（环境工程专业论文）膜生物反应器处理模拟生活污水的试验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 醛，章甬 日期： 型2 ：! 量 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 蝣撇：哟新硌噼嗍型r 山东大学硕士学位论文 目录 摘要1 a b s t r a c t 2 前言3 1 研究目的和意义3 2 研究内容和路线4 第一章文献综述6 1 1 膜生物反应器( m b r ) 概述6 1 1 1 膜生物反应器的分类6 1 1 2 膜生物反应器的特点7 1 2m b r 在国内外的应用与展望8 1 3 膜污染9 1 3 1 膜污染的定义9 1 3 2 膜污染形成机理9 1 3 3 膜污染的组成1 2 1 4 膜污染的影响因素1 3 1 4 1 膜材料与膜组件的结构1 3 1 4 2m b r 的运行参数1 4 1 4 3 进水及污泥混合液的特性。16 第二章试验材料与方法2 0 2 1 实验试剂与仪器2 0 2 1 1 实验试剂。2 0 2 1 2 仪器2 0 2 2 实验装置2 0 2 3 模拟废水组成2 2 2 4m b r 启动与运行2 2 2 5 实验方法2 3 2 5 1e p s 和s m p 提取2 3 2 5 2 溶解态c o d 和胶体c o d 的提取2 6 山东大学硕士学位论文 2 5 3 水力阻力实验2 6 2 5 4 污泥样品消解2 7 2 6 实验分析项目与测试方法2 8 第三章结果与讨论2 9 3 1m b r 对各污染物的去除效果2 9 3 1 1m b r 对c o d 的去除效果2 9 3 1 2m b r 对n h 4 + - n 的去除效果3 0 3 1 3 小结3 3 3 2c o d n 对膜污染的影响3 3 3 2 1c o d n 对t m p 的影响3 4 3 2 2c o d n 对混合液特性的影响3 5 3 3 不同c o d n 下膜污染形成机理3 7 3 3 1 水力阻力实验3 7 3 3 2 高浓度的氨氮对e p s 的影响3 8 3 3 3c o d n 对污泥中多价阳离子的影响4 0 3 3 4c o d n 对s m p 分子量分布的影响4 2 第四章结论与建议4 4 4 1 结j 沧4 4 4 2 建议4 5 参考文献4 6 致谢5 4 攻读学位期间发表的学术论文。5 5 i i 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e 1 a b s t r a c t 2 p r e f a c e 3 1 p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fa r t i c l e 3 2 r e s e a c hc o n t e n ta n dr o u t eo f a r t i c l e 4 c h a p t e r1l i t e r a t u r er e v i e w 6 1 1o v e r v i e wo f m b r 6 1 1 1c l a s s i f i c a t i o no f m b r 6 1 1 2c h a r a c t e r i s t i c so f m b r 7 1 2a p p l i c a t i o na n dp r o s p e c ta th o m ea n da b r o a d 8 1 3m e m b r a n ef o u l i n g 9 1 3 1d e f i n i t i o no f m e m b r a n ef o u l i n g 9 1 3 2m e c h a n i s mo f m e m b r a n ef o u l i n g 9 1 3 3c o m p o s i t i o n so f m e m b r a n ef o u l i n gu n d e rd i f f e r e n tc o d n 1 2 1 4m e m b r a n ef o u l i n gf a c t o r s 1 3 1 4 1m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r eo f m e m b r a n e 1 3 1 4 2o p e r a t i n gp a r a m e t e r so f t h em b r 1 4 1 4 3c h a r a c t e r i s t i c so f r a ww a t e ra n ds l u d g em i x t u r e 1 6 c h a p t e r2e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n d m e t h o d s 2 0 2 1i n s t r u m e n t sa n dm a t e r i a l s 2 0 2 1 1e x p e r i m e n t a i sr e a g e n t s 2 0 2 1 