（环境工程专业论文）缺氧好氧膜生物反应器强化除磷及其对膜污染的影响研究.pdf

l 墼塑坚奎兰星塑些兰垒垒圣一 摘要 本论文课题来源于西部建筑科技国家重点实验室( 筹) 开放研究基金项目一 一分散聚居区污水处理及资源化技术研究( n o 0 8 k f 0 8 ) 。膜生物反应器( m b r ) 技术因其自身的优势特点，在污水分散式处理领域得到了广泛的应用。m b r 运行 过程中，因其污泥龄较长，总磷( t p ) 的去除效果不佳，难以满足相应的排放要 求。为此，本论文着重探讨了m b r 辅以化学除磷后对t p 去除效果的影响，同时对 膜污染的问题进行了考察。 本研究采用膜技术与缺氧好氧( a o ) 处理工艺结合而成的a o m b r 污水处 理系统，以校园生活污水为处理对象进行了试验研究。首先考察了o m b r 系统 对各污染物的处理效果，重点考察了对t p 的去除效果。结果表明，a o m b r 系 统对c o d c ，、n h 3 - n 、t n 和浊度均有良好的去除效果，但对t p 的去除效果不佳， 出水t p 浓度达不到g b l8 9 18 2 0 0 2 城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级 b ( 1 0 m g l ) 的要求。 为探讨化学除磷对a o m b r 系统除磷效果的影响，利用间歇试验考察了 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、f e c l 3 和p a c 三种混凝剂对t p 和浊度去除效果的影响，其中混凝剂的 投加采用后置方式和协同方式。结果表明，后置加药混凝剂为f e c l 3 时，对t p 的 去除效果最好，其最佳投加量为3 3 m g l ；协同加药混凝剂为a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，对t p 的 去除效果最好，其最佳投加量为6 7 m g l 。 将间歇试验确定的最佳混凝剂投加到a o m b r 反应器的连续运行试验中，考 察了混凝剂对t p 去除效果的影响，同时研究了协同投加混凝剂时，其它污染物的 去除效果。结果表明，采用后置方式投加f e c l 3 后，系统出水t p 去除率达到8 2 ； 采用协同方式投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 后，t p 去除率达到8 8 ，两种方式的出水t p 浓度均 满足排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中一级a ( o 5 m g l ) 的要求。协同投加a 1 2 ( 8 0 4 ) 3 的系统与a o m b r 系统的出水水质相比，系统提高了t p 、浊度去除效果，但对 c o d c ，、n h 3 - n 、t n 去除效果的影响不明显。 本论文还考察了协同投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 对系统稳定运行周期、活性污泥混合液性 质的影响，并从各混合液性质与膜污染间的相关性及膜污染机理方面，进一步分 青岛理工大学工学硕士学位论文 析了投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 对膜污染的影响。观察了a o m b r 与a 1 2 ( s 0 4 ) 3 a o m b r 系 统的t m p 达到极限值所用的时间，结果表明，投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 的反应器稳定运行的 时间较长；根据膜表面污染层的扫描电镜( s e m ) 图片，投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 的膜面污 染层的孔隙率较大，过滤阻力偏小，利于反应器的稳定运行。对投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 后 四种混合液性质的变化情况进行了研究，得出投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 后污泥粒径增大，e p s 、 s m p 、混合液粘度减小，均有利于缓解膜污染。经混合液性质与膜污染间的相关 性分析，投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 前后，影响膜污染最显著的性质因子均是s m p ，且投加 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 后，各性质的膜污染系数均有所降低；经标准堵塞模型拟合分析，投加 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 的系统t m p 增大的速率小于a o m b r 。 关键词：污水处理及回用；a o m b r ；强化除磷；膜污染 本课题得到了西部建筑科技国家重点实验室( 筹) 开放研究基金项目分 散聚居区污水处理及资源化技术研究( n o 0 8 k f 0 8 ) 的课题资助。 