属离子形成的水垢：内部污染是指污泥混合液中 的有机大分子物质和细菌被吸附在膜面上和膜孔中，形成致密的膜面沉积层，膜孔 有利于细菌生长，细菌的大量滋生则造成膜孔堵塞d o ，加重了膜污染。根据污染物 的化学与生物性质将膜污染分为无机污染、有机污染和微生物污染，无机污染由结 垢引起，以碳酸钙和硫酸钙居多；有机污染物包括溶解性有机物质、胞外聚合物和 污水中的胶体物质；微生物及其代谢产物引起的污染则直接与污泥混合液相关，表 现为污泥粘度的变化和膜面生物膜的形成，这些都导致了膜通量的减小。外部无机 污染通过简单的水洗和反冲洗就可以基本消除，而由有机物质和微生物引起的膜孔 堵塞往往要通过化学清洗来解决。膜污染是运行中一系列增加膜阻力的因素的总 和，包括：污染物在膜表面的吸附和沉积，在膜组织内的膜孔中的吸附( 孔径缩小) 或者完全的膜孔堵塞。膜的污染可以通过几种物理化学和生物机制产生，并且通过 浓差极化而使污染加重，因为浓差极化明显增加了膜附近的污染物质的浓度。 1 2 2 膜污染的数学表达 膜透过速率通常用标准达西方程( d a r c y sl a w ) 表示【1 】： j = 4 p “彬( 1 1 ) 式中，为膜通量，m 3 ( 2 s ) ；a p 为膜操作压力，p a ；f 为透过液黏度，p a s ： 4 詹为过滤总阻力，m 标准达西方程是膜污染研究的基本理论。运行初始，詹只是 纯膜阻力，当发生不同种类的膜污染后。厅就成为了各方面贡献阻力的总和，如内 部污染阻力、凝胶阻力和沉积阻力等。当重点考虑各污染因子时，可以对达西方程 进行系数修j 下，建立关联。由于污染因子众多，还无法确定具有指导性的数学表达 式。还有许多指数型经验模型的报道，但受到很多条件限制。普适性的膜污染模型 的建立将为m b r 的应用奠定基础，此方面研究还有待加强。 1 2 3 膜污染的防治 膜污染是指m b r 内混合液中的悬浮颗粒、胶体粒子或溶解性大分子有机物在膜 表面和膜孔内吸附沉积，造成膜孔径减小或堵塞，使膜通量下降的现象。影响膜污染 的因素包括膜本身的特性，被处理的污水水质，操作条件和其他因素如微生物种群 之间的相互影响、膜本身对生物膜生长的影响、细菌胞外聚合物( e p s ) 的组成及浓 度等。很多研究者都在致力研究膜污染的数学模型，提出了各种形式的模型，对膜污 染的程度做了定量的描述，其目的都是揭示膜污染的影响因素，探究膜通量与过膜 压力( t m p ) 、e p s 、温度、运行时自j 、污泥浓度等因素的关系，以获得解决膜污染问 题的方法。 1 2 3 1 通过改变水力特性改善膜污染 最初的膜生物反应器是以死端过滤( d e a d - e n df i l t r a t i o n ) 形式出现的，即通 过水压或抽吸完成的简单过滤，膜污染速度较快。为了改善膜污染的状况，出现了 错流过滤( c r o s s f l o wf i l t r a t i o n ) ，错流过滤是使透过水与进水流动方向垂直， 以一定的流速流经膜面，有效地控制了水中污染物质在膜面的沉积，减缓了膜污染。 选择合适的水力操作条件等于是在过滤操作的同时控制了膜污染。是比较理想 的控制膜污染的办法研究表明，利用曝气产生的大量气泡来冲刷膜面，提高膜面 流速，是控制膜污染的有效办法【幢，l ”，但是曝气强度的提高也会使污泥絮体破碎， 反应器内细小颗粒增多，不但膜孔容易堵塞，沉积层也会更加密实，一定程度上又 加剧了膜污染，不同的污泥浓度下存在不同的经济曝气强度，即膜过滤压差上升速 率最小的曝气强度，基本上经济曝气强度与污泥浓度成讵比例关系，污泥浓度分别 为3 、6 、8 和1 0g l 时，对应的经济曝气强度为3 6 、7 2 、8 4 和1 2 0m 1 ( m 2 h ) ij 4 l 。 m b r 的出水方式也会影响膜污染，马莉等i l 卅用修改后的f l u n d l i c h 等温吸附方程来 表征膜污染( 将污染物质视为吸附质，膜为吸附物) ： s 广东工业大学1 = 学硕士学位论文 q o = j 力：8 g “4 ( 1 2 ) 式中，仉为吸附容量，g m 2 ；j 为吸附量，g ；彳为膜面积，m 2 ；a 和1 n 为相关常 数，岛为吸附质在溶液中的平衡浓度。