2e x p e r i m e n t a l sa p p a r a t u s 2 0 2 2e q u i p m e n t s 2 0 2 3s i m u l a t e dr a ww a s t e w a t e r 2 2 2 4r e a c t o rs e t u p 2 2 2 5e x p e r i m e n t a l sm e t h o d s 2 3 2 5 1e x t r a c t i n gm e t h o do f e p sa n ds m p 2 3 2 5 2e x t r a c t i n gm e t h o do fs o l u b l ec o da n dc o l l o i d a lc o d 。2 6 山东大学硕士学位论文 2 5 3h y d r a u l i cr e s i s t a n c ee x p e r i m e n t s 2 6 2 5 4d i g e s t i o no fs l u d g es a m p l e 2 7 2 6a n a l y s i si t e m sa n dt e s tm e t h o d s 2 8 c h a p t e r3r e s u l t sa n dd i s s c u s s t i o n 2 9 3 1o v e r a l lm b r p e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tc o d nr a t i o s 。2 9 3 1 1e f r e c to fm b ro nc o dr e m o v a l 2 9 3 1 2e f f e c to f m b ro nn i - 1 4 + - nr e m o v a l 3 0 3 1 3b r i e f l ys u m m a r i z e 3 3 3 2e f f e c to fc o d nr a t i oo nm e m b r a n ef o u l i n g 3 3 3 2 1e f r e c to f c o d no nt m p 3 4 3 2 2e f f e c t so f c o d no nm i x e dl i q u o rc h a r a c t e r i s t i c s 3 5 3 3f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f m e m b r a n ef o u l i n gu n d e rd i f f e r e n tc o d n 3 7 3 3 1h y d r a u l i cr e s i s t a n c ee x p e r i m e n t s 3 7 3 3 2e f f e c t so f h i g hc o n c e n t r a t i o n sn i - 1 4 + - no ne p s 3 8 3 3 3e f f e c t so f c o d no np o l y - c a t i o n so f s l u d g e 4 0 3 3 4e f f e c t so f c o d no nm wd i s t r i b u t i o n 4 2 c h a p t e r4c o n c l u s i o n sa n d r e c o m m e n d a t i o n 4 4 4 1c o n c l u s i o n s 。轴4 4 2r e c o m m e n d a t i o n 4 5 r e f e r e n c e s 4 6 a c k n o w l e d g e m e n t 5 z l p u b l i s h e dp a p e r s 5 5 i v 山东大学硕士学位论文 摘要 如今，要解决我国城镇污水处理厂所采用的传统污水处理工艺与污水排放 要求日益严格的矛盾，发展新型污水处理技术是当务之急。在此背景下，本研 究进行了膜生物反应器( m b r ) 处理模拟生活污水的系列试验，重点考察原水 水质( c o d n ) 对膜污染的影响，为m b r 的工程化应用、优化及膜污染的控 制措施提供理论和实践研究。 在m b r 系统中，我们通常控制进水水质c o d n 比率，来达到控制膜污染 的目的。然而，原水中c o d 斛比率同样可以影响膜生物反应器中微生物的物理 化学特性和生物学特性。本实验通过平行操作两组完全相同的膜生物反应器， 其中一个给水水质c o d n 比率为1 0 ：1 ，另一个给水水质c o d n 比率为5 ：1 ； 重点研究了原水中c o d n 比率与微生物胞外聚合物的产生量之间的关系。 试验过程中，通过检测反应器中污泥粒径和污泥中阳离子含量，进一步分 析了胞外聚合物( e p s ) 和溶解性胞外聚合物( s m p ) 组成和特性。为确定膜 污染的组成，在反应器运行即将结束时( 即膜污染达到最大时) ，进行了水力阻 力实验。