（环境工程专业论文）自生动态膜生物反应器中膜形成与污染机理及调控策略.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 自生动态膜生物反应器( s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r , s f d m b r ) 使用廉价粗孔微网材料( 如无纺布) 替代常规微滤超滤膜作为过滤 组件，利用泥水分离过程初期活性污泥在微网材料上自然沉积形成自生动态膜 ( s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n e ，s f d m ) ，取得与常规微滤超滤膜近似的分离 效果。 s f d m 的渗透性能表现和结构成分的发展变化明显不同于m b r 中的固定膜， 且更为复杂。因此，本研究通过对s f d m 的渗透性，结构成分变的研究探讨s f d m 形成与污染的机理。研究发现s f d m 总体上对c o d 具有较强截留能力，对小分 子的n h 4 + - n 也有一定的去除效果。根据出水浊度的变化可以判断s f d m 可以在 1h 左右的时间内快速形成，达到良好的s s 截留能力。 s f d m 在过滤初期通量下降迅速，直到5h 后出现拐点通量变化缓慢。对应 的膜阻力变化会在过滤最初5h 出现陡增后变化平缓，直至动态平衡打破再次迅 速增高。前一个阻力的快速增加主要是因为污泥的大量附着，而后一个则是 s f d m 在长期的运行中因小颗粒添堵，底部凝胶层的形成以及污泥压缩而引起的 s f d m 孔隙度减小，污泥比阻增加所致。 通过f t i r ，e e m 以及e p s 测量可以发现e p s 是s f d m 的主要污染物质， 其中蛋白质优于多糖大量的从混合液中沉降积累，而多糖除了来源于混合液外， s f d m 底部厌氧的微生物也会释放并与周围微生物胶连形成凝胶层，增加过膜阻 力。 在透彻了解s f d m 形成及污染机理的基础上，通过研究三台不同的曝气强 度( 2 0 0 ，5 0 0 和8 0 0l h ) 下的s f d m b r 的污染情况，分析曝气强度对动态膜形成 及污染的影响机制。研究发现，不同的曝气强度可以改变剪切力强度和溶解氧的 浓度，对s f d m 的形成与污染过程分别起着不同的影响作用。 结果表明，高或低的曝气强度均对膜的透过性均有不利影响。低曝气强度不 能有效去除膜表面附着物，沉积的颗粒物粒径大，生物量高，成膜时间短，虽然 形成的s f d m 孔隙度大，污泥比阻小，但阻力上升迅速也使膜污染加重。高曝 气强度下沉积的颗粒物粒径小，生物量低，通量下降速度较慢成膜时间长，形成 5 山东大学硕士学位论文 的s f d m 孑l 隙度小，污泥比阻大。此外，高曝气强度导致污泥混合液中出现严 重的污泥絮体解体，粒径减小并促进微生物絮体释放胶体和溶解性物质。当曝气 强度升高到8 0 0l h 时，胞外聚合物含量增大并作为主要污染物，污泥比阻增大， 膜污染加重。e p s ( 蛋白质、多糖) 为膜污染的主要有机成分。 关键词：自生动态膜；曝气强度；膜形成；膜污染；胞外聚合物 6 山东大学硕士学位论文 a b s t r a s t s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s f d m b r ) e m p l o y e si n e x p e n s i v e m e s hf i l t e r m a t e r i a l s ，s u c h a sn o n - w o v e n f a b r i c ，r e p l a c e s c o n v e n t i o n a l m i c r o f i l t r a t i o n u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e sa sf i l t r i a t i o nm o d u l e s i tu s e sf o r m e d d y n a m i cm e m b r a n e ( s f d m ) d e p o s i t e do nt h em e s hm a t e r i a l sb ya c t i v es l u d g ei nt h e i n t i n a ls e p a r a t i o np r o c e s s ，t oa c q u i r ea p p r o x i m a t e l ys e p a r a t er e s u l t so fc o n v e n t i o n a l m e m b r a n e s t h ep e r m e a b i l i t yp e r f o r m a n c e ，s t r u c t u r ea n dc o m p o s s i b i l i t ye v o l u t i o no fs f d m i sv e r yd i f f e r e n tw i t hc o n v e n t i o n a lm b r ，e v e nm o r ec o m p l i c a t e d a sar e s u l