考查的三种出水方式中，真空抽吸一空气反 吹出水的膜吸附容量比真空泵抽吸和自吸水泵抽吸出水方式的膜吸附容量均小2 6 倍左右，后两种方式则基本相同。由于不需要耗用额外的物质，通过水力学控制膜 污染是最理想的方法，全面深入地了解m b r 中的水力特性，优化水力条件对于m b r 的 设计与应用将是必不可少的。 1 2 3 2 通量方面的研究 膜通量是几个研究热点之一，不同通量下膜污染的状况有较大差别，在中试规 模的分置式m b r 中，当恒定通量从1 8l m 2 h 增加到7 2l m 2 h 时，膜污染加剧， 为了恢复膜通量，膜清洗方式也从每隔5 一l o m i n 的水反洗改变为每周一次的化学 清洗i l6 1 。一般认为，膜污染分为可逆污染和不可逆污染，可逆污染可以通过清洗去 除，而不可逆污染由胶体物质沉积造成，严重影响膜的利用率。通常把胶体物质在 膜面开始沉积时的膜通量称为临界通量( c r i t i c a lf l u x ) ，d e f r a n c e 等1 1 7 1 验证了临 界通量的存在，在次临界通量条件下，膜过滤阻力( t m p ) 很稳定，而超临界条件下 的t m p 则在短时自j 内急速增长，而且存在不可逆污染。因此，使m b r 在次l 临界通量 下运行，可以兼顾控制膜污染和得到较高膜通量。 1 2 3 3 污泥混合液特性方面的研究 与膜直接接触的污泥混合液是膜污染的根本原因，污泥混合液的性质对膜污染 的影响也是国内外学者的研究热点，其中包括污泥浓度、粘度、组成和沉降性能等 方面的研究都有大量报道。一般认为膜通量随着污泥浓度的升高而下降【1 8 1 9 ，污泥 的s v i 指数的提高会使膜面污染层的结构变得疏松，厚度变大，从而加速膜污染速 率【2 0 l ，污泥停留时间的增加也会加速膜的污染【2 。l a u r e 等考查了污泥成分中s s 、 胶体、溶解性分子( 叫) 对膜污染的贡献大小，结果分别为6 5 、3 0 、5 ，并 确定了各部分对过滤阻力的贡献是其浓度的函数，而且发现各部分造成的过滤阻力 的加和超过了实测总阻力的5 0 ，表明它们不是简单的加和关系，另外，在 w i s n i e w s k i 的实验中d m 对阻力的贡献占到了5 0 以上，说明在不同的条件下膜污染 机理有相当大的差别 2 2 1 。目前，多数学者将溶解性微生物产物( s m p ) 和胞外聚合物 ( e p s ) 列为膜的优势污染物，它们直接导致了膜孔的堵塞和膜面滤饼的致密。 6 第。章绪论 根据污泥混合液的特性，有学者向活性污泥中添加粉末活性炭使得活性污泥特 性发生改变，污泥的尺寸分布在较小的区域范围，污泥絮体中e p s 相应减少，膜污 染状况得到改善，并且由于膜面沉积层的孔隙率的增加，膜通量也得到一定的提高 1 2 3 1 。赵方波等【2 4 i 本着减少微生物絮体与膜接触的目的，在m b r 前添加了沉淀程序， 结果是膜污染更加严重，i n - s o u n gc h a n g 等1 2 5 】的研究也证明了三级膜滤比起m b r 没有任何优势，再次说明了s m p 和e p s 将是膜污染机理探明的关键因素。 i 2 3 4 膜清洗方面的研究 膜的清洗主要包括水力清洗和化学清洗，水力清洗包括水外沈和反冲洗，水外 沈主要去除膜表面的污泥和黏附性差的沉积物；反冲洗则是施加反相压力使膜孔扩 张，通过清洗水的反相冲刷，使得膜孔中堵塞物和膜表面沉积层得到一定程度的去 除。化学清沈包括碱洗和酸沈，通过碱沈可以有效清除膜面的有机污染物，酸洗则 可以将膜面水垢溶解去除，对于处理生活污水的m b r ，碱洗比酸洗效果明显。也应 该注意到化学清洗不但消耗化学药荆，而且容易造成二次污染，还可能影响微生物 活性和损伤膜组件。实际中往往采用多种清沈方式的组合对膜进行清洗，先水洗， 后碱沈，再酸洗，最后水洗是有效的清洗方法，一般清水膜通量可以恢复到1 0 0 以上f 2 ”，各清洗方式对膜通量恢复的贡献大小则是根据污、废水的性质不同而略有 不同。