在此基础上，为了进一步解释反应器内高浓度氨氮对膜污染的影响， 进行了一个放大实验：用烧杯取1 0 0 0m l 活性污泥，向其中加入氯化铵，使其 最终浓度达到1g ( n h 4 + - n ) l ；分别记录活性污泥混合液中溶解态c o d 、胶体 态c o d 、多糖与蛋白的含量随时间的变化情况，并进行了对比实验。 结果表明：进水中c o d n 通过改变e p s 和s m p 的物理化学特性和生物学 特性从而影响到膜污染：在水力阻力实验中，泥饼层阻力是膜污染的最大贡献 者，膜孔堵塞阻力和不可逆污染阻力对膜污染的贡献相对较小，但由于膜孔堵 塞阻力和不可逆污染阻力不易清除，具有累积效应，对膜污染的研究更具有意 义；反应器中过剩的n i - 1 4 + 可以起到一价阳离子的作用，通过置换污泥中多价阳 离子，甚至提取污泥表面松散附着的e p s 的组分，从而形成更多的s m p ，进一 步加速膜污染。 关键词：m b r ；膜污染；c o d n 比率；e p s ；n h 4 + ；s m p 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w ，t os o l v et h ec o n t r a d i c t i o n sb e t w e e nt r a d i t i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s e su s e db yu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t sa n di n c r e a s i n g l ys t r i n g e n to f s e w a g ed i s c h a r g er e q u i r e m e n t s ，t h ed e v e l o p m e n to fn e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g yw a sap r i o r i t y i nt h i sc o n t e x t ，as e r i e so ft r i a l sw e r ec o n d u c t e dt h r o u g h t h em e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t i o nd e v i c e ( m b r ) p r o c e s s i n gs i m u l a t i o no fd o m e s t i c w a s t e w a t e r ，a n df o c u so ne f f e c to ft h er a ww a t e rq u a l i t y ( c o d n ) o nm e m b r a n e f o u l i n g ，a n dp r o v i d eat h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lr e s e a r c hf o rm b re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s ，o p t i m i z a t i o n ，a n dc o n t r o l l i n go f m e m b r a n ef o u l i n g i n f l u e n tc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d n i t r o g e n ( c o d n ) r a t i oi su s e dt oc o n t r o l f o u l i n gi nm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) s y s t e m s h o w e v e r , c o d na l s oi n f l u e n c e s t h ep h y s i c o c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e so fm b rb i o m a s s t h r o u g ho p e r a t i n g t w oi d e n t i c a ls u b m e r g e dm b r sw i t hd i f f e r e n tc o d nr a t i o so f1 0 ：1a n d5 ：1 ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o d nr a t i oi nf e e dw a s t e w a t e ra n de 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 ) p r o d u c t i o ni n m b r sw e r ee x a m i n e d i nt h i s s t u d y ，c a t i o n c o