t ，t h e s f d mp e r m e a b i l i t y ，s t r u c t u r ea n dc o m p o s s i b i l i t ye v o l u t i o nw a ss t u d i e dt oh a v ea b e t t e ru n d e r s t a n d i n go fs f d mf o r m a t i o na n df o u l i n gm e c h a n i s m s r e s u l t ss h o wt h a t s f d me x h i b i t e do b v i o u sr e t e n t i o no fc o d ，a n da tt h es a m et i m e ，r e j e c t e dap o r t i o n o fn h 4 + - nw i t hs m a l lm o l e c u l e s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fe f f l u e n tt u r b i d i t y ， t h es f d mc a nf o r mr a p i d l yd u r i n gi n t i n a l1h ，t oa c h i e v es t r o n gs sr e j e c t i o n t h ep e r m e a t ef l u xd e c l i n e dq u i c k l y ，a n da f t e r5hi tc h a n g e ds l o w l y t h e r e s i s t a n c ei n c r e a s e dr a p i d l yi nt h ei n i t i a l5ha n dt h e ni n c r e a s e ds l o w l y t h es i t u a t i o n w a sc o n t i n u i n gu n t i ld y n a m i cb a l a n c ew a sb r e a k , a n ds f d mr e s i s t a n c ei n c r e a s e d r a p i d l ya g a i n t h er e s i s t a n c ei n c r e a s e df a s ta tt h eb e g i n n i n gb e c a u s eal o to fb i o m a s s d e p o s i t e do nt h en o n - w o v e nf a b r i c ；i tt h e ni n c r e a s e df a s tb e c a u s es m a l lp a r t i c l e s b l o c k e d ，g e ll a y e rf o r m e di nt h eb o t t o mo fs f d m a n ds l u d g ec o m p r e s s i b i l i t yi nt h e l o n g - t e r mo p e r a t i o no c c u r e d t h er e s u l t so ff t i r ，e e ma n de p sa n a l y s i ss h o wt h a te p sw a sm a i nf o u l a n t s p r o t e i nm o s t l yd e p o s i t e df r o mm i x e dl i q u o r ，w h i l ep o l y s a c c h a r i d e sp a r t l yd e p o s i t e d f r o mm i x e dl i q u o ra n dp a r t l yw a sr e l e a s e df o r mb o t t o ma n a e r o b i cb i o m a s st of o r m g e ll a y e rw i t hs u r r o u n d i n gb o t t o mb i o m a s s ，r e s u l t i n gi ni n c r e a s e dr e s i s t a n c e o nt h eb a s e o fu n d e r s t a n d i n gs f d mf o r m a t i o na n df o u l i n gm e c h n a s i m s ， m e m b r a n ef o u l i n gi nt h r e ep a r a l l e ls f d m b r so p e r a t e du n d e rd i f f e r e n ta e r a t i o n i n t e n s i t i e s ( 2 0 0 ，5 0 0a n d8 0 0l h ) w a ss t u d i e dt oh a v eab e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h