（环境工程专业论文）膜基材料对动态膜生物反应器运行特性的影响.pdf

摘塑 膜基材料对动态膜生物反应器运行特性的影响 东南大学 硕士研究生：林玉姣导师：傅大放教授 摘要 本文选用四种膜基材料：聚酯无纺布、聚丙烯无纺布、聚酯筛网和尼龙筛网，在动态膜反应 器中处理模拟生活污水。在对膜材料的亲水性、孔隙率、渗透系数等物理性能进行比较的基础上， 分别研究了挂膜特征、通量变化及处理效果。系统分析了混合液的上清液、活性污泥和出水性质， 同时对产生的膜而物质进行考察，得到实验结果如下： 通过清水试验得到四种材料的亲水性依次为：聚酯无纺布、聚丙烯无纺布、聚酯筛网、尼龙 筛网。在试验工况- 卜，无纺布表面粗糙，亲水性好，挂膜好且不易脱落，一周左右可形成较为稳 定的动态膜；筛网表面光滑，亲水性差，挂膜容易脱落，需采用适度的曝气强度，大约2 3 周可 形成稳定的生物膜。动态膜生物反应器( d m b r ) 对c o d 、n h 3 - n 、t p 的平均去除率分别可达 9 4 、8 6 、1 5 。 进行四种材料动态膜生物反应器的混合液性质、出水性质及膜面物质分析，并研究以上因素 与膜阻力的关系。 聚酯和聚丙烯无纺布作膜基材料，试验期间混合液的上清液中蛋白质和多糖含量基本保持稳 定；聚酯和尼龙筛网作膜基材料的试验过程中，多糖和蛋白质随着阻力的缓慢上升含量逐渐增加。 进行物理清洗后，多糖的含量变化随阻力变化明显。混合液中的胞外聚合物含量与阻力变化具有 密切相关性。胞外聚合物中的多糖随阻力变化保持稳定，但蛋白质含量随阻力变化波动，与阻力 有明显的相关性。四种膜基材料在相同的运行周期下，膜材料耐污染程度依次为：聚酯无纺布、 聚丙烯无纺布、聚酯筛网、尼龙筛网。无纺布材料要好于筛网。 无纺布出水中多糖变化稳定，蛋白质随阻力变化而变化，与阻力明显相关；筛网出水，蛋白 质和多糖与阻力均有一定相关性。 膜面可逆污染层的厚度和质量对膜阻力的贡献不大，不可逆污染层对膜阻力增加起主要作用。 可逆污染层多糖和蛋白质的含量与膜阻力无明显关系，不可逆污染层多糖和蛋白质含量均与膜阻 力具有密切相关性。膜面物质的胞外聚合物e p s 对膜污染有极为显著的影响，蛋白质是e p s 的主 要成分，在不可逆污染层中对膜阻力贡献较大。 关键词：动态膜生物反应器；膜基材料；胞外聚合物；蛋白质；多糖 东南人学坝l j 学位论义 e f f e c t so ff i l t e rm a t e r i a l so n o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a s t e rg r a d u a t es t u d e n t ：l i ny u - j i a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rf ud a f a n g a b s t r a c t t h ep i l o t - s c a l ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e db ys y n t h e t i cd o m e s t i cw a s t e w a t e rw i t hd y n a m i c m e m b r a n eb i o r e a c t o ru s i n gf o u rm a t e r i a l s ：p e 玎n o n - w o v e n , p pn o n - w o v e n p e tm e s h , p v am e s h i n t h es t u d y ，t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e s ，h y d r o p h i l i c ，b i o - f i l ma n a l y s i s , f l u x , t r e a t m e n te f f e c to fm e m b m e m a t e r i a lw e r ei n v e s t i g a t e df o rac o m p a r a t i v ea n a l y s i s a l s ot h ea n a l y s i so ft h em i x t u r e ，a c t i v a t e d s l u d g e ，p e r m e a t e , a n dt h ef o u l a n t so nt h es u r f a c eo f m e m b r a n e sw a sc a r d e do u t t h er e s u l t so b t a i n e di nt h i s s t u d yd e m o n s t r a t e dt h a tt h eh y d r o p h i l i cs t r e n g t ho ff o u rm a t e r i a l si n d e c r e a s i n go r d e rw e r e ：p e tn o n - w o v e n , p pn o n - w o v e n , p e tm e s h , p v am e s h b e c a u s eo fr o u g h s u r f a c ea n dg o o dh y d r o p h i l i c ，n o n - w o v e ns u r f a c ef o r m e ds t a b l ed y n a m i cm e m b r a n ei na b o u to n ew e e k u s i n ga r t i f i c i a lw a s t e w a t e ri nt h et e s tc o n d i t i o n , w h i l em e s hs u r f a c en e e d e da p p r o p r i a t ed e g r e eo f a e r a t i o n i n t e n s i t yt of o r mas t a b l eb i o f i l ma b o u t2t o3w e e k s t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f c o d , n h 3 - n ，t pw e r e 叩t o9 4 8 6 1 5 i nd m b r t h en a t u r eo f t h em i x t u r e , e f f l u e n ta n dt h ef o u l a n t so nm e m b r a n es u r f a c ew e r ea n a l y z e da n df o u n dt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nr e s i s t a n c ew i t ht h e s ef a c t s n o n - w o v e nf o rf i l m - b a s e dm a t e r i a l s ，p o l y s a c c h a d d e sa n dp r o t e i n sc o n t e n tr e t a i n e db a s i cs t a b i l i t y m e s hf o rf i l m b a s e dm a t e r i a l s p o l y s a c c h a r i d e sa n dp r o t e i n sc o n t e n tg r a d u a l l yi n c r e a s e dw j t ht h e r e s i s t a n c es l o wr i s i n g , t h ep o l y s a c c h a r i d ec o n t e n tc h a n g e ds i g n i f i c a n t l yw i t hc h a n g e si nr e s i s t a n c ea t t e r p h y s i c a lc l e a n i n g t h ee x t r a c e l l u l a rp o l y m e rc o n t e n ti nt h em i x t u r eh a sc l o s ec o r r e l a t e dw i t hr e s i s t a n c e t h ee x t r a c e l l u l a rp o l y s a c c h a r i d er e m a i n e db a s i c a l l ys t a b l ew i t hr e s i s t a n c e ，b u tt h ep r o t e i nc o n t e n t c h a n g e dw i t ht h ea p p a r e n tr e s i s t a n c e f o u l i n gd e g r e eo f t h ef o u rf i l t e rm a t e r i a l si nt u r n ：p o l y a m i d em e s h , p o l y e t h y l e n em e s h ，p o l y p r o p y l e n en o n - w o v e n , p o l y e t h y l e n en o n - w o v e ni nt h es a m eo p e r a t i o nc y c l e n o n - w o v e nw a ss u p e r i o rt om e s hi nt e t m so fp r e v e n t i o no fi r r e v e r s i b l ef o u l i n gi nd m b ru s e df o r t r e a t m e n to f d o m e s t i cs e w a g e p o l y s a c c h a r i d eo f n o n - w o v e ne 用u e n tr e t a i n e db a s i cs t a b i l i t y , p r o t e i nc o n t e n tv a r i e dw i t ht h er e s i s t a n c e a n dw a s o b v i o u s l yc o r r e l a t e dt or e s i s t a n c e ；t om e s he f f l u e n t , p r o t e i na n dp o l y s a c c h a r i d ew e r ec e r t a i n r e l e v a n c ew i t hr e s i s t a n c e t h i c k n e s sa n dq u a l i t yo fr e v e r s i b l ep o l l u t i o nl a y e ro nt h em 锄b 舢es u r f a c el i t t l er e l a t e dt or e s i s t a n c e , i r r e v e r s i b l ec o n t a m i n a t i o np l a y e dak e yr o l eo nm e m b r a n er e s i s t a n c e e p si no r g a n i cm a t t e ro nt h es u r f a c e o ft h e m a t e r i a l sh a v eh i g h e ra f f i n i t i e sw i t ht h em e m b r a n er e s i s t a n c et h a nd oo t h e rf r a c t i o n sa n d c o n s e q u e n t l yc a u s e dg r e a t e ri r r e v e r s i b l ef o u l i n g t h ep o l y s a c c h a r i d ea n dp r o t e i nc o n t e n t si nt h er e v e r s i b l e l a y e rh a v en oc o r r e l a t i o nw i t ht h em e m b r a n er e s i s t a n c e , w h i l eb o t hp r o t e i na n dp o l y s a c c h a r i d ec o n t e n t si n t h ei r r e v e r s i b l el a y e rh a v es i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nw i t hm e m b m er e s i s t a n c e k e yw o r d s ：d y n a m i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r s ；m e m b r a n em a t e r i a l ；e p s ；p r o t e i n ；p o l y s a c e h a r i d e s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。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 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我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了谢意。 研究生签名： 越五岛日期： 鑫碰庄! 主! 占厶 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盐叁逸导师签名： 第一搴绪论 第一章绪论 目前，随着我国社会经济发展和人口的增加，水环境污染的加剧和用水量的增加，有限的水 资源口益紧张。2 0 0 6 年的中因环境状况公告公布，我国淡水资源地表水水质ib i l l 类，、 v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 矛1 12 8 。七人水系中松花江、黄河、淮河为中度 污染，辽河和淮河为重度污染。全国6 7 0 多个城市就有4 0 0 多个缺水，其中有1 0 8 个严重缺水。 我国的水资源时空分布不均，北方干旱少雨，属。资源性缺水；南方降雨量充沛，河湖众多，水 资源丰富。随着经济的发展速度加快，工业生产规模扩张，但相应的环保体系没有及时跟上，污 水量急剧增加，河湖污染严重，致使南方水质性缺水。水资源的危机给社会经济的发展带来了 严峻的危机。 