n c e n t r a t i o na n df l o c - s i z eo fs l u d g ew e r em e a s u r e ds e p a r a t e l y ，a n dt h ec o m p o s i t i o n a n dc h a r a c t e r i s t i c so fb o u n de p sa n ds o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ( s m p ) u n d e re a c h c o d nr a t i ow e r ea l s oe x a m i n e d i no r d e rt od e t e r m i n et h ec o m p o s i t i o no f m e m b r a n ef o u l i n g ，h y d r a u l i cr e s i s t a n c ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e da tt h ee n do f r e a c t o ro p e r a t i o n t of i l r t h e ru n d e r s t a n d i n gt h ee f f e c to fh i g hc o n c e n t r a t i o n sn h 4 + - n o nm e m b r a n ef o u l i n g ，b a t c ht e s t sw e r ec o n d u c t e d ：t a k e1la c t i v a t e ds l u d g ei na b e a k e r ，a n da d da m m o n i u mc h l o r i d et oaf i n a lc o n c e n t r a t i o no fig ( n h 4 + - n ) l ，a n d t h e nr e c o r dt h ec o n t e n t sc h a n g e so fd i s s o l v e dc o d ，c o l l o i d a lc o d ，p o l y s a c c h a r i d e s ， a n d p r o t e i no v e rt i m e r e s u l t ss h o w e dt h a ti n f l u e n tc o d nr a t i oc o u l da f f e c tm e m b r a n ef o u l i n g t h r o u g hc h a n g i n gt h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fe p sa n ds m p h y d r a u l i c r e s i s t a n c e e x p e r i m e n t ss h o w e dc a k er e s i s t a n c em a k e sam a i nc o n t r i b u t i o n t o m e m b r a n ef o u l i n g m o r e o v e r , e x c e s s i v en h 4 + i ns u p e r n a t a n tc o u l df a c i l i t a t et h er o l e o fn h 4 + a sm o n o v a l e n tc a t i o n ，t h er e p l a c e m e n to ft h ep o l y v a l e n tc m i o ni ns l u d g e ， a n de v e ne x t r a c te p sc o m p o n e n t sf r o mt h es u r f a c eo ft h es l u d g et of o r mn e ws m p k e y w o r d s ：m b r ；c o d nr a t i o ；m e m b r a n ef o u l i n g ；e p s ；n h 4 + ；s m p 2 山东大学硕士学位论文 1 研究目的和意义 前言 水，既是经济社会发展的重要物质基础，也是维护国家安全不可替代的自 然资源。我国是一个干旱缺水严重的国家，且时空分布不均，人均水资源不足， 是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一【l 】。随着我国人口的增长、工业化、 城市化的进一步发展，缺水问题已经成为制约经济社会发展的重要因素之一。 然而与此同时，我国每年从城市排放大量工业废水和生活污水。根据国家环保 总局颁布的( ( 2 0 1 0 年中国环境状况公报统计，2 0 1 0 年，全国废水排放总量为 6 1 7 3 亿吨，比2 0 0 9 年增加4 7 ；其中，工业废水年排放量2 3 7 5 亿吨，生活 污水年排放量为3 7 9 8 亿吨。