也有应用非常规技术方法对膜进行清洗的报道，如超声波清洗就得到了较好 的清沈效果【2 7 1 。膜清洗对保证m b r 出水的稳定必不可少，而具体清洗周期的确定方 法还没有更多的报道，不同的操作条件对清洗周期的影响是明显的，其中通量的选 择显得更加重要。 1 2 3 5 膜的性质对膜污染的影响 在有足够的机械强度的前提下，膜的孔径越小，厚度越薄，孔隙率越高意味着 可以得到更高的膜通量，多数的m b r 中膜的孔径在0 卜0 4 pi i i 之间。对于不同的 污泥混合液，应该根据优势污染物的大小来决定。研究表明，膜的切割分子量( m w c o ) 应比待分离颗粒相对分子质量小一个数量级1 2 8 1 亲水性膜比僧水性膜污染速率低， 具有更好的抗污染性质，在处理家庭污水的岫r 中后者的压力增长速率是i j 者的2 倍【2 9 i 对膜面做等离子处理就可以使膜面结构、形态和亲水性发生改变，从而得到 具有低污染指数的膜1 3 0 i 另外，污水中的颗粒和杂质大多带有负电荷胶团，选用荷 负电的膜，利用同种电荷相斥的原理使污染物不易在膜面沉积，从而在一定程度上 广东工业大学t 学硕士学位论文 i l l 防止膜污染，对膜面或膜材料做预处理使其带负电也可以达到同样的效果。膜本身 性质的强化对膜污染的控制会起到颇具广泛性的作用。 ( 1 ) 膜生物反应器处理工艺还没有成文的设计规范及与之相关的一套较合理 的设计参数，操作参数及运行条件也有待进一步确定与研究。( 2 ) m b r 的动力学研 究方面还需要深入与加强，包括数学模型的研究。( 3 ) 膜污染问题始终没有得到根 本解决，预防和消除膜污染还要继续寻找新的突破口。( 4 ) 膜生物反应器中剩余污 泥的性质及其处理方法的研究与报道几乎没有，这一领域有待扩展。( 5 ) 研究丌发 新的生物技术组合( 或结构) 与新的膜分离技术相结合，发展新型的膜生物反应器 以便能克服或削弱m b r 在应用中的一些缺点，也是未来水处理技术的发展方向之 1 3 电场 1 3 1 电场动力学 根据物理学原理，带电粒子在电场中所受电场力( f ) 等于电场强度与粒子所 带电量的乘积 f = e q ( 1 3 ) 在上式中，e 为电场强度，q 为粒子所带电量。 又据s t o k e s 定律，一个球形分子在溶液中泳动时，受到的阻力( f ) 与球形分 子的半径( r ) 、溶液的粘度( r i ) 及泳动速度( v ) 成正比，其比例系数为6n 。即： f = 6 rnv( 1 4 ) 当带电粒子所受的电场力f 与阻力f 相等时，即f = f ，就有 e q = 6 r r i v ( 1 5 ) 两端同时除6 丌rr i e ，得： v e = q 6 r i l ( 1 6 ) 由式( 1 5 ) 和( 1 6 ) 可得 m = q 1 6 r i ( 1 7 ) 由上式可见，泳动率与球形分子所带电荷电量成j 下比，与球形分子的大小及介 质粘度成反比。泳动率除受上述自身性质及介质粘度的影响外，还受其他外界因素 的影响。 3 1 3 2 电场的微生物效应 随着有关研究的不断深入，发现彼此似乎无关的电场技术与生物工程技术之间 却有着紧密的联系，这一动向不仅开拓了电场技术的新领域，也为生物工程技术提 供了新的研究方向。电生物效应已涉及到种子萌发、幼苗生长、作物增产、果蔬保 鲜和食品消毒等领域；对其作用机制的研究也由宏观开始向微观发展，由植物器官 水平向细胞甚至分子水平转移。这一发展趋势必然使电场作用机制更清楚，并为电 场技术拓展应用领域提供更翔实的理论依据。 关于电场技术对细胞增殖的影响国内外均有一定的研究。研究资料表明，电场 能够缩短细胞有丝分裂周期，提高细胞分裂速度，从而促进生物体的生长速度。对 植物细胞而言，正常生长的生物体内部都有一股小而恒定的电流，它影响着植物的 生长与演变。被分离出来的原生质体化的细胞表面常带有负电荷，当利用外加电场 在给植物细胞一个适当的直流电流，便可影响细胞的繁殖，外加电场若使细胞带上 正电荷则会中和原有的负电荷，对细胞的繁殖有一定抑制作用；外加电场若使细胞 带上负电荷，则会加强细胞表面固有的负电荷，从而加速细胞的繁殖。