i i a b s t r a c t t h et h e s i sw a ss u p p o r t e db ys t a t ek e yl a bf o u n d a t i o no fw e s t e r na r c h i t e c t u r e & t e c h n o l o g y ( c u l t i v a t i n gb a s e , s t u d yo ns e w a g et r e a t m e n ta n dr e c y c l i n gt e c h n o l o g y i ns c a t t e r e dn e i g h b o r h o o d s ( n o 0 8 k f 0 8 ) m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) t e c h n o l o g yi s w i d e l yu s e di ns c a t t e r e ds e w a g et r e a t m e n tf o ri t so w na d v a n t a g e s ，i nm b r o p e r a t i o n p r o c e s s ，o w i n gt ol o n g e rs l u d g ea g e ，i t st p r e m o v a le f f i c i e n c yc a n n o tm e e tt h ee m i s s i o n l i m i t s t h e r e f o r e ，i nt h i st h e s i st h em b r 谢t ht h ec h e m i c a lp h o s p h o r u sw a ss t u d i e d ，a n d i t se f f e c t so nt h et pr e m o v a le f f i c i e n c ya n dm e m b r a n ef o u l i n gw e r ea n a l y z e d t h em b r t e c h n o l o g yw a sc o m b i n e d 诵t l lt r a d i t i o n a la n o x i c a e r o b i c ( a o ) p r o c e s s t oe s t a b l i s ha o - m b rw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ec a m p u s s e w a g ew a st r e a t e db y a o - m b r f i r s t l y , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n ti n t h i s p r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d ， 。e s p e c i a l l yt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft et h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h i ss y s t e mh a db e t t e r p o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o d c r ，n h 3 - n ，t na n dt u r b i d i t y , e x p e c tf o rt p t h e t pc o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n tc a nn o tm e e tt h e1b ( 1 o m g l ) e m i s s i o nl i m i t s i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c t so np h o s p h o r u sr e m o v a lb yc h e m i c a lm e t h o d si n a o - m b r ，b a t c he x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c t so nt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ft pa n dt u r b i d i t yb ya d d i n g t h r e et y p e so fc o a g u l a n t s r e s p e c t i v e l y , i n c l u d i n ga 1 2 ( 8 0 4 ) 3 、f e c l 3a n dp o l y m e r i ca l u r n i n i u mc h o l o r i d e ( p a c ) ，t h r o u g h t h er e a l w a ya n ds y n e r g yw a y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb yt h er e a l d o s i n gw a y , f e c l 3w a st h e b e s tc o a g u l a n ta n dt h ed o s i n gq u a n t i t yw a s3 3 m g l ；w h i l eb yt h es y n e r g yw a y , t h eb e s t c o a g u l a n tw a sa 1 2 ( 8 0 4 ) 3 ，w i t ht h ed o s i n gq u a n t i t yo f6 7 m g l s e c o n d l y ，t h eb e s tc o a g u l a n tb yt h eb a t c he x p e r i m e n t s w a sa p p l i e dt ot h el o n g t e r m o p e r a t i o ne x p e r i m e n t so fa o - m b r t op r o v et h ee f f e c to fa d d i n gc o a g u l a n t so nt h et p r e m o v a le f f i c i e n c y m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t so fc o l l a b o r a t i v ed o s i n gc o a g u l a n to nt h e o t h e rp o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c yw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e r e m o v a lr a t eo ft pw a s8 2 w h e nd o s i n gf e e l 3b yt h er e a l w a ya n d8 8 w h e nd o i n g a 1 2 ( s 0 4 ) 3b yt h es y n e r g yw a y t h ee f f l u e n tt pc o n c e n t r a t i o no f t h et w ow a yb o t hm e t t h e1 a ( 0 5 m g l ) e m i s s i o nl i m i t s c o m p a r e dw i t ha o - m b r ，c o l l a b o r a t i v ed o s i n g i l l a 1 2 ( s 0 4 ) 3m e t h o di m p r o v e dt h er e m o v a lr a t eo ft pa n dt u r b i d i t y ，a n dh a dn o s i g n i f i c a m e f f e c to nt h ee f f i c i e n c i e so fc o d c r ，n h 3 na n dt n i na d d i t i o n ，t h ei m p a c t so fc o l l a b o r a t i v ed o s i n ga 1 2 ( s 0 4 ) 3 o no p e r a f t o ns t a b i l i t y a n dt h ep r o p e r t i e so fa c t i v a t e ds l u d g em i x e dl i q u o rw e r es t u d i e d ，a n dh a v ea 6 l r t b e r e x p l a n a t i o nf r o mt h ea s p e c t so ft h ef o u l i n gf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne a c hp r o p e r t ya n dt h em o m b r a n ef o u l i n g t h et i m eo ft m p r e a c h i n gl i m i t v a l u ei nt h es y s t e mo fa o m b ra n da 1 2 ( s 0 4 ) 3 a o m b rw e r e i n v e s t i g a t e d i tw a s k n o w nt h a tt h es t a b l eo p e r a t i o nc y c l ew a sl o n g e ra f t e rd o s i n ga 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，a n df o u l i n g f o u l i n gl a y e r so nm e m b r a n eh a db i g g e rp o r o s i t ya n dl o w e rf i l t e r i n gr e s i s t a n c e ，b a s e do n t h es e m a tt h