e 山东大学硕士学位论文 m e m b r a n e f o u l i n g m e c h a n i s m s t h er e s e a r c hs h o w e dt h a td i f f e r e n ta e r a t i o n i n t e n s i t i e sc a nc h a n g et h es h e a rf o r c ea n dd o ，w h i c hh a sd i f f e r e n te f f e c t so ns f d m f o r m a t i o na n dt h ef o u l i n gp r o c e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a te i t h e rs m a l lo rl a r g ea e r a t i o ni n t e n s i t yh a da n e g a t i v e i n f l u e n c eo nm e m b r a n ep e r m e a b i l i t y l o wa e r a t i o n i n t e n s i t yc o u l dn o tr e m o v e u n n e c e s s a r ym a t t e r sd e p o s i t e do nt h es f d ms u r f a c e i tm e a n sl a r g ep a r t i c l ed e p o s i t e d o nt h es f d m ，t h eb i o m a s sw a sh i g ha n ds f d mf o r m a t i o nt i m ew a ss h o r t t h e f o r m e ds f d mh a sl a r g ep o r o s i t ya n dc a k er e s i s t a n c ew a sl o w , b u tr e s i s t a n c e i n c r e a s e dr a p i d l ya n dm e m b r a n ef o u l i n gw a ss e r i o u s h i g ha e r a t i o ni n t e n s i t yh a dap o s i t i v ee f f e c to nc a k el a y e rr e m o v a l i tr e s u l t e di n s m a l lp a r t i c l e d e p o s i t e do nt h es f d m ，l e a s td e p o s i t e db i o m a s s ，t h el o w e s tf l u x d e c l i n ef a t e ，t h el o n g e gt i m e ，t h el o w e s tp o r o s i t y , a n dt h el a r g e s t s p e c i f i cc a k e r e s i s t a n c e m o r e o v e r , t h el a r g ea e r a t i o ni n t e n s i t yr e s u l t e di nas e v e r eb r e a k u po f s l u d g ef l o c s ，a n dp r o m o t e dt h ee l e a s eo fc o l l o i d sa n ds o l u t e sf r o mt h em i c r o b i a lf l o c s t ot h eb u l ks o l u t i o n w h e nt h ea e r a t i o n i n t e n s i t yi n c r e a s e d t o8 0 0l h ，e p s c o n c e n t r a t i o nb e c a m eg r e a t e rt h a nb e f o r ea n dt u r n e dt ob et h em a j o rf o u l a n t s ，w i t h i n c r e a s e ds p e c i f i cc a k er e s i s t a n c ea n ds e r i o u sm e m b r a n ef o u l i n g e p sw a st h em a i n m e m b r a n ef o u l a n t k e yw o r d s ：s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n e ( s f d m ) ，a e r a t i o ni n t e n s i t y , m e m b r a n ef o r m a t i o n ，m e m b r a n ef o u l i n g ，e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i c s u b s t a n c e s ( e p s ) 8 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章文献综述 水资源短缺已成为我国目前面临的最为严峻的资源问题之一。