大量的废水外排，不仅严重污染了水环境，并进 一步加剧了水资源紧缺的矛盾。 实践证明，污水资源化技术是解决这一问题的有效途径。以活性污泥法为 代表的传统污水处理工艺，已难以满足污水深度处理与回用的要求。因此，近 十年来，国内外研究人员为缓解水污染问题，提高工业废水和城市污水的回用 率，相继开发出各种水处理技术及工艺。其中，膜分离技术，膜。生物反应器 ( m b r ) 被广泛研究，m b r 被认为是最具有发展前景的水处理技术之一【2 4 1 。 美国、日本等发达国家已将膜技术列入2 1 世纪优先发展的高新技术；我国在 2 0 0 0 年也将膜产业列为国家重点支持的2 2 项化工产业之一，并对膜生物反应 器处理污水技术设立为国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题进行研究。 随着研究和开发的不断深入，m b r 技术发展极为迅速。该技术具有占地面 积小、允许高浓度的微生物环境、固液分离迅速、剩余污泥产量较传统工艺低、 出水水质质量高以及出水稳定等独特的优点，己广泛应用于各种废水处理及污 水回用等诸多领域【5 4 】。根据报道【8 1 ，截至2 0 0 8 年底，全球最大的m b r 项目位 于阿拉伯迪拜朱美拉( j u m e i r a h ) 的工程( 2 2 万吨天) 己签约开建；我国也已 有多个正在运行和建设中的l o 万吨级m b r 工程。因此，m b r 在各种废水处 理及中水回用领域将占据重要的位置。 本文通过m b r 处理模拟生活污水的试验，为m b r 处理生活污水工程化应 山东大学硕士学位论文 用提供了可行性研究，重点研究了原水水质c o d n 比率对膜污染的影响，从而 找到一个新的膜污染控制方法，阐明了c o d n 比率对膜污染的机理，对m b r 技术的推广和膜污染的控制措施奠定了理论基础，在膜污染控制的应用中具有 实际指导意义。 2 研究内容和路线 2 1 研究内容 本课题选用两组不同的c o d n 比率( 其中一组c o d n 比率为1 0 ：1 ，另一 组为5 ：1 ) 进行实验，通过研究反应器内s m p 与e p s 特性的区别来揭示原水碳 氮比对膜污染的影响及膜污染的形成机理。本研究的主要内容包括： ( 1 )以连续运行一体式m b r 处理模拟生活污水为研究体系，考察m b r 对模 拟不同碳氮比生活污水的处理效果。测定并比较相关污染物指标在处理 前后的差异，为m b r 处理生活污水的工程化应用提供参考。 ( 2 ) 对比研究不同c o d n 下污泥混合液的特性，为揭示c o d n 对膜污染的 影响提供参考。 ( 3 )以阻力实验划分膜污染达到试验预设极限时的膜污染组成，决定膜污染 的最大贡献者。由膜污染组成及混合液的特性得出混合液各特性与膜污 染各组成之间的相互关系，为研究膜污染组成的形成提供依据。 ( 4 ) 通过测试反应器内污泥中多价阳离子的含量并进行放大实验，研究反应 器内高浓度的氨根离子对活性污泥及混合液特性的影响。 ( 5 ) 通过测定反应器内上清液及出水的分子量分布，进一步揭示c o d n 对膜 污染的机理。 4 山东大学硕士学位论文 2 2 技术路线 实验技术路线见图1 。 测t 图1 研究技术路线 f i g 1t e c h n o l o g yr o u t eo fr e s e a r c h i j 东大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 膜生物反应器( m b r ) 概述 膜生物反应器简称m b r ，是当今世界上公认的先进的污水处理和污水资 源化技术，它是一种将膜( 微滤、超滤) 分离技术与生物降解技术相结合而形 成的一种新型、高效的水处理技术。目前，该技术已在欧洲、北美及亚洲的一 些国家得到较快的发展，并已在水处理的许多领域得到应用9 1 。随着我国社会 经济的高速发展和人口的增长，尤其是工业发展对水资源的需求越来越大，水 资源短缺问题日益显著。为缓解水资源短缺问题，提高水资源有效再生利用， 近年来国内研究人员开始将此项技术应用于废水资源化并取得了阶段性研究成 果【10 1 。 1 1 1 膜生物反应器的分类 在膜生物反应器中，通常按膜组件与生物反应器结合方式的不同，我们将 m b r 分为一体式膜生物反应器和分置式膜生物反应器，这两种膜生物反应器也 是目前应用最为广泛的膜生物反应器。 1 ) 一体式膜生物反应器 一体式膜生物反应器，又称浸没式膜生物反应器，如图1 1 所示。 图1 1 浸没式膜生物反应器 f i g 1 1s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r 这种反应器直接将膜组件置于生物反应器内，以真空泵或其它类型的泵为 动力驱动，从而达到固液分离的目的。一体式膜生物反应器能够高效的进行固 山东大学硕士学位论文 液分离，出水水质稳定，可直接用于中水回用；结构紧凑，体积小，是传统占 地面积的1 4 1 2 ；工作压力小，动力消耗较少，仅约为分置式的1 1 0 ；无需污 泥回流，污泥产量少，节省了污泥处理处置费用等优点。同时也存在由于膜组 件中膜表面流速小，易污染，并且清洗较麻烦的不足。 