es a m et i m e ，t h ei m p a c t e so fd o s i n ga 1 2 ( s 0 4 ) 3o nf o u rp r o p e r t i e so f m i x e dl i q u o rw e r ea n a l y z e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es l u d g ep a r t i c l es i z ei n c r e a s e d ， w h i l ee p s ，s m p ，a n dm i x t u r ev i s c o s i t y d e c r e a s e d ，w h i c hc a nr e l i e v em e m b r a n ef o u l i n g t h e nt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ne a c hp r o p e r t ya n dt h em o m b r a n ef o u l i n gw e r ea n a l y e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es m p w a st h em o s ts i g n i f i c a n tf a c t o ro fm e m b r a n ef o u l i n g ， a n dm e m b r a n ef o u l i n gc o e f f i c i e n tw e r el o w e ra f t e r d o s i n ga 1 2 ( s 0 4 ) 3 b a s e do nt h e f i t t i n go fs t a n d a r dp l u g g i n gm o d e l ，t h er a t eo fi n c r e a s et m po fd o s i n ga 1 2 ( s 0 4 ) 3w a s l o w e rt h a na o m b r k e yw o r d s ：s e w a g et r e a t m e n ta n dr e u s e ；a o - m b r ；e n h a n c e dp h o s p h o r u sr e m o v a l ； m e m b r a n ef o u l i n g t h et h e s i si s s p o n s o r e db y “s t a t ek e yl a bf o u n d a t i o no fw e s t e r na r c h i t e c t u r e & t e c h n o l o g y ( c u l t i v a t i n gb a s e ) - s t u d yo ns e w a g et r e a t m e n ta n dr e c y c l i n gt e c h n o l o g y i ns c a t t e r e dn e i g h b o r h o o d s ”( n o 0 8 k f 0 8 ) i v l 一重墼塑垒兰三兰坠塑丝丝墨一 第一章绪论 1 1 研究背景及课题来源 本论文所选课题来源于西部建筑科技国家重点实验室( 筹) 开放研究基金项 目分散聚居区污水处理及资源化技术研究( n o 0 8 k f 0 8 ) 。 全球城市化、工业化和农业集约化的高速发展，人口爆炸性的增长，给全球 资源和环境带来了巨大的压力。人类生存发展不仅消耗了巨量水资源，而且还向 环境中排放大量的污染物，造成了水污染的日益严重，从而导致了全球性的水危 机【l 】。中国作为发展中国家，人口数量众多，经济高速发展，水危机程度尤为严重。 根据水利部2 1 世纪中国水供求分析 2 】，2 0 1 0 年我国工业、农业、生活及生态环 境总需水量在中等干旱年为6 9 8 8 亿立方米，供水总量6 6 7 0 亿立方米，缺水3 1 8 亿立 方米，2 0 3 0 年我国将缺水4 0 0 亿立方米至5 0 0 亿立方米，缺水高峰期将会出现。 为解决目前面临的水污染日益恶化的危机，我国采取了一些积极有效的措施。 城市污水的再生利用是改善生态环境、解决城市缺水问题的有效途径之一，根据 不同用水水质要求，城市污水经相应处理后可再次循环利用，满足不同方面、多 种品质的水资源需求。 污水的处理回用可分为集中式和分散式两种。集中式处理能够稳定、高效地 管理和控制污水处理的运行，但是该处理方式的输水过程比较长，在长距离的输 水过程中，会导致回用水的水质有所下降，难以保证最终用水的回用要求；从远 处取水，其中的铺设管线、运行维护的花费比较高；各类污、废水在与雨水混合 后，导致所含污染物种类十分复杂，且成分和浓度波动较大，不利于对污染物进 行有效去除【3 】o 而污水分散式处理能有效克服集中式处理的缺陷，该方式节省了长 距离污水输送管线的铺设，占地面积小，简单而言就是将某区域内的污水经收集 谴 后，进行就地处理，使出水水质达到标准要求，再回用于该片区的环境用水和杂 用水，通过就地处理与回用，实现水平衡和水循环的目标1 3 j 。 