水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切需要适合时代发展的污水资源化技术，以缓 解水资源的短缺现状，于是近年来各种新型、改良犁的高效废水处理技术应运而生，其中膜分离 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。 1 1 膜生物反应器的发展和特点 1 1 1 膜生物反应器的发展由来 由于水资源的消耗量增加和自然界淡水资源的短缺，废水的再生或回用成为迫切要求。二沉 池的排放出水水质尚且难以达到中水同用的标准，冈此二沉池的出水还需要经过进一步的过滤、 活性炭吸附、杀菌消毒甚至反渗透等三级处理1 2 1 。这样的t 艺较为复杂，而且还有化学处理产生 的沉淀污泥。膜制作技术的进步促进了用超滤或微滤膜取代三级处理以简化二i ：艺过程的尝试，工 艺的进一步发展最终导致了用超滤或微滤膜取代二沉池的工艺方法1 3 j 。膜生物反应器( m b r ) 工 艺可以追溯剑1 9 6 0 年后期，u f 和m f 膜- t 艺_ t 业规模应用已产生。最初的工艺是美国d o g - o l i v e r 公司研究用超滤膜和活性污泥反应器相结合处理生活污水，当时的工艺被称为外置式膜生物反应 器。尽管膜生物反应器相对于活性污泥法具有结构紧凑、占地面积小的特点，但是由于膜组件、 动力消耗成本较高，以及膜污染的问题，仅限应用丁私人停车场或旅游度假区等特殊的小生态环 境p 1 。1 9 8 9 年，日本y a m a m o t o 等1 5 i 对中空纤维式膜组件置于活性污泥反应器的膜生物反应器形 式进行了研究。结果发现在有机负荷为1 5 k g - c o d m 3 dh r t 为4 小时的条件。f ，稳定运行1 2 0 天 后，其c o d 去除率大于9 6 ，6 0 0 , 4 的氮可g a 亮- t 间歇曝气去除。该试验成为一体式膜生物反应器 应用的开端。 东南人学帧 。学位论文 1 1 2 膜生物反应器的类型与特点 m b ri ：艺是生物处理j 膜分离技术相结合的新型污水处理i ：艺。在m b ri ：艺中，膜分离取 代传统的重力分离，由丁膜可以实施精确的同液分离，m b ri ：艺可以获得优质的出水。m b r 主 要由生物反应池和膜组件组成。根据膜组件放置的位置，分为分置式、一体式和复合式膜生物反 应器”。 膜乍物反应器采j j 膜分离技术代替传统的重力分离，克服了传统一l ：艺中出水水质不稳定，污 泥容易膨胀的缺陷，具有以卜突出优点： 能够高效地进行同液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，出水水质良好，出水悬浮 物和浊度接近于零，可直接回用，实现污水资源化。 膜的高效截流作用，使微生物完全截流在反应器内，实现了反应器水力停留时间( 卜玎) 和污泥龄( s r t ) 的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。 反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷。 有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得以提高。通过运行 方式的改变亦可有脱氮和除磷功能。 泥龄k 。膜分离时污水中的大分子难降解成份，在体积有限的生物反应器内有足够的 停留时间，大人提高了难降解有机物的降解效率。反鹿器在高容积负荷、低污泥负荷、长污泥龄 下运行，可以实现基本无剩余污泥排放。 系统采用p c l 控制，可实现全程自动化控制。 占地面积小，工艺设备集中。 总之，膜生物反应器具有许多其他污水处理方法所不具备的优点，特别是出水水质可以满足 目前最严格的污水排放标准，甚或今后更加严格的排放标准。但是也存在膜污染、膜清洗和膜更 换以及能耗高等问题，有待丁研究解决。 1 2 动态膜技术的历史和现状 m a r d i n k o w s k y l 7 1 等人于1 9 6 6 年首先发现，在m b r 的运行过程中膜表面会形成一层污泥层， 该污泥层能造成过流阻力增加、通量衰减，但同时也有利于小粒子的截留，提高山水水质，好像 在原有膜基础上又增加了层膜，利用此污泥层对生物反应器的混合液进行固液分离，称之为动 态膜。动态膜是分离膜中比较特殊的一种，因其具有渗透通量大的优点而受到关注，动态膜的研 究始于反渗透，之后扩展到超滤l s j 用于蛋白质的同收、果汁过滤及废物生物处理。因动态膜以 固定膜材料作为支撑体而形成，因此也被称为二次膜( s e c o n dm e m b r a n e ) 。 与吲定膜相比，动态膜主要有两个潜在的优点：一是可以显著降低膜组件的成本；二是膜污 染控制方法比较简单。由于动态膜具有动态性，以及可以在现场制备的特点，一旦发生膜的污染， 可以将失去通透能力的动态膜胶体层清除，然后重新生成新的动态膜。 2 2i 曲态膜f i n n l 成肚分粪 动奄膜t 监劬态月女萆剌动态膜分离层绀成。住木j b 成动态脱的 n 州i ，础忐女摹构成了过 滤面动态麒基的土坚忭川址冉冉成膜材料的液体i 咀过时提供膜材料沉积业附着的场所川 成为随后形成的动态膜过滤层的立撑体。动态膜通常为多孔抖料常见的 r 膜材料( u f 或m y ) ， 微孔金属管、微孔陶瓷、相叫材料等“。