2 ) 分置式膜生物反应器 分置式膜生物反应器的膜组件与生物反应器分开设置，相互独立，生物反 应器和膜组件之间通过泵与管路相连接，如图1 2 所示。 图1 2 分置式膜生物反应器 f i g 1 - 2e x t e r n a lm e m b r a n eb i o r e a c t o r 出水 生物反应器内的混合液由泵增压后进入膜组件，在压力作用下，通过膜的 滤液成为系统的出水；活性污泥、大分子物质被膜截留并回流到生物反应器内 1 1 1 1 。分置式膜生物反应器同样能够高效的进行固液分离，出水水质稳定，同时 由于膜组件与生物反应器之间是相互独立运行，因而相互干扰较小，易于调节 控制，反应器的组合较为灵活，便于膜的清洗和更换；操作管理方便，易于对 现有污水处理设施进行升级改造。为了减少污染物在膜表面的沉积，通常要求 循环泵提供的料液流速很高，造成膜表面高速错流，使其延缓膜污染，这也是 分置式m b r 系统运行费用较高的原因。通常每吨出水的能耗约是传统活性污 泥法的1 0 2 0 倍。 1 1 2 膜生物反应器的特点 m b r 利用膜的高效分离作用，能够完全取代传统污水处理工艺中二沉池的 功能。因此，与传统污水处理工艺相比，m b r 具有新的特点【1 2 】： ( 1 ) 工艺设备紧凑，占地面积小。m b r 可以维持较高的污泥浓度，污泥 浓度( m l s s ) 通常可以达到8 - 2 0g l ，是传统污水处理工艺的2 5 5 倍；并且， 山东大学硕士学位论文 仅用一个膜分离装置就可以实现常规生物法处理过程中所需用的较大二沉池和 沙滤系统才能实现的功能，使其系统变得更加紧凑，减少了占地面积。 ( 2 ) 处理效率高，出水水质好。膜组件的高效分离和截留作用，能够彻底 去除出水中的固体物质，并且解决了活性污泥膨胀引起的二沉池泥水分离和水 质恶化等问题。对于膜孔径小于0 1 岬的m b r ，能够去除一般的细菌，甚至 病毒，出水无须消毒即可直接作为回用水使用。 ( 3 ) 运行控制灵活，操作维护简单，易于实现自动化管理。m b r 能够使 活性污泥完全截留在生物反应器内，从而实现水力停留时间( 瑚玎) 与污泥停 留时间( s r t ) 的完全分离，运行控制灵活。 ( 4 ) 剩余污泥产量低。m b r 可以维持较高的污泥浓度，使反应器一直处 于较低的有机负荷( f m ) 下运行，可以有效减少活性污泥产量，在某些情况 下，甚至可以实现不排泥的操作。 然而，m b r 仍存在一些问题，制约着该技术的发展与工业化应用。具体表 现为： ( 1 ) 基建费用及运行成本高”】。m b r 的基建费用主要体现在膜组件的价 格较贵，且使用寿命较短。例如天津膜天公司生产的中空纤维膜价格为3 0 0 元 ，m 2 ，而中科院物理研究所生产的平板膜价格可高达4 8 0 元m 2 【1 4 】。另外，由于 m b r 通常在较高的污泥浓度下运行，导致氧的传质速率较低，需要更多的供氧 量，以保持反应器内的含氧量，这就增加了m b r 的运行成本。 ( 2 ) 膜组件易于污染，维护管理复杂。膜污染一直是制约m b r 大规模商 业化应用的难题。膜污染不仅大大增加了m b r 的运行成本，同时也缩减了膜 组件的使用寿命。 1 2m b r 在国内外的应用与展望 m b r 作为一种先进的污水处理与污水资源化技术，起源于2 0 世纪6 0 年代 的美国。1 9 6 9 年s m i t h 等人将膜分离技术与活性污泥法相结合，成功应用于处 理城市污水，开创了m b r 技术的先河。但由于当时膜的生产技术水平较低， 而且生产成本较高，m b r 在实际生产与应用过程中受到了限制和阻碍。直到进 入2 0 世纪7 0 年代以后，日本为缓解国内水污染问题，提高污水回用率，开始 山东大学硕士学位论文 对m b r 投入大量的开发与研究工作，日本省还制定了“q u ar e n a i s s a n e9 0 计 划，着重对膜材料及其分离装置进行研究与开发【l5 i 。m b r 所具有的独特优点， 使其在日本得到快速发展。进入2 0 世纪9 0 年代，m b r 工艺已经被越来越多的 国家接受，并广泛应用于各种废水处理中。目前，该处理技术正处于快速发展 阶段，尤其是在欧洲、北美及亚洲一些国家，对m b r 的研究也更加全面、深 入，应用领域更加广泛。 m b r 技术在我国的研究起步较晚，始于9 0 年代末。近年来由于我国经济 的快速发展，水资源短缺与水污染问题日益严重，使得m b r 技术在我国的发 展较快。目前我国在m b r 的研究方面已经取得了很大的成效，许多高校与科 研单位都在从事m b r 工艺的理论与科学工作的研究，但国内工程应用的实例 仍较少，因此，推动m b r 工艺工业化应用是我们今后研究的重点。 1 3 膜污染 1 3 1 膜污染的定义 膜污染一直是影响m b r 工程化应用的重要因素之一。因此，膜污染的定义 显的尤为重要。膜污染的定义有很多，至今没有统一的定义。一般认为，膜污 染是指m b r 反应器中的有机物( 胶体粒子或溶质大分子) 、无机物以及活性污 泥微生物等，与膜组件存在物理化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔 内吸附、沉积造成膜孔径变小或者塞，最终使其膜组件通量、过膜压力( t m p ) 或分离特性发生改变。 