国内对于污水分散式处理回用的研究，起步相对较晚且系统化的程度不高， 所用处理工艺大多是传统方法，如活性污泥法、生物膜法和厌氧生物法及其组合 技术，系统占地面积较大，不适宜于片区污水处理。然而随着改良型s b r 技术和 膜技术的发展，污水处理设施能够实现装置化、小型化，使得分散式处理模式的 青岛理工大学工学硕士学位论文 推广应用具有可行性，尤其是膜生物反应器( m b r ) 技术，它是膜技术与生物法 结合起来的一种工艺，因其模块化程度高、出水水质优良、运行管理简便、污泥 产率较低等优势逐渐受到人们的青睐。但是该技术污泥龄( s r t ) 一般较长，总磷 ( t p ) 的去除效果不佳；同时膜污染问题也影响了工艺的运行成本及处理效果， 一定程度上影响了m b r 的推广与应用。因此，本论文针对m b r 除磷效果不佳， 对系统辅以化学除磷，考察其对t p 的去除效果及膜污染的影响。 1 2 课题研究的目的、意义和主要内容 1 2 1 课题的1 目的和意义 将m b r 技术应用于分散式片区污水回用处理，可有效发挥其占地面积小、出 水水质优良、污泥产率低及运行管理简单的优势，m b r 与具有脱氮功能的污水处 理技术结合( 如a o 工艺) ，可实现对氮磷等营养物质排放的进一步控制。但从 m b r 的试验研究来看，因其具有较长的s r t ，导致了t p 去除效果不佳，出水t p 浓度很难达到g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 城镇污水处理厂污染物排放标准中一级b ( 1 0 m g l ) 的要求。针对目前越来越高的污水处理要求，有必要采取一种措施来 强化系统对t p 的去除效果。 目前污水处理工艺中比较常用的除磷方法是生物除磷和化学除磷，随着污水 除磷要求越来越高( o 5 m g l ) ，单纯的生物除磷己不能满足更高的除磷要求。且一 般的研究共识认为，随着化学混凝剂的发展和研究，性能良好的混凝剂会越来越 多，化学除磷会越来越受到青睐。 将化学除磷应用到m b r 技术中，具有效率高，方法简单，形成的磷酸盐沉淀 不容易透过膜组件的优点。因此，本论文研究将着重探讨对a o m b r 系统辅以化 学除磷后，对t p 去除效果的影响( 投加混凝剂的方式采用后置方式和协同方式) 。 同时考察协同投加混凝剂对系统中其它污染物的去除效果及膜污染的影响，并从 混合液性质与膜污染的相关性及膜污染机理模型方面进行分析。该研究意义在于 强化a o m b r 对t p 的去除效果，以进一步推动a o m b r 用于分散聚居区的污 水处理及回用的实用性。 1 2 2 课题的主要研究内容 本研究采用缺氧好氧膜生物反应器( a o m b r ) 污水处理系统，以校园生活 污水为处理对象进行试验研究。在试验过程中，重点考察对系统辅以化学除磷后， ， 青岛理工大学工学硕士学位论叉 对t p 的去除效果的影响；同时考察采用协同方式投加混凝剂时，对系统中其它污 染物的去除效果及膜污染的影响情况，主要研究内容包括： ( 1 ) 考察a o m b r 系统的运行效果。 ( 2 ) 通过间歇试验确定最优混凝剂及其投药量，投加混凝剂的方式采用后置 方式和协同方式。 ( 3 ) 采用优选的混凝剂对a o m b r 进行连续运行试验，考察其对t p 去除 效果的影响；同时考察协同投加混凝剂时，对系统中其它污染物处理效果的影响 情况。 ( 4 ) 考察协同投加混凝剂对a o m b r 系统运行稳定性及活性污泥混合液性 质的影响情况，从混合液性质与膜污染间的关系及膜污染机理模型方面，进一步 分析投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 对膜污染的影响。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第二章膜生物反应器及污水除磷技术 2 1 膜生物反应器技术 2 1 1m b r 的分类 膜生物反应器是将生物处理技术与膜分离技术相结合的一种污水处理工艺， 可以分为三种类型：膜曝气生物反应器( m a b r ) 、萃取膜生物反应器( e m b r ) 、 膜分离反应器( m b r ) 。m a b r 是采用气体渗透膜将气体以分子或“非气泡”形式 引入到生物反应器中，进行无泡曝气；e m b r 是采用具有适当选择透过性的膜将 主体液体中的特定难降解污染物萃取出来，然后在膜透过液侧被生物处理1 4 1 ：m b r 膜组件用于截留微生物，进行固液分离。 典型的m b r 工艺是将活性污泥法与膜分离相结合的工艺，其中的膜组件相当 于传统活性污泥法中的二沉池，用过滤截留作用进行泥水分离。截留的污泥和未 降解的大分子物质通过回流泵重新回流到生物反应器中【5 l 。 按形成错流的操作方式，m b r 可分为泵体式和气提式：按膜组件的形状和构 型，m b r 可分为平板式( f s ) 、多管式( m t ) 和中空纤维式( h f ) ；按膜组件和 生物反应器的相对位置，可将膜生物反应器分为分置式( 外置式) 和浸没式( 一 体式) 两种，如图2 1 所示扣1 ； 进 空 回流 生物反应器 出水 生物反应器 ( a ) 分置式 ( b ) 一体式 图2 = 1 分置式m b r 和浸没式m b r 示意图 分置式m b r 的膜片完全独立于生物反应器，原水进入反应器中，经过微生物 的降解作用，混合液经泵增压后进入膜组件的过滤端，滤液在压力差作用下透过 膜组件出水；浸没式m b r 将膜组件直接浸在反应器中，通过泵的抽吸作用，形成 膜压力差，在反应器中进行泥水分离。 