构成动态膜分离层的物质垭常是分放往沮台澉中的并类 胶体物质- 4 以是有机脞体，也i 口以是无机脞体。托以 f 的空献中，并种金属的水台氧化物是常 见的动态膜成膜材料，其中尤以水台氧化钻为主辅以有机胶体材料( 聚丙烯酸) 对形成的 无机胶体层进 f 政性。油酸钙、硫酸钙年聚乙烯吡啶也可以形成动态膜”4 。近年来，廉价的祖网 材料如筛网、无纺布、工业滤布、金属筛网等也成为研究主要热点。 依据动态膜腔体物质的米游将动态膜分为两类：预涂层动态膜( p r “。a l c dd y n a m i c m e m b m n e ) _ 嘧形成动态膜( s e l f - f o r m i n g d 3 m a m l cm e m b r a n e ) ( 如剀所示) 。预凉层动态膜的组 成物质乖i 被过滤的溶液中的物质不同，通常先用多孔支撑体过滤古有成膜物质的溶液，特动态膜 在其发面形成肝，雨用它来过滤被处理液体。自形成动态膜j l l 【i 是在过滤被处理溶液时由溶液中的 物质在多孔支撑体表面形成。动态膜研究的早 i l i t 监为顶滁层动态膜。 膜基材料 动态膜层一 。 。 膜基村料 预涂动态膜层 白生动态膜预涂动态膜 图l ，i自，t 动勰和预涂动态膜结构图 2 , 2 动态膜牛物反应器的研究进展与应用前景 动态膜研究主要集中在两个方面。一是利用自隹动态膜的原理提高固定膜的截留性能，如在 麒生物反应器工艺中，可以借助微滤膜从出水中击除细菌、病毒等其一，应用在污目 特别严重， 或对过滤精度要求不高的场合，发挥动态膜价格低廉和污目 控制容易的特点，如将动态膜作为固 定膜进水进行预先过滤的手段，从而人人提高固定膜的通量，减轻固定膜发生污染的几率。 动态膜生物反应器，是在传统的膳生物反应器的基础上提出来的，过滤所片j 的介质不是传 统的微滤或超滤膜，而是孔径相对较大的粗网材料。租网材料只是作为过滤支撑体，真正起过滤 作用的是过滤一段时间后在膜表面形成的污染层一动态膜。这种工艺与传统的m b r 相比，除 具有传统m b r 的主要优点以外，更具有基建、运行费用低，污染易去除的优点。动态膜- 生物反 东南人学帧i j 学位论文 廊器并不能像微滤和超滤膜样可以使水巾的细菌数降为零，卜方曝气也较为频繁，并可能需要 将卜力| 曝气后一段时i n j 内的出水返同剑处理装置。但足，由丁该i ：艺的i 古i 有优点，动态膜尘物反 府器任人规模的污水处理与同川中，以及在对出水要求不甚严格的场合，仍订良好的应川前景。 所以目前国内外对丁廉价的人孔径膜材料应用丁动态膜生物反应器作j ，人量的研究。 日本的y o s h i a k ik i s o 等| l | l 用孔径分别为1 0 0 1 l m ，2 0 0 t a m ，5 0 0 1 a m 的尼龙网作为过滤材料制成 有效面积为0 1 2 m 2 的动态膜组件，在体积为2 5 l 的反应器内进行小试试验。试验结果表明：在连 续运行的条件下，出水的s s 和b o d s 分别小于1 5m g 几和5m g l ；在间歇曝气的条件下t n 的 去除率可达8 0 ，但动态膜组件1 2 周后出现堵塞；将该组件运用t - a 2 o 上艺时，可以取得更 高的t n 去除率，并且装置连续运行两个月未出现堵塞现象。孔径为1 0 0 p r o 的尼龙网在较低的压 方f ( 5 1 0 m m h 2 0 ) 能有效的分离活性污泥，运行4 0 m i n 后出水s s 降至5 m g l ；2 0 0 u m 和5 0 0 u m 的尼龙网在整个过程中出水s s 始终较高，1 h 后s s 仍大于8 0 m g l 。y o 蛳a l dk i s o 等还认为大强 度的曝气对应较人的出水浊度，会影响动态膜的形成；膜面错流速度为3 1 0 c m s 时可以使出水通 量稳定；2 0 - - 4 0 c m s 的膜面错流速度则适用于膜的清洗。 日本东京大学的m r a l a v im o g h a d d a m 等采用克重1 5 9 m 2 孔径不规则的聚酯纤维： f 织造布动 态膜组件分别进行了一系列的试验研究： 考察操作参数如曝气量、氧强度、固体停留时间对好氧活性污泥上况的影响i1 2 1 0 试验中发现 水头差越人，初始通量越大，会引起更多的污泥泄漏，从而导致初始阶段出水水质越差；曝气强 度对出水s s 和浊度的影响很少；固体停留时间( s r t ) 对出水水质有一定的影响，试验采用s r t 为1 0 d 、3 0 d 和7 5 d ，s r t 为1 0 d 和3 0 d 时出水良好，在s r t 为7 5 d 时出水水质明显恶化。 考察研究了高污泥浓度下工艺的运行特性i ”l 。试验装置往连续运行6 5 天的情况下不排泥， 结果表明：系统运行6 2 天，出水s s 、t o c 、d o c 和浊度处理效果良好。平均碳的去除率c o d 达9 4 ，t o c 8 7 。平均污泥产率0 4 4 k g m l s s k g t o c ，约0 2 4 k g m l s s k g b o d ，此结果低于传 统活性污泥法和滴滤池。 对出水水质、污泥的性质、污泥中的微生物种类进行了观测| 1 引。