对动物细胞 而言，清华大学在低频低压交变电场中，探讨了成骨细胞的增殖机理。人们将电场 促使细胞增殖这一机理广泛应用于医疗保健，在骨伤治疗、牙齿整形、软组织损伤 恢复方面，取得了意想不到的疗效。 但是，电场对微生物细胞的作用机理的研究较少，大部分集中在高压静电场对 微生物的影响上。一般认为高压静电对微生物有促进其生长而后又加速其死亡的双 重性作用。低压的电场对微生物细胞的影响，直接反映在细胞物理、化学、电化学 等特性变化上，同细胞的繁殖、生长、衰老、变异等有关。有研究表明，应用小幅 值交变电场( e ( 1 0 m v c m ) 可以影响细胞的代谢过程、细胞的基因表达、细胞增殖、 酶活力、膜转移和细胞膜的通透性，影响细胞内的自由基反应和生物高分子的合成。 酵母菌在低频电场( e ( 2 0 0 m v c m 2 ，l o h z ) 作用下，细胞分化和发芽速度增加。但 这些研究还处在假设和推测阶段，电场对微生物的影响还需要系统而深入的研究 1 4 选题的目的和意义 污水中的颗粒和杂质大多带有负电荷胶团，选用荷负电的膜，利用同种电荷相 斥的原理使污染物不易在膜面沉积，从而在一定程度上防止膜污染，对膜面或膜材 料做预处理使其带负电也可以达到同样的效果。 9 广东t 业大学t 学硕+ 学位论文 1 5 主要研究内容和基本思路 生物反应器内的活性污泥和污水与膜直接接触，对于膜生物反应器的污泥和污 水的研究是首要的，赵方波等【3 1 l 为减小微生物絮体对膜的污染，设计了一种具有沉 降室的膜生物反应器，膜a 与膜b 分别淹没在上清液和污泥混合液中以相同的抽吸 方式运行。与预期结果相反，膜a 比膜b 的污染速度还快。经膜污染机理分析认为： 微生物絮体和大分子有机物会在膜面形成污染层，该污染层作为“二次膜”影响膜 过滤性能。上清液中细小的微生物絮体和大分子有机物形成的污染层相对致密，会 加剧膜污染。越来越多的研究表明溶解性微生物产物( s m p ) 和胞外聚合物( e p s ) 列为 膜的优势污染物，它们直接导致了膜孔的堵塞和膜面滤饼的致密。e p s 和s m p 的主 要成分为蛋白质与多糖，这些高分子物质主要来源于细胞分泌、细胞自溶和从废水 中吸附得来【3 2 】。微生物细胞主要成分也是蛋白质( 6 0 - - 9 0 ) ，而在有机化学中也 有通过加电场使由蛋白质( 氨基酸) 定向移动的章节。 根据污泥混合液的特性，有学者向活性污泥中添加粉末活性炭使得活性污泥特 性发生改变，污泥的尺寸分布在较小的区域范围，污泥絮体中e p s 相应减少，膜污 染状况得到改善，并且由于膜面沉积层的孑l 隙率的增加，膜通量也得到一定的提高 3 3 1 。 在其它领域，都有通过施加电场改变溶剂或溶液分布的应用【3 4 3 5 0 6 l ，说明电 场力的作用是明显的。 本实验的总体思路是通过加垂向电场使污泥混合液中由蛋白质组成的微生物 物质受到垂直向下的电场力的作用，与高差h 形成的膜渗透压力( t m p ) 达到平衡 效果，进而减少优势污染物与膜面接触的机会，减少永久性污染，使得膜清洗作用 更加明显，膜通量恢复更容易，膜更换速度也将降低，对于m b r 的应用将有十分重 要的影响；另外，加电场的一边反应器中也会由于电场力的作用产生底部压实的现 象，形成利于同步硝化反硝化的环境，脱氮效果将会更加明显。 1 6 本课题的创新点 本课题引进电场对膜污染进行控制，借鉴王五洲师兄的实验成果，以期对微生 物进行强化处理，期待在常规考察指标满足排放要求的前提下，使膜污染得到缓解 与控制。 首先，针对目前m b r 的应用同益广泛却受到膜污染的限制，根据工程电磁场 的基本理论和生物化学基础理论，将宏观与微观相结合，利用微尘物所带电性与电 i o 第。章绪论 场力的作用，通过林业科学中利用电场改善木质含水性能的研究结论，本课题设计 了利用电场控制膜污染的实验装置。 其次，根据目前污水处理厂常规二级处理不能使得磷达到排放标准的现状，前 期的实验结果又证明电场可以刺激聚磷菌的聚磷作用，给除磷带来较明显的效果，