分置式m b r 的优点是：膜组件运行稳定可靠，膜通量较大，易于膜组件的清 4 ；皇垒坠竖兰三兰坠塑丝垒圣一 洗、更换和增设等；缺点是：由于泵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7 1 ，且因滤液回流，需要较高的压力和速度，其总动力消耗较浸没 式高8 1 。浸没式m b r 工艺简单、紧凑，能耗较低，可避免微生物在循环过程发生 失活的现象。但该工艺的膜通量相对较小，且膜组件易造成污染。通常采用时间 继电器控制，利用间歇抽吸法出水的方式减轻膜阻塞，并且利用曝气形成向上流 动的气液混合液，使截留组分不易沉积在膜表面，以减缓膜污染。 2 1 2 刖o m b r 工艺 m b r 与具有脱氮功能的污水处理技术结合( 如0 工艺) ，在满足出水水质 的前提下，可实现对氮磷等营养物质排放的进一步控制。 与常规生物脱氮工艺相比，a o m b r 实现了污泥龄( s i 订) 与水力停留时间 ( h i 盯) 的完全分离，可以在延长s r t 能满足硝化菌生长期的同时，无需增大构 筑物容积；a o m b r 膜组件的截留作用，不仅能避免絮凝性较差的硝化菌的流失， 还可使系统的脱氮效果得到较大的提升；a o m b r 中污泥絮体相对较小，利于降 低氧传质阻力，使硝化作用加强；回流混合液中的活性污泥浓度较高，溶解氧会 很快被消耗掉，不会对缺氧段的氧环境造成破坏。 目前a o m b r 工艺已开始应用于生活污水及城市污水、工业废水的处理与回 用中，并取得了良好的运行效果。 2 2 膜生物反应器的膜污染 2 2 1 膜污染物的类型 进料中某些悬浮固体、胶体粒子和各种溶质分子与膜材料或膜材料上已吸附 的组分间相互作用，在膜表面或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔堵塞或变小并使膜 渗透量与分离特性产生不可逆衰减【9 】，进而导致恒流操作下跨膜压力上升或恒压操 作下出水通量下降。根据污染物质的类别不同，膜污染的类型主要有三种：微生 物污染、有机污染、无机污染。 ( 1 ) 微生物污染 微生物污染主要是由微生物絮体及其代谢产物吸附于膜表面，形成滤饼层造 成的污染。许多研究者1 川认为，在微生物污染的形成过程中，膜表面上细菌生存 所需要的s m p 和e p s 发挥了重要的作用。 细胞菌体的沉积可以通过电子扫描电镜、共聚焦扫描电镜、原子显微镜和直 青岛理工大学工学硕士学位论文 接观察膜表面的方法识别。z h a n g 等1 1 1 直接观察了生物絮体和膜表面的内在关系， 图像表明，生物絮体可以在膜表面滚动或者滑动。n g 和协【1 2 1 运用共聚焦扫描电 镜观察了膜表面的细菌分布，发现在污染的膜丝内部存在大量的细菌。y u n 等1 3 1 用m b r 处理印染废水，对生物膜的结构进行观察并分析了它们对膜通量的影响， 发现膜的过滤性能与生物膜的结构参数息息相关。这些技术可以使生物污染物可 视化，有利于我们理解絮体细胞的沉积过程和凝胶层的微生物结构。 ( 2 ) 有机污染 有机污染是指细菌代谢过程所分泌的溶解性或胶体状物质，即溶解性微生物 产物( s m p ) 和胞外聚合物( e p s ) ，浓缩后粘附于膜面形成凝胶层造成的污染， 这层水凝胶主要由蛋白质和多糖类物质组成。 为了对生物聚合物( 蛋白质和碳水化合物) 的组成有一个比较直观的了解， m e t a g e r 掣1 4 1 对沉积在膜表面上的生物聚合物做了一个比较详细的研究，在膜过滤 后( 经过冲洗、反冲洗和化学清洗) 将污染层分馏为三部分，最上层、中间层和 最下层，结果表明最上层的污染层是类似于污泥絮体的多孔、松散的凝胶层；中 间层主要是由s m p 和细菌凝聚体组成的，并且多糖的浓度非常高；最底层代表不 可去除污染物碎片并且主要以s m p 为主，附着的蛋白质浓度相对较高。这些研究 揭示了膜表面的生物大分子物质的空间分布。 为了说明这些沉积的生物聚合物的详细信息，其组分的鉴别是不可避免的。 k i m u r a 等【1 5 】研究表明，污染物主要是由多糖和蛋白质组成的；膜污染层是由蛋白 质类物质、有机胶体和腐植酸类物质构成的。t e y c h e n e 等【l6 】研究表明，污染层主 要是由溶解性组分的沉积造成的，而胶体组分的影响占很小的比例。但是 r o s e n b e r g e r 和l a a b s 1 7 1 在早期的研究中发现，分子量大于1 2 0 0 0 0 d a 的多糖物质和 其它非沉淀有机物质对膜污染有重要影响。另外，污泥上清液的高浓度多糖是和 膜污染速率成正比的。 ( 3 ) 无机污染 无机污染是指c a 2 十、m 9 2 + 、b a 2 + 等碳酸盐、硫酸盐及硅酸盐等溶解性无机物 在膜表面或孔道内壁沉积、凝结，引起结垢积附于膜面，进而形成水垢层造成的 污染，其与浓差极化作用密切相关。 浓度极化是指在错流运行中，在膜与溶液界面上，溶质在一定的浓度边界层 内( 或液膜内) 累积的趋势( 如图2 2 所示) ，有研究表吲18 1 ，液体从膜表面迁移 6 j j 皇垒三垒塑堡型些鎏i 墨一 离开的速率大于布朗扩散速率，这种迁移速率由边界层产生的剪切力决定。截留 物在膜附近累积会使其在该区域的浓度高于主体溶液，累积速率对膜通量的增加 呈指数方式上升。