总结发现同体停留时间在1 0 d 和3 0 d ，t o c 、c o d 、s s 和浊度出水良好，s s 和浊度在这整个操作过程中较为稳定。易于发生 膜堵塞的系统具有以下特点：污泥浓度高、丝状菌不丰富、被t y p e0 2 n 细菌统治、含人量p r i s t i n a s p 及t a r d i g r a d e s ( m a c r o b i o t u s ) 、e p s 浓度高。 韩国c h a n g w o n 国立大学的g t s e o 等i 】用聚丙烯质地、克重分别为3 5g m 2 、5 0 g m 2 、7 0g m 2 的非织造布制成动态膜组件，将1o 片矩形、总有效面积2 m 2 的膜片置于a o 工艺的曝气池中进 行小试，重力自流出水。试验结果表明：平均出水s s 为3 2m g l ，去除率为9 3 4 ；平均出水 c o d 为1 3m g l ，去除率为9 1 6 ；在控制进水c n 比恒定的条件下t n 去除率达到6 6 ，t p 的去除率只有2 3 ，相当于常规活性污泥法。同时发现膜的重量对出水通量有显著的影响。7 0g m 2 的膜出水通量衰减最快，4 0 m i n 后即衰减为初始通量的7 0 0 , 6 ，而3 5g m 2 的膜1 6 0 r a i n 后才能衰减 到同等程度，较轻的网膜能在较小的出水水头下达到稳定通量。 英国c r a n f i e l d 大学的g a n d e rm a 等0 1 ，采用廉价的无纺材料一喷融法聚丙烯膜制成一体式 4 第一章绪论 膜乍物反应器处理生活污水，并将其其他微滤膜构成的膜生物反应器进行比较。进行试验的无 纺材料、疏水聚丙烯膜、聚砜膜的孔径分别为5 u m 、0 5 u r n 、0 4 u m 。除了疏水聚内烯膜由j ：疏水 性住试验操作压力卜没有通墒外，另两种装置对4 f c l 物和浊度的上除率均达9 2 以上。 尼日利的m e g a tj o h a r im o h dn o o r 等| i | 利川聚酯材料作为过滤材料处理市政污水。试验结 果表明：系统可运行污泥浓度达8 0 0 0 m g l ：出水的浊度低j ：5 n t u ，运行6 2 大c o d 去除率达 9 4 , t o c 去除率町达8 7 。 d m b r 发源丁二日本和韩国，中国在这方面的研究起步较晚，但近年来也开展了这方面的研究。 台湾的m i n - c h a oc h a n g 等| i 州采h j 膜面积为0 0 2 5m 2 的聚丙烯无纺布作为过滤材料置于容积 5 0 l 的膜生物反应器中。考察了浸没式无纺布动态膜生物反应器的过滤性能和运行参数，包括： 孔径、起始通量、曝气强度、以及污泥浓度的影响。结果表明：活性污泥中的悬浮絮体颗粒是引 起膜污染的主要原因，选择合适的即与污泥颗粒大小相近的膜孔径能够延缓膜污染的发生，无纺 布膜生物反应器的曝气强度和污泥浓度与传统的微孔m b r 是不同的。 同济人学的高松等”j 利用不锈钢丝网制作的膜面积为0 1 2 m 2 的膜组件在有效面积为4 0 0 l 的 反应器内进行试验，发现在膜运行稳定后，出水浊度可控制在1 n t u 以下，c o d i 口的女除率达到 7 9 以上，n h 3 - n 去除率达到9 0 0 0 以上。 同时高松选择出水水头分别为1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 c m ，研究考察出水水头( m h ) 对过滤性能的 影响。实验发现：某一确定水头对稳定运行的d m b r 影响不大，但水头骤变时会引起出水通量 的变化；同等其他条件下，w h 的增大会使出水s s 减少，但也使堵塞更容易发生。出水水头的 提高使出水动力提高，有增加出水通量的作片j ，但同时义会压缩动态膜，造成出水阻力增加。因 此，要得到最终最佳的出水通量，延长系统的运行时间，还需要大量的研究。 清华大学的范斌、黄霞等对自生动态膜生物反应器进行了较为全面和深入的研究，先后对出 水水头、过滤性能、处理效果等进行了一系列的试验研究： 用筛网作为膜材料，孔径分别为1 5 ，6 5 ，1 0 0u m 。考察孔径对自生成动态膜处理市政污水的 性能影响p o j ，采用膜面积0 1 5m 2 的平板膜置于膜生物反应器中。试验结果表明：在同样的压力 下，筛网的通营快速下降至以稳定通量，6 5 ，1 0 0i j a , l l 的筛网通量和浊度变化相似，而1 5u m 的筛 网通量卜- 降速率较快，并且1 5a m 筛网易形成凝胶层。筛网表面形成动态膜的结构不同是过滤性 能不同的主要原因。 研究了自生动态膜恢复期的出水水头( w h d ) 对动态膜的影响l 二1 。分别研究了恢复期出水水 头为1 0 c m ，8 c m ，6 c m ，4 c m ，2 c m ，0 5 c m 的情形。结果表明：增加出水水头不利于白生生物动 态膜的恢复。随着恢复期出水水头的增加，自生生物动态膜的稳定出水通量逐渐达到一个极限通 量，约为3 5 l ( m 2 h ) 。在相同出7 j ( , 2 媳i 量的条件下，动态膜的稳定运行时间随着恢复期出水水头 的增加而显著降低，并提出使每个过滤周期从出水水头为0 处开始的操作策略。 