我国作为一个 水资源非常贫乏的国家，人均水资源占有量仅为世界平均水平的i 4 ，并且受气 候和水文条件的影响，我国水资源在地域上分布极不均匀，南方出现水质性缺水 问题，北方大部分城市更是存在水源供应紧张的问题，面临着水质和水量的双重 挑战i l 。2 】。随着我国城市化进程的加快和经济的迅速发展，水资源的需求增加， 水资源不再是取之不尽，用之不竭。水源的不足成为制约我国社会和经济可持续 发展的瓶颈，而有效地开源节流也成了现阶段必须面临和思考的问题。作为开源 的首选方案，中水回用技术对水资源进行再利用，受到越来越多的重视与应用【3 】。 膜生物反应器m b r ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 作为一种先进的污水深度处理 工艺，采用微滤超滤膜进行高效泥水分离，具有出水水质优良稳定、容积负荷 高、污泥产量低等优点，是污水资源化领域的重要处理技术卜5 1 。它产生于上世 纪6 0 年代末，经过近4 0 年的技术研究和产业化推广，目前在国外一些发达国家， m b r 己经被大规模推广应用，并经有日处理上万吨的m b r 投入实际运行。 但是，膜生物反应器自身也有着诸多的不足，由于微滤超滤膜组件价格昂 贵、过滤阻力大、膜污染严重等问题，使得m b r 的初期设备投资和后期运行维 护费用都远高于传统的二级生化污水处理工艺，从而限制了膜生物反应器在我国 等发展中国家的推广和应用【5 。 在这个背景下，自生动态膜生物反应器( s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n e b i o r e a c t o r , s f d m b r ) 应运而生。s f d m b r 在继承了m b r 诸多优点的同时，还 具有膜基材造价低、操作运行方便等特点，并凭借其良好的处理效果和经济适用 性，引起越来越多专家学者的兴趣与关注0 1 。在2 0 0 9 年9 月的5 山i w a s p e c i a l i s e dm e m b r a n et e c h n o l o g yc o n f e r e n c ef o rw a t e ra n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 上，国内外众多科研人员就该工艺的进一步研发应用进行了广泛深入的交流探 讨，逐渐成为我国污水资源化领域研究的新热点。近年来，科研人员对自生动态 膜生物反应器的研发开展了广泛的研发工作，取得了不少进展。但是研究主要集 9 山东大学硕士学位论文 中在运行参数水质处理效果方面，而对于膜污染问题却鲜有研究报道。膜污染问 题严重，致使反应器运行时间极短，出水极不稳定，这限制了动态膜生物反应器 的实际推广使用。 曝气在膜面产生的水力剪切是减缓污泥沉积，控制膜污染的重要手段【1 1 q4 1 ， 也是最大的能量消耗对象。曝气对膜污染的影响机制十分复杂，其产生的水力剪 切一方面可以影响自生动态膜生物反应器中的水力环境【1 5 】，另一方面会影响混合 液的污泥性质1 1 6 - 1 9 1 ，两者均会对膜污染发生的程度产生显著影响。目前，关于曝 气强度对自生动态膜生物反应器影响的研究也十分有限，且不同曝气强度对膜污 染的影响机制也尚不明确。 本研究将通过系统研究自生动态膜形成与发展过程中形态结构及成分性质 等的变化，掌握自生动态膜的发展规律，深入了解动态膜的形成机理，为自生动 态膜生物反应器的实际运行提供试验与理论依据。在此基础上进行不同曝气强度 下自生动态膜的形成发展研究，寻找曝气强度对自生动态膜形成发展机制的影 响，为该工艺的实际规模应用提供设计与运行经验。 1 2 膜生物反应器 1 2 1 概述 m b r 是在传统活性污泥法的基础上发展而来的生物处理新工艺。它采用膜 过滤组件替代了活性污泥法中的二沉池，将膜分离单元与生物处理单元相结合， 依靠膜的过滤作用进行混合液的泥水分离【6 】。 膜的种类繁多，按分离机理进行分类，有反应膜、离子交换膜、渗透膜等； 按膜的性质分类，有天然膜( 生物膜) 和合成膜( 有机膜和无机膜) ；按膜的结构型式 分类，有平板型、管型、螺旋型及中空纤维型等。根据膜组件与生物反应器的组 合方式，可将m b r 分为分置式( r e c i r c u l a t e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r , r m b r ) ， 一体式( s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o - r e a c t o r , s m b r ) 和复合式( h y b r i dm e m b r a n e b i o r e a c t o r , h m b r ) ，如图1 1 所示。 