另一方面，边界层的厚度由系统的水力学条件决定，湍流程度 越强，边界层厚度越小【6 1 。浓差极化会使某些溶质在膜表面超过其溶解度形成沉积 或凝胶层。 膜 图2 2 浓差极化 一般来说，在膜过滤过程中，如果所有的污染物同时存在，生物污染物和有 机污染物决定了m b r 膜污染的程度，而并非是由无机污染物决定的。大多数研究 者将膜污染的主要污染源归结为：微生物新陈代谢产生的有机物( s m p 、e p s ) 1 9 - 2 0 】。 s i m o n 4 j 提出根据实际应用，以透水率恢复程度为依据，可将污染物分为：可 逆污染物，不可逆污染物和不可恢复的污染物。 如图2 3 所示，由细菌等悬浮物在膜面形成的滤饼层，结构较为松散，可通过 物理清洗去除，尚不足以对膜性能产生较大影响，滤饼层污染又称为可逆污染； 溶解性和胶体状物质紧贴于膜面形成的凝胶层，致使大量膜孔被覆盖，且曝气冲 刷对其作用甚微，只能通过化学清洗才可去除，称为不可逆污染；因无机物结垢 或杂质沉积而堵塞膜孔，采用任何清洗方法也难以将其去除，称为不可恢复污染。 滤饼层 凝胶层 溶解物。胶体污泥颗粒 图2 - 3 污染层的形成 2 2 2 膜污染的影响因素 m b r 中的膜污染影响因子错综复杂，概括起来主要分为四个方面：膜性质、 进水特性、运行参数和活性污泥混合液性质。 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 膜性质 与膜污染相关的膜性质涉及有膜材料、膜孔径、孔隙率、粗糙度和亲疏水性 等【2 l 】，目前新开发的有机高分子合成膜，如聚偏氟乙烯( p v d f ) 、聚醚砜( p e s ) ， 具有足够的机械强度和化学耐受力，延展性比传统材料要好。 一般认为亲水性膜材料的表面能比疏水性的膜材料高，其抗污染能力比疏水 性的要强。膜孔径对膜污染的影响与进水特性紧密相关，z h a n g 等1 1 1 对0 1 p m 、 0 2 2 t m 、0 4 5j _ t m 的膜孔径进行测试，认为最佳膜孔径为0 2 2j _ t m ；l e e 和a h n 等口2 】 对0 1 岬、0 2 f t m 、0 4 p r o 、o 8 t m 的膜孔径进行测试，认为最佳膜孔径为o 8 岬； m a d a e n i 2 3 】等对o o l i t m 、0 2 1 t m 、l l i m 的膜孔径进行测试，认为这几种孔径没有区 别；膜孔径与水力学性能之间没有统一的认识，c h a n g 2 4 1 认为这主要归因于m b r 系统中复杂多变的生物悬浮特性和所用滤膜孔径分布范围相对较大，同时还有运 行条件的不同所导致的。 f a n g 2 5 1 对膜孔径为0 2 0 2 2 t m 的四种m f 膜进行了平行试验，发现膜的粗糙 度和孔隙率是造成膜污染行为差异的原因。h e 2 6 】对厌氧m b r 系统进行了研究， 发现当改变膜孔形貌比和膜形态时，表面粗糙度会加重膜污染。 ( 2 ) 进水特性 污水进行物理过滤时的膜污染由污水特性决定 2 7 1 ，但m b r 中的膜污染主要受 膜与混合液之间相互作用的影响，而不是进水( 难降解的特殊污、废水除外) ，尤 其对于城市与生活污水处理而言【2 8 1 。 ( 3 ) 运行参数 m b r 系统的运行参数设计主要包括污泥龄( s r t ) 、曝气强度、水力停留时间 ( h r t ) 、有机负荷及操作压力与膜通量等，在经济操作压力或次临界通量下运行 有利于m b r 系统稳定。 污泥龄( s i 盯) 在反应器内保持稳定的悬浮固体浓度( m l s s ) ，是活性污泥系统保持稳定的 一个重要因素，m l s s 浓度一般随着s r t 的延长而升高。m b r 技术能够使s r t 与h r t 完全分离，可以同时实现微生物的处理效能和减缓膜污染的目的。 在城市与生活污水处理中，s r t 为5 3 5 0 0 ( 有效排泥率为0 ) 天时，s r t 对 反应器出水水质的影响不大，比较所报道的研究体系，当s r t 在3 0 d 范围内，随 着污泥龄的增加去除率略有增加，3 0 d 以上则没有什么变化【5 1 。 一。里三些塑堡圭兰塑垒圣。，一 曝气强度 曝气强度是一个很重要的参数，因为它不仅决定着污泥絮体的体积大小，而 且控制着膜污染和膜的过滤性能。有关研究表明，为了维持微生物正常的生理活 动，曝气池内溶解氧浓度( d o ) 一般不能低于2 m g l 2 9 1 ，但也不宜过高，过高时 易导致污泥老化及过量的耗能等。很多学者已研究出，当曝气量低于某个范围时， 膜通量随曝气量呈粗略的线性增加趋势，此时的曝气冲刷能有效去除膜表面的污 染物，对膜通量有一定的恢复作用；当曝气量超过该范围时，膜通量不会再有所 增加，反而会加速膜污染【3 0 一3 3 1 。 这是因为太高的曝气强度将导致污泥絮体的破坏并且产生s m p ，在高曝气强 度下，胶体和溶解性物质不会因剪切应力的增加而减少，所以它们将变成主要的 膜污染物。膜表面胶体物质和溶解性物质( 尤其是溶解性物质) 的反向传输是由 布朗运动决定的，曝气量的增加还可以提高剪切诱导扩散力和惯性上升力。因为 浓度梯度的变化引起了扩散速率的急剧变化，所以曝气强度被认为对m b r 膜污染 有重要影响。 水力停留时间( h r t ) 应用于生活污水的m b r 系统，h r t 在2 2 4 h 之间都有较高的去除率，h r t 对去除率影响并不是很大，相对而言系统的运行特性也与h r t 关系不大5 1 。