采用普通微网材料加工的过滤组件与生物反应器一起构成动态膜生物反应器，研究了微网上 形成的生物动态膜的过滤性能e2 | 。结果表明：生物动态膜所具有的较强截留能力主要是由附着的 凝胶层产生。动态膜对相对分子质量小于3 1 0 3 到大于l x l 0 5 的各个级别的溶解性有机物都有3 0 5 东南人学坝i 学位论义 - - - 6 0 的截留率，但过滤的精度并f ：很高，不能完全截留相对分f 质量人丁1 1 旷的溶解性有 机物。已经覆盖有凝胶层的膜片与朱使 j 过的新膜片的清水过滤阻力儿乎相等。由滤饼产生的过 滤阻力一1 i 运行中动态膜片总过滤阻力的绝人部分。新膜片在清水通过时有明显的初始阻力，而有 凝胶层覆盖时的膜片儿乎没有初始过滤阻力。 清华人学的炅盈禧、陈福泰等利朋过滤过氍中在筛绢粗网材料表而形成的动态膜进行泥水 分离，与由微滤、超滤构成的传统膜牛物反应器相比具有g h t t ：费用低、过滤压力小等优点。考察了 动态膜生物反j 柱器在高通蕾4 0l ( m 2 h ) _ 卜处理生活污水的运行特性，结果表明，反应器稳定运, t 7 3 3 d 后动态膜的过滤压差从零上升到2 4 5 p a ；系统对c o d ：g l 氨氮的平均去除率分别为7 8 和9 1 。 大连理t 大学的孟忠国、杨凤林等研究了利用新型非织造布作为过滤组件的一体式m b r ， 并针对膜生物反应器能耗较高的问题，对该反应器进行了利用生物反应器内液位水头重力自流出 水的研究。试验结果表明：采用该反应器处理生活污水，反应器平均出水c o d 2 0m g l ，氨氮质 量浓度 和l e w i s 酸碱力( 表示为p ，t ) ， 并且认为这两类力对界面自由能的贡献相互独立，所以任何一个表面a 的张力丫a 都表达为它们 的线性叠加： 以= 以+ 2 以+ 一 ( 3 6 ) l i f s h i t z - v a nd e rw a a l s 力包含l o n d o n 的色散力、d e b y e 的偶极一诱导偶极力和k e e s o m 的偶极偶 极力，而l e w i s 酸碱力则是表面的功能基团间存在电子供体和电子受体所致。以上分类实质上是 把分子间的力分类成极性作用和电子转移引起的酸碱力。类似于获得式3 5 的推理，再考虑到a ， b 界面的张力为这两类力的线性替加，就可以得到界面问的张力表达式为 y a a = 7 a l w + 洲一2 拓巧了+ 2 厮+ 2 厄百一2 厮一2 厄虿 ( 3 - 7 ) 从式3 - 7 可以看出，要表征吸附陛膜污染就需要对膜表面和污染源的极性、非极性作用进行表 征，然后基于以上公式来评价污染源对膜表面的吸附性质。这样，在应用特定的分离膜于含有特 1 6 第二二簪小i - j 膜皋材料的挣膜特i 定污染源的体系之前，就可以通过对膜表面和f 染源进 j ：测定表征，然后通过严格的热力学计算 米评估可能发生的吸附性膜 染。这对高分子分离膜的心川具彳r 显而易见的重要性。 3 1 1 2 润湿现象 当液滴接触剑光滑矧体表面并处j ：平衡态时，有如图3 - 2 所示的二类可能的形态：有限接触 角0 的润湿( 9 0 。 o 聚丙烯无纺布 聚酯无纺布。可见，在本实验动态膜生物反 应器中，无纺布与筛网的总阻力人小相差不大，无纺膜材料的总阻力要略小于筛网。 6 3 膜面污泥密度分析 无纺布材料表面粗糙度、厚度均大干筛网，由图6 1 可知膜面物质中可逆污染层的密度 明显高于筛网，不可逆污染层的密度相差不大，而无纺布与筛网的阻力大小变化相差不明显。 可见膜面可逆污染层密度对膜阻力影响不大，但是不可逆污染层密度变化与阻力变化相似， 不可逆层的密度对阻力的贡献具有重要的影响。 在连续操作后，聚酯无纺布的过滤阻力要低于聚丙烯无纺布，但是单位面积上脱附的可 逆污染量与不可逆污染量聚酯均要大于聚丙烯。这可能由于不同膜吸附的单位质量物质中含 有的污染物质量不同，聚丙烯无纺布吸附的物质可能较聚酯无纺布含有较多的污染物质。分 第人帝膜嘶污泥层特性分析 别对四种材料的可逆层和不可逆层e p s 进行提取与分析，并分析与阻力的相天性。 n e 面 j 世 燕 口u ，逆层密度 一小u i 逆层密度 。e 2 2 式 璺 涤纶尤纺布丙纶尢纺布涤纶筛蚓尼龙筛网 图6 1 膜面可逆污染与不可逆污染层污泥密度 。 6 4e p s 含量分析 胞外聚合物e p s 是微生物在一定环境条件下，代谢过程中分泌的包围在微生物细胞壁 外的类似粘液状的物质，并已报道| 砌l 在微生物絮凝中起重要作用。 许多学者l l “l 认为e p s 浓度与膜污染具有相关性。本研究中将膜面物质进行e p s 提取测 定。分别考察可逆污染层和不可逆污染层中e p s 含量与阻力的关系，如图6 2 所示。 口可逆层e p s 含量 _ 不可逆层e p s 含量 涤纶无纺布丙纶七纺和涤纶筛列尼龙筛网 图6 2e p s 含量与膜阻力的关系 o 6 0 5 o 1 o e 日 - 。 一 r 爱 实验结束时，无纺布表 面污泥层较厚，污泥密度明 显高于筛网，e p s 的含量也 明显高于筛网，但是无纺布 膜基材料的阻力小于筛网， 可见可逆层e p s 含量与阻力 无明显关系。