1 0 山东大学硕士学位论文 进水污泥回流 ( a ) 分置式膜生物反应器 ( a ) r e - c i r c u l a t e dm e m b r a n eb i o - r e a c t o r 反应器 ( b ) 一体式膜生物反应器 ( b ) s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o - r e a c t o r 反应器 ( c ) 复合式膜生物反应器 ( c ) h y b r i dm e m b r a n eb i o - r e a c t o r 图1 1 膜生物反应器类型简图 r m b r 是指膜组件与生物反应器分开设置。生物反应器中的混合液经循环 泵增压后打至膜组件的过滤端，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统 处理水：固形物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。 r m b r 的特点是运行稳定可靠，易于膜的清洗、更换及增设；而且膜通量普遍 较大。但一般条件下为减少污染物在膜表面的沉积，延长膜的清洗周期，需要用 循环泵提供较高的膜面错流流速，水流循环量大、动力费用高( y a m a m o t o ，1 9 8 9 ) ， 并且泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体产生失活现象 ( b r o c k m a n na n ds e y f r i e d ，19 9 7 ) 。 s m b r 是把膜组件置于生物反应器内。进水进入s m b r ，其中的大部分污染 物被混合液中的活性污泥去除，再在外压作用( 水头压差，或真空泵抽吸) 下由 山东大学硕士学位论文 膜过滤出水。s m b r 由于省去了混合液循环系统，并且靠抽吸出水，能耗相对较 低；占地较分置式更为紧凑，近年来在水处理领域受到了特别关注。但是存在一 般膜通量相对较低，容易发生膜污染，膜污染后不容易清洗和更换等问题。为减 少膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽吸是间歇运行的。 h m b r 在形式上也属于s m b r ，所不同的是在生物反应器内加装填料，从 而形成h m b r ，改变了反应器的某些性状。 与常规废水生物处理工艺工艺相比，膜生物反应器具有以下优点【2 0 2 1 】： ( 1 ) 占地面积小 m b r 仅用一个膜分离装置就完全实现了在常规生物处理中需要用较大的二 沉池和沙滤系统才能实现的功能，工艺流程简单，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，使系统变得较为紧凑，减小了占地面积。特别 是s m b r 在一个反应器中同时实现了生物降解和泥水分离。相比于传统活性污 泥法水处理工艺，m b r 工艺能节省一半以上占地面积，可做成地面式、半地下 式和地下式。 ( 2 ) 处理水质优良稳定 m b r 对有机物的去除主要为两个方面：一方面是生物反应器内悬浮微生物 对有机物的降解；另一方面是膜对有机物大分子的截留作用。由于膜的高效固液 分离作用，分离效果远好于传统二沉池，处理后的出水极其清澈，悬浮物和浊度 接近于零，细菌和病毒被大幅去除，水质优于生活杂用水水质标准( c j 2 5 1 8 9 ) ， 可以直接作为非饮用市政杂用水进行回用。此外，膜的截留作用还可以延长大分 子物质的停留时间，使m b r 处理难降解有机物的能力得到加强。同时，微生物 也被完全被截留在反应器内，使得系统内维持稳定较高的微生物浓度，不但提高 对污染物的整体去除效率，保证良好的出水水质，同时能对进水负荷( 水质及水 量) 的各种情况适应良好，耐冲击负荷质。m b r 使泥水分离不再依靠污泥的重 力沉降，因此从根本上杜绝了污泥膨胀对出水水质和生物处理系统的影响。 ( 3 ) 容积负荷高，抗冲击能力强 m b r 实现了水力停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，h r t ) 和污泥停留时间 ( s l u d g er e t e n t i o nt i m e ，s r t ) 的完全分离，能够根据实际情况自行设计h r t 和 s r t ，满足在较短的h r t 下进行较长s r t 的运行，使反应器内维持足够高的污 1 2 山东大学硕士学位论文 泥浓度。m b r 中较高的污泥浓度不仅提高了m b r 的容积负荷，还增强了系统 抵抗冲击负荷和抵御有毒有害物质的能力，使系统运行的稳定性增强。 ( 4 ) 剩余污泥量少 m b r 较高的污泥浓度可使反应器在高容积负荷的条件下保持很低的污泥负 荷。因此，进入m b r 的基质将主要用于维持微生物的最低营养要求，使得微生 物的增殖量保持较低水平，大大减少了剩余污泥的产生。理论上，m b r 可将污 泥完全截留在反应器内，实现不排泥操作。m b r 排出的剩余污泥一般较为稳定， 可以不进行污泥消化而直接脱水，降低了污泥的处理费用。 ( 5 ) 脱氮效果高，可去除难降解有机物 增长s r t 有利于增殖慢的细菌( 如硝化细菌等微生物) 在反应器中繁殖积累。 而硝化作用的改善不仅因为m b r 可以维持较长的s r t ，还源于m b r 中污泥颗 粒较小，具有更大的周长面积比，氧传质阻力减小，硝化速率提高。