1 3 2 膜污染形成机理 膜污染是活性污泥混合液中各组分与膜之间相互作用的结果。由于污泥混 合液中包含各种有机物、无机物以及活体微生物细胞等，使得膜污染机理变得 更加复杂。目前，膜污染的主要机理是：膜在外界驱动力的作用下，使溶剂透 过膜发生迁移时，溶质在膜表面上逐渐积累，当其浓度超过主体浓度时，造成 浓差极化现象，溶质则从膜表面区域向主体溶液中反向扩散，靠近膜表面越近 的区域，溶质的浓度就越大；当溶质浓度达到或超过溶质在混合液中的饱和溶 解度时，溶质将会在膜表面析出，形成凝胶层，造成膜通量减少或t m p 增加， 从而引起膜污染【) ，浓差极化过程如图1 3 所示。 9 山东大学硕士学位论文 胍纛凰l 图1 3 膜污染的浓差极化过程【8 】 f i g 1 - 3c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n l e c l e c h 则认为7 | ，膜污染主要是由于污泥颗粒在膜表面长期的沉淀、累 积，导致膜表面泥饼层性质恶化，释放更多的污染物质，联合混合液中的胶体 和有机质吸附或堵塞在膜表面上及孔隙内，造成膜污染。 m b r 通常在恒定通量下运行，以t m p 的变化速率来反应膜污染的情况。 z h a n g 和c h o 等人【1 8 ，1 9 】的研究表明，m b r 在临界通量以下运行也会产生膜污染， 并且提出膜污染的三阶段式理论，即初始污染、缓慢污染和t m p 跃升。m b r 在临界通量下运行的膜污染增长趋势如图1 4 所示。 图1 - 4 膜污染增长趋势【2 0 】 f i g 1 - 4p r o c e s so f m e m b r a n ef o u l i n gg r o w t h m b r 处于不同运行阶段，具有不同的污染机理。恒定通量下，膜污染的机 理如图1 5 所示。 山东大学硕士学位论文 扫 扫 扫 图1 5m b r 在恒定通量下运行的污染机理【1 8 】 f i g 1 5t h em b rf o u l i n gm e c h a n i s mi nc o n s t a n tf l u x 在膜污染的三个阶段中，第一阶段为初始污染，发生在m b r 运行期，膜 面与混合液中的污染物之间发生强烈的相互作用，通常作用时间很短，并且对 总体膜污染的贡献不大。因此，有关膜初始污染的机理的研究不多。 第二阶段为缓慢污染阶段，在该阶段，膜与混合液中污染物的相互作用已 趋向平衡，m b r 在该阶段稳定运行，并且膜污染增长缓慢。阶段2 能够有效的 控制膜污染，对m b r 的整个操作运行至关重要，在该阶段运行的反应器，能 耗相对低且出水水质稳定。 第三阶段为t m p 跃升阶段，m b r 在经过一段较长时间的运行后，t m p 会 实现突然升高或“跃升 的现象，该阶段持续时间相对较短，膜污染速率急剧 增快。因此，如何控制或者减缓该阶段的出现成为膜污染研究的重点。 目前有关t m p 跃升阶段膜污染机理的研究有很多。c h o 和y e 等人【1 9 ，2 1 1 提 出了不均一污染模型，由于膜污染的持续累积，导致膜通量发生改变，膜的部 分区域由于膜孔堵塞，在临界通量以上运行，从而加速了膜污染。另有研究者 提出了“渗滤理论”1 2 2 1 ，该理论认为，随着过滤的持续进行，颗粒物不断沉积 山东大学硕士学位论文 到滤饼层内，从而造成污染层孔隙率逐渐减小，破坏了滤饼层的连通性和抵抗 力，最终导致t m p 的迅速增高。还有研究者认为吣2 3 1 ，该阶段的膜污染急剧 增加不单因为临界通量改变，更加重要的是膜表面泥饼层的结构、组成和特性 都随着运行时间的增加而改变，使得泥饼层物理化学特性和微生物学特性变差。 1 3 3 膜污染的组成 从膜污染物质的组成上看，污染的膜组件主要包括污泥颗粒、胶体物质以 及溶质分子三种。因部分胶体和溶质分子与膜孔径大小相等，甚至小于膜孔径， 在膜过滤初始阶段，会在膜孔隙内吸附沉积。污泥颗粒和大分子的胶体物质由 于比膜孔径大，沉积在膜的表面，随着过滤的进行，在膜表面逐渐形成泥饼层。 泥饼层的形成，标志着反应器进入稳定运行阶段。此时，起过滤作用的主要是 由泥饼层形成的二级动态膜，而不是膜本身。随着泥饼层的增厚，孔隙会越来 越小，甚至可以截留大分子的胶体和溶质分子。此时，对膜造成污染的物质主 要是少量透过泥饼层的小分子胶体物质和溶质分子，在膜孔内的吸附沉积，膜 污染变得缓慢。 不同污染物质在膜表面或膜孔内吸附沉积，均会造成膜污染，引起t m p 增 加。根据膜污染物质清洗的难易程度，可以将膜污染划分为：可逆污染、不可 逆污染和不可恢复性污染三种。目前，对不可逆污染和不可恢复性污染的概念 较混乱，不同的研究者有着不同的定义。 可逆污染主要是指，由污泥颗粒形成的泥饼层以及由胶体物质形成的部分 凝胶层，松散地附着在膜表面上造成的污染，可以通过物理反冲洗作用去除。 不可逆污染是指，污染物在膜孔隙内造成的堵塞和紧密附着在膜表面的凝 胶层；由于污染物与膜面或膜孔内的紧密结合，简单的物理反冲洗并不能有效 去除这部分污染物质，需用化学清洗的方法才能去除。 不可恢复性污染，主要是指不管用什么方法