然而随着不可 逆层e p s 含量的增加阻力升 高，这说明不可逆层e p s 含 量可能与阻力具有一定相关 性。为了表明不可逆层e p s 含量与阻力的关系，作不可 逆层e p s 含量与阻力关系图如图6 3 所示。 图6 3 中r 是一个在1 0 到1 0 之间的无量纲指数，反映2 个数据集合间的相关程度。 0 4 表示2 组数据集合间的相关度很弱，可以忽略不计。0 4 聚酯筛网 尼龙筛网。无纺布 材料要好于筛网。 ( 2 ) 膜面可逆污染层的厚度和质量对膜阻力的贡献不大，不可逆污染层对膜阻力起关键 作用。 ( 3 ) 可逆污染层多糖和蛋白质的含量与膜阻力无明显关系，不可逆污染层多糖和蛋白质 含量均与膜阻力具有强的相关性。 ( 4 ) 膜面物质的胞外聚合物e p s 对膜阻力有极为显著的影响，蛋白质是e p s 的主要成分， 在不可逆污染层中对膜阻力贡献较大。 第七帝结论o 建议 7 1 结论 第七章结论与建议 本试验采用自行设计的动态膜生物反应器处理人l ：配制生活污水。通过膜基材料的选 择、挂膜及过滤特性，混合液及出水性质、膜面物质等研究，考察膜基材料对膜阻力的影 响，同时分析混合液、出水及膜面物质的组成，研究其化学组成在动态膜生物反应器中随 时间的变化规律。 1 选用四种膜基材料：聚酯无纺布、聚丙烯无纺布、聚酯筛网和尼龙筛网。孔径为1 0 0 微米，远远大于污泥颗粒的平均粒径。 ( 1 ) 通过清水试验得到四种材料的亲水性程度依次为：聚酯无纺布、聚丙烯无纺布、 聚酯筛网、尼龙筛网。 ( 2 ) 挂膜试验结果表明，无纺布表面粗糙，亲水性好，挂膜好且不易脱落，一周左右 可形成较为稳定的动态膜：筛网表面光滑，亲水性差，挂膜容易脱落，需采用适度的曝气 强度，大约2 3 周可形成稳定的生物膜。 ( 3 ) 新膜组仲置于反席器中，污泥透过膜孔流出反应器，出水s s 和浊度较高。随着 反应器的运行，动态膜迅速形成，出水s s 和浊度逐渐下降，可低至5 n t u 以下，充分发 挥了膜生物反应器高效截留的良好同液分离效果。 2 进行四种材料动态膜生物反应器的混合液性质、出水性质及膜面物质分析，并研究 以上因素与膜阻力的关系。 ( 1 ) 聚酯和聚丙烯无纺布作膜基材料，试验期间混合液的上清液中蛋白质和多糖含量 基本保持稳定；聚酯和尼龙筛网作膜基材料的试验过程中，多糖和蛋白质随着阻力的缓慢 上升含量逐渐增加。进行物理清洗后，多糖的含量变化随阻力变化明显。 ( 2 ) 混合液中的胞外聚合物含量与阻力变化具有密切相关性。胞外聚合物中的多糖随 阻力变化保持稳定，但蛋白质含量随阻力变化明显，与阻力有明显的相关性。无纺布出水 中多糖变化稳定，蛋白质随阻力变化而变化，与阻力明显相关；筛网出水蛋白质和多糖与 阻力均有一定相关性。 ( 3 ) 四种膜材料在相同的运行周期下，膜材料耐污染程度依次为：聚酯无纺布 聚丙 烯无纺布 聚酯筛网 尼龙筛网。无纺布材料要好于筛网。 ( 4 ) 膜面可逆污染层的厚度和质量对膜阻力的贡献不大，不可逆污染层对膜阻力增加 起主要作用。可逆污染层多糖和蛋白质的含量与膜阻力无明显关系，不可逆污染层多糖和 蛋白质含量均与膜阻力具有强的相关性。膜面物质的胞外聚合物e p s 对膜阻力有极为显著 的影响，蛋白质是e p s 的主要成分，在不可逆污染层中对膜阻力贡献较大。 3 分别考察动态膜生物反应器工艺四种膜基材料处理效果以及运行稳定性。 4 5 东南人学坝i j 学化论义 ( 1 ) 四种膜荩材料水中彳r 机物的女除效果o j 膜乍物反应器相当，玄除率以：9 4 左 右，其中混合液活性污泥起t 要的上除作川，动态膜的贡献在3 4 。但是动态膜对丁上 清液的女除效果在3 5 5 5 之问，其中筛网对上清液的平均玄除效果要女：丁无纺布。 ( 2 ) 各膜摹材料对氨氮的上除效果在8 5 以上，动态膜对上清液的平均女除率在 2 0 2 5 。其中各基材形成的动态膜对上清液氮氮上除效果依次为：聚酯无纺布、聚酯筛网、 聚丙烯无纺布、尼龙筛网。 ( 3 ) 动态膜生物反应器对总磷的去除效果不理想。总去除率在9 1 7 之间。动态膜 对总磷的去除贡献率较高，达到了6 8 。筛网比无纺布的总磷去除效果要好。 7 2 建议 1 动态膜生物反应器( d m b r ) 较膜生物反应器( m b r ) 具有价格低廉和污染控制容 易的优点，在目前固定膜成本高的情况下作为膜过滤的补充手段，在出水要求不高的领域 可以有广泛的应用。因此进一步优化动态膜生物反应器的的t 作性能和强化应用深度是十 分有必要的。 2 进一步发展化学分离和分析方法，对于造成膜污染的物质进行组分分析。通过了解 其组成和随时间的变化规律可能对人们认识和调控微生物代谢过程，提高抗污染性能有重 要意义。 3 动态膜的污染由于其“动态”性而较为特殊，膜的清洗方式是延缓膜污染的关键。 可以在试验的基础之上，研究动态膜清洗的方式和频率，找到延缓膜污染的有效方法。 参考文献 参考文献 【l 】韩素华，千：基红，孟繁茹筲中水同川规划及有效实施的几点问题探讨f z 】中国水 网2 0 0 6 2 【2 】m i l l swr u p d a t eo nw a t e rr e u s ei ns o