另外，m b r 中污泥浓度高，因而易在污泥絮体中形成表面好氧、内部缺氧状态，所以可在同 一反应器中实现去除c o d 的同时具有良好的脱氮效果【2 2 1 。同时，难降解的有机 物在反应器中的停留时间增长，有利于提高对难降解有机物的降解效率。 ( 6 ) 操作简便，易于实现自动控制 m b r 由于构筑物少，系统结构紧凑，非常容易加工为成套设备，便于运输 和安装，可大大缩短施工期。且水力停留时间( h r t ) 与污泥停留时间( s i 玎) 的完全分离，运行控制更加灵活稳定，是污水处理中容易实现装备化的新技术， 可实现微机自动控制，从而使操作管理更为方便，大大节约了人工费。 1 2 2 研究现状 m b r 在废水处理领域中的应用研究始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 6 年，美国的 d o r r o l i v e r 公司首先将m b r 用于废水处理的研究【2 3 1 。1 9 6 8 年，s m i t h 等将好氧 活性污泥法与超滤膜相结合的m b r 用于处理城市污水，该工艺具有减少活性污 泥产量、保持较高活性污泥浓度、减少污水处理厂占地面积等优点。但当时由于 受膜生产技术所限，膜的使用寿命短，水通透量小，使其在实际应用中遇到障碍 【2 4 1 。7 0 年代后期，日本研究者根据本国国土资源紧张、地价高的特点对膜分离 技术在废水处理中的应用进行了大力开发和研究，m b r 开始走向实际应用。经 1 3 山东大学硕士学位论文 过几十年的发展，2 0 0 6 年在全球范围内运行的m b r 污水处理厂已达2 2 5 9 处， 广泛分布在美国、日本、德国、英国、新加坡、法国和埃及等十多个国家 2 5 - 2 6 1 。 我国对m b r 污水处理技术的研究工作始全面开始于1 9 9 5 年，迄今为止已 取得很大进展。目前采用m b r 处理的废水包括市政废水【2 7 3 们、石油焦化污水 3 1 - 3 2 】、含高浓度有机物和氨氮的废水陋3 4 1 、医药废水 3 5 - 3 8 】、电镀废水鲫、造纸污 水舭2 1 、印染废水【4 3 】等。对不同污水的处理效果、系统的稳定运行、操作条件的 优化等进行研究，同时针对不同废水的水质特点，将m b r 与其它生物处理工艺 相结合，在充分利用m b r 优势的同时，强化生物处理的作用与效果。 1 2 3 减缓膜污染的方法 膜污染是指在过滤过程中，被过滤料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积 导致膜渗透量下降的现象，包括膜孔吸附小分子溶质、膜孔被大分子溶质堵塞以 及膜表面形成滤饼层引起膜过滤阻力的增加【5 2 6 1 。严重的膜污染会导致过跨膜压 力急剧增大，渗透通量严重下降，膜组件更换和膜清洗频率增加，反应器运行费 用增加。膜污染从污染性质可分为可逆和不可逆污染，分别对应过滤过程中形成 的污泥层与凝胶层造成的膜过滤阻力的升高。从污染的来源可分为无机污染、有 机污染、微生物污染三种【州，其中膜污染因子主要来自于膜基材的性质、操作条 件和活性污泥混合液的性质三个方面【6 , 4 5 】。相应的减缓m b r 膜污染的有效措施 分别针对这三个方面来展开。 ( 1 ) 膜材料的改性 在m b r 膜分离过程中，除了膜孔的性质，膜表面的亲水性、荷电性、表面 能、溶质与膜表面的分子之间的相互作用等都影响分离的效果【4 5 1 。因此，膜材料 是影响m b r 处理效果的重要因素之一。研究开发强度高、通量大、耐酸碱、耐 微生物腐蚀和抗污染性能优异的膜材料成为m b r 技术推广应用的关键。对膜 材料的改性的方法有物理改性、化学改性和生物改性。 另外，利用动态膜技术开发新型廉价的微网过滤分离材料( 如：工业滤布、 筛网、筛娟、无纺布等) 实现污泥混合液的固液分离，在很大程度上降低m b r 的投资成本，具有深远的意义1 0 舶鹕】。 ( 2 ) 操作方式的优化 1 4 山东大学硕士学位论文 临界通量是指在恒通量过滤中存在的一个临界值，当膜通量大于该临界值 时，过膜压力( t r a n s m e m b r a n ep r e s s u r e ，t m p ) 迅速上升，膜污染急剧增加；当膜 通量小于这一临界值时，膜污染不发生或者增加缓慢【5 0 1 。临界通量与水力操作条 件、膜分离操作模式、料液性质以及膜本身性质有判5 1 1 。次临界通量运行是指在 一定的操作条件下，使膜通量维持在临界通量以下以获得m b r 的持续稳定运 行。研究表明，在低于临界通量下运行反应器，可以明显减缓膜污染的产生，但 超过临界通量，则会造成严重的膜污染，且为不可逆的。研究人员一般推荐在次 临界通量条件下运行m b r ，合适的膜通量和操作压力可以有效的减轻膜污染 【5 2 - 5 3 】 o 对于恒通量和恒压力两种操作方式来说，采用恒通量的操作方式在运行初期 能够避免膜面过度污染，更有利于膜的长期稳定运行1 3 】。这是因为在恒定操作压 力过滤中，通量是从超临界水平回落至稳定，在此过程中，能够堵塞膜孔的颗粒 向膜迁移，引起严重污染。 间歇操作也是控制m b r 膜污染的有效措施之一。在膜的抽吸过程中，混 合液中的颗粒物和溶解性有机物由于膜的截留作用，会在膜的表面浓缩、沉积， 产生所谓的浓差极化现象和滤饼层形成【2 l 】。