h r t 对m b r 各方面的影响程度相对与s r t 、曝气强度均较弱。 ( 4 ) 活性污泥混合液性质 许多研究者发现污泥龄、曝气强度、膜通量等运行参数的变化会对膜污染产 生不同程度的影响。应用于城市与生活污水处理的m b r ，在选定膜组件的前提下， 其污染情况仅与运行参数和混合液性质有关。 m b r 膜污染的实质是反应器内混合液与膜组件相接触，它们之间发生物理、 化学和生物等一系列作用，最终导致膜阻力不断上升，由此可见活性污泥混合液 是膜污染的物质来源及最本质影响因子。混合液性质包括污泥浓度、污泥颗粒大 小、粘度及混合液所含胶体粒子及溶解性有机物等，它们对膜污染的影响程度是 近年来学者的研究热点。 污泥浓度 从直观上看，悬浮固体浓度可以作为污染特征的一个合理指标，但实际上 m l s s 与污染特性之间的关系比较复杂，忽略其它微生物特性，增加m l s s 对膜 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 透水率的影响可能是不利的、有利的或无影响。 污泥颗粒大小 颗粒偏小的污泥絮体所形成的滤饼层透过性较差。在运行初期，小污泥颗粒 容易堵塞膜孔，会造成初始膜阻力的急剧上升。但是污泥粒径偏大时，膜污染程 度也可能加重，这主要是因为除了污泥粒径以外，其它混合液性质也会对膜污染 产生影响，它们共同作用对m b r 的运行特性产生影响。 微生物代谢产物 微生物代谢产物共分为两大类：一类是细胞分泌的、从细胞表面脱落的或细 胞衰亡产生的不溶性物质，统称为胞外聚合物，称为e p s ；另一类是通过基质代 谢( 通常是随着生物量的增长) 和生物质的衰变释放出的一种溶解性物质，称为 s m p ，被定义为有机化合物的组合。因此，s m p 可以被细分为两部分：基质利用 的相关产物( u a p ) ，它直接在基质代谢过程中产生：微生物相关产物( b a p ) ， 它是由微生物产生的，也包括一部分腐殖质。 e p s 与s m p 的组成成分包括多糖、蛋白质、核酸、脂类以及腐殖酸等，以多 糖和蛋白质为主要成分。l a s p i d o u 等3 4 l 提出了e p s 和s m p 的统一概念，他指出细 胞利用电子供体物质合成本身所需的活性物质，在这个过程中它们产生了e p s 和 u a p ，一部分e p s 能被水解为b a p ；一些s m p 可以被活性物质用来作为电子供体 再生利用，另外一些可以被生物絮体吸附变成e p s 。 a 、e p s m b r 中的膜污染在很大程度上归因于e p s 。e p s 性质不均一且易发生变化， 可形成高含水量的凝胶层，并将微生物细胞包裹在其中，生物絮体附着到膜面上 可以作为膜表面生物膜形成过程中的主要营养源【3 5 】。 c h o 3 6 1 发现在e p s 和凝胶层阻力之间存在密切联系，并且建立了原理方程， 这个方程说明凝胶层阻力与e p s 浓度成正比。a h m e d 3 7 】也发现，当e p s 增大时， 特殊的凝胶层阻力也增大，最终导致了t m p 的上升。j i 和z h o u t 3 8 】最近研究表明， 膜表面吸附的d p s 的组分和数量导致了膜污染的发生。在膜污染程度方面，污泥 悬浮物总的生物量与e p s 相比，前者发挥了重要的作用。然而，也有人研究得出： e p s 对膜污染关系不大。r o s e n b e r g e r 和k r a u m e 等3 9 1 发现，e p s 对膜过滤性能并 没有影响。 为了更加清楚的了解e p s 对污泥特性和膜污染的影响，很多关于膜污染的研 1 n ：塑堡三垒塑尘堡圭兰些垒圣一 究课题已经开始。研究结果表明活性污泥对膜污染的形成过程具有复杂的影响， e p s 与膜污染间存在着很大的联系，但是它并不是膜污染的唯一因素；e p s 的浓 度与污泥特性也密切相关。因此，考虑到e p s 在污泥特性和膜污染中的重要作用， 为了减缓膜污染，它应该得到有效的控制。 b 、s m p m b r 中的s m p 污染仅在近几年才出现相关的研究报道。n g 等删研究发现膜 受s m p 的影响要大于微生物整体的影响，在膜过滤时s m p 会吸附到膜表面上， 堵塞膜孔和或在膜表面上形成凝胶层，为膜表面生物膜的形成可能提供了一个营 养源，并对透过液流造成水力学阻力4 1 1 。g e n g 掣4 2 1 研究发现，混合液中污泥絮体 的粒径分布和溶解性e p s 或s m p 的数量在很大程度上影响了污泥的污染倾向，但 是e p s 的浓度与膜污染并没有直接联系。此外，一些试验已表明，s m p 中引起膜 污染的主要物质是多糖类的物质。r o s e n b e r g e r 等【4 1 1 研究表明，污泥中的s m p 是引 起膜污染并造成膜性能改变的因素之一。i r i t a n i 等4 3 1 发现，在一个厌氧活性污泥系 统中，上清液对膜污染的相对贡献率接近10 0 ，说明s m p 是活性污泥过滤控制 因素，但是并没有涉及上清液胶体和溶解性物质的浓度。l y k o y 掣4 4 】在一个中试试 验规模的膜生物反应器中，对上清液和过滤液的s m p 分别进行了分析，发现可溶 性胡敏酸类物质、多碳化合物和金属离子配合物等对膜污染有重要影响。这些研 究说明，m b r 中s m p 的出现