在停抽过程中，由于扩散作用，膜表 面沉积的有机物会脱离膜表面向反应器内扩散。研究表明，反应器内溶解性有机 物的沉积速度与抽吸时间有关，而从膜表面的脱落程度与曝气量和停抽时间有关 i s 4 o 在反应器运行过程中，还应当优化控制h r t 和s r t ，以保持良好的污泥性 状和缓解膜污染。h a r a d a 5 5 】等发现较高的反应器负荷或缩短反应器水力停留时间 可以造成污水中溶解性有机物的积累，从而引起污泥快速增长，溶解氧迅速降低， 最终引起丝状菌过度繁殖，导致严重的膜污染。而s r t 与膜污染也有很大关系， 较短的s r t 同样能导致严重的膜污染。 ( 3 ) 活性污泥改性优化 m b r 工艺中膜污染的本质就是活性污泥与过滤膜的相互作用，因此针对活 性污泥性质优化m b r 的膜分离过程是控制膜污染有效的措施。 ( a ) 控制污泥浓度 污泥浓度与膜污染阻力呈指数关系，而且当污泥浓度增大到1 0 0 0 0m g l - 1 以 1 5 山东大学硕士学位论文 上时滤饼渗透性能会随污泥浓度的增加而急剧下降【2 6 】。而低于1 0 0 0 0m g l 1 时， 污泥浓度的变化对滤饼渗透性能的影响较小1 5 6 1 。因此，在m b r 运行过程中应把 污泥浓度控制在1 0 0 0 0m g l - 1 以下，从而保证反应器的稳定运行。 ( b ) 控制污泥粘度 污泥粘度在一定程度上会制约错流过滤过程，当污泥粘度过大时( 2 0 m p a s 1 ) ，一方面絮体更易粘附在膜表面，另一方面污泥混合液的雷诺数急剧下 降，使得反应器内的气液上升流速或水力剪切力迅速下降，无法有效的去除膜面 粘附的污染物。因此，在m b r 运行过程中，应视具体情况控制污泥混合液的粘 度。 ( c ) 控制e p s 浓度 e p s 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接在一 起，对于污泥絮体的形成具有重要作用，其成分复杂，包括多糖、蛋白质、核酸、 类脂等高分子化合物5 7 1 。研究表明，高e p s 浓度容易形成大絮体，同时对污泥 絮体之间的剪切力起到缓冲作用，阻止污泥絮体的扩散，改善污泥的过滤性能， 但过高的e p s 浓度会严重恶化膜过滤过程【5 8 】。因此，控制e p s 浓度对于减缓 膜污染具有重要的意义。在传统活性污泥法中，溶解氧浓度( d o ) 、进水水质、 p h 、温度、反应器负荷( f m ) 等会显著影响e p s 的形成，所以可通过适当的 手段控制m b r 中的e p s 浓度可以有效的减缓膜污染。 ( d ) 控制丝状菌的膨胀 污泥膨胀是活性污泥工艺中常见的病态现象，是指活性污泥由于某种因素的 改变，导致污泥结构极度松散，难于泥水分离，无法在二沉池内进行正常沉降， 影响出水水质。污泥膨胀总体上分为两类：丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀。其中， 丝状菌膨胀是最常见的现象，且丝状菌的过量繁殖会严重加剧膜污染。丝状菌过 度繁殖的控制措施主要包括灭菌、工艺运行调节、加设生物选择器等。 ( e ) 投加絮凝剂和吸附剂 污泥菌胶团的解絮会引起上清液中溶解性有机物、胶体颗粒的增加，加重膜 污染。投加絮凝剂可以破坏混合液胶体的稳定性，增强污泥絮凝能力，降低上清 液小颗粒物浓度，减缓此类膜污染。但必须控制絮凝剂或吸附剂的投加量，以减 缓无机盐沉淀引起的膜污染。 1 6 山东大学硕士学位论文 1 3 动态膜 在传统过滤工艺的研究中，m b r 工艺的发展不仅取决于工艺本身，还取决 于其经济可行性。由于膜组件价格昂贵，膜的更换频率和能耗需求较高，制约了 m b r 工艺在经济不发达地区和经济实力较差企业的推广应用。为减缓膜过滤过 程中不可避免的膜污染现象，解决膜寿命短的问题，2 0 世纪6 0 年代早期，o a k r i d g e 国家实验室最早提出了动态膜过滤技术，并开展了一系列研刭5 9 】。他们的 研究主要集中在反渗透，特别是在脱盐工艺。之后，广大的研究者开拓了思路， 将动态膜用于蛋白质的分离、食品饮料的过滤浓缩以及一些工业废水、生活污水 的过滤，开发廉价、高效动态膜生物反应器( d y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，d m b r ) 逐渐成为当前的研究热点。 1 3 1 动态膜的概念和分类 动态膜( d y n a m i cm e m b r a n e ，d m ) ，也叫动态形成膜( d y n a m i c a l l yf o r m e d m e m b r a n e ) 或原处形成膜( f o r m e d i n p l a c em e m b r a n e ) ，是用多孔支撑体过滤含 有形成动态膜物质的溶液时，在多孔支撑体表面形成的一层膜。形成动态膜的物 质可以是无机水合氧化物胶体或有机高分子物质。这类膜可以具有反渗透、纳滤 超滤或微滤的分离效果。也有学者称多孔支撑体为主膜( p r i m a r ym e m b r a n e ) ， 动态膜为次膜( s e c o n d a r ym e m b r a n e ) 【鲫。 动态膜通常被分为两类：预涂动态膜( p r e c o a t e dd y n a m i cm e m b r a n e ，p d m ) 和自生动态膜( s e l f - f o r m i n gd y n a m i cm e m b r a n e ，s f d m ) 。预涂动态膜的组成物 质与被过滤的溶液中的物质不同，通常先用多孔支撑体过滤含有成膜物质的溶 液，待动态膜在其表面形成后，再过滤待处理溶液6 1 6 2 1 。自生动态膜则是被过滤 溶液中的物质在多孔支撑体( 基材) 表面形成的，一般在食品工业中应用较多，它 的制备、冲洗等操作均比较方便，不用在过滤液中混入杂质，但形成的动态膜性 能不够稳定，比阻较大，易脱落【6 3 斟】。 1 3 2 自生动态膜的成膜和污染 膜污染问题是研究自生动态膜生物反应器的关键问题。严重的膜污染导致过 滤阻力增加迅速，反应器运行时间缩短，出水不稳定，损害该工艺的稳定性和经 1 7 山东大学硕士学位论文 济性，制约动态膜生物反应器的实际推广使用。 自生动态膜反应器中的膜污染问题相比于m b r 更为复杂且有本质区别。在 m b r 中，所有吸附沉积在分离组件( 微滤超滤膜) 上的物质均为污染物质，形 成的污泥层称之为污染层。而在膜表面形成的污泥层不仅会引起阻力升高和通量 降低，而且还会增强膜分离更小的物质，比如病毒，无机离子等。而s f d m 利 用微网基材和运行初期附着其上的污泥层来达到有效的截留分离作用的。对于 s f d m b r 中吸附沉积在分离组件( 粗孔微网基材) 上的物质依照时间顺序可分 初期吸附沉积形成用于过滤分离功能的s f d m 和后期在所形成的s f d m 上继续 吸附沉积引起s f d m 污染。因此，s f d m b r 中分离组件上的吸附沉积过程和形 成的污泥层具有两面性，必须加以甄别，不能照搬m b r 中膜污染现象的研究思 路。理解自生动态膜本身的成因及其性质，明确其规律及主控机制，是进一步优 化调控自生动态膜过滤表现的前提和基础。 目前，针对s f d m 的相关研究较多，f a n 和h u a n g t 4 6 j 曾 自生膜反应器中形 成的自生膜的特征进行了研究，借用m b r 中污染层的划分概念把整个污泥层划 分为滤饼层和凝胶层，并把整个循环周期分为了形成期( 恢复期) 、稳定期和堵 塞期。l i u 掣6 5 】借用死端过滤的四个经典公式解析了自生膜的形成过程及其结构。 同时，还有国内外部分研究者研究了不同运行工况下自生膜反应器运行效果的影 响【4 7 , 6 6 】。这些研究对s f d m b r 的运行、s f d m 的形成和特征方面均有一定的探 索，但是对自生动态膜的形成阶段发展和各阶段的结构、成份、性质变化还没能 进行系统研究。 1 4 自生动态膜生物反应器 1 4 1 研究现状 目前有关s f d m b r 的研究大多为处理生活污水或模拟废水的研究，都为一 体式动态膜生物反应器。自生动态膜生物反应器不存在成膜物质消耗问题，动 态膜脱落与再生可以在线实现，因此具有很好的潜在应用前景。特别针对我国现 阶段膜生物反应器的广泛应用受膜组件价格障碍影响的情况，自生动态膜生物反 应器成为一种良好的替代选择。近年来，科研人员针对自生动态膜生物反应器在 1 8 山东大学硕士学位论文 污水资源化领域的应用开展了广泛的研发工作，在结构的改进( 如内循环式、错 流式等) 1 0 , 6 7 - 6 8 、设计运行参数( 如曝气强度、污泥浓度、水力停留时间等) 的 优化【4 7 , 6 9 - 7 0 、微网基材( 如聚酯无纺布、聚丙烯无纺布、聚酰胺筛网等) 的筛选 7 1 - 7 3 】、动态膜污染的控制( 如次临界通量运行、曝气反冲洗等) 1 0 , 4 6 1 以及自生动 态膜生物反应器处理非城市污水( 如石油废水7 4 1 、造纸废水【7 5 1 、制酒废水等) 及与其他水处理技术( 如絮凝技术【7 6 1 、生物硅藻土技术【7 7 】等) 相结合处理特种 废水的可行性分析等研究方面都取得了一定的进展。具体阐述如下： ( 1 ) s f d m b r 的构成与运行方式 ( a ) 微网材料 动态膜生物反应器可采用筛绢、筛网、无纺布等作为膜基材，常见的是由聚 酯、尼龙和聚丙烯纤维制成的材料。范彬m 】采用孔径1 0 0 “m 的聚酯筛绢作为过 滤基材代替固定膜材料构成一体式动态膜生物反应器处理；日本丰桥大学的的 k i s o 4 剐采用1 0 0 ，2 0 0 ，5 0 0i x r n 的尼龙筛网和1 0 0 岬聚酯筛绢作为过滤基材； s e o 等【4 9 1 采用了密度为7 0 、5 0 和3 5 肿2 的聚丙烯无纺布和；f u c h s 等【4 7 】利用筛 网组成动态膜过滤系统对市政污水进行处理，效果良好；a l a v im o g h a d d a m 等【7 8 - 7 9 1 则采用了密度为1 5 9 m 之的聚酯无纺布，孔径范围为5 0 - - 2 0 0t t m ；同济大学的高 松、周增炎等研究了8 0t a n 的铁丝网对污泥的过滤性能。 ( b ) 曝气方式 与m b r 一样，膜污染也是影响自生动态膜生物反应器经济性和稳定性的一 个关键因素。研究采用的曝气方式主要有两种：组件下方直接曝气和组件侧方曝 气。k i s o 4 引、s e o 4 9 1 、a l a v im o g h a d d a m 7 9 1 、范彬【矧、初里冰【6 6 1