（化学工程与技术专业论文）sbr处理生活污水过程中清洗条件对膜清洗效果影响的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 叛超噼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名垂坠鲥导师签名：垂蕉 日期：三! ! 里：受：! 摘要 摘要 本毕业论文针对北京工业大学生活污水，使用实验室规模( 2 0 l ) 的s b r 反 应器进行生物处理，并用死端微滤装置( 0 1 9 m 的p e s 微滤膜) 对s b r 出水进 行了过滤。对膜的过滤行为、膜的洗涤( 漂洗和化学清洗) 的操作条件对清洗效 果的影响进行了系统研究。 首先对试验用膜进行孔径分析并对污泥悬浮液进行粒径分析，证明了过滤机 理为滤饼过滤机理。同时，通过h e r m i a s 过滤定理也证明了滤饼过滤机理的正 确性。在过滤过程中，膜阻力只占较小的一部分，滤饼阻力为主要阻力。 其次，当过滤进行了一段时间后，膜通量下降严重，需要对膜进行清洗以恢 复其下降了的通量。漂洗过程可以去除膜上的污染物，使下降了的膜通量恢复到 一定水平，这证明漂洗是有效的。但是，并不能使下降了的膜通量恢复到初始值， 随着漂洗周期的增加，漂洗不可去除的污染会累积，造成漂洗的效果越来越差。 在漂洗过程中，阻塞率越高，透过液累积体积越大，但是膜通量的回复率越低； 漂洗液温度越高清洗效果越好，但过高的温度并不能带来好的清洗效果；适当增 加转速会提高清洗效果；清洗次数为5 使会产生最好的漂洗效果；漂洗液用量不 会对漂洗效果产生太大影响。通过正交分析得到主要影响因素对于产品水量的影 响程度顺序为：阻塞率、漂洗液温度、转速、漂洗次数、漂洗液体积、漂洗时间 和压力。并确定了最佳漂洗操作条件，且验证了最佳漂洗操作条件的正确性。用 多元回归的方法对实验数据进行回归分析，得到以下结论：阻塞率、漂洗液温度、 转速、漂洗次数、漂洗液体积为主要影响因素，漂洗时间和压力为非主要影响因 素；漂洗操作条件影响因素的顺序和定量关系为：阻塞率( 3 8 3 ) 、漂洗液温度 ( 2 1 6 ) 、速( 1 9 3 ) 、漂洗次数( 1 1 2 ) 、漂洗液体积( 9 6 ) 、漂洗时间和压力， 这与正交试验结果一致；得到了四个周期的回归方程，并验证了方程的误差小于 8 。 最后，当漂洗进行了几个周期后，其效果会越来越差，需要对膜进行化学清 洗。当漂洗无法使通量恢复到一个较好的值时，化学清洗可以达到目的。化学清 洗可以去除膜表面和膜孔内的有机物、胶体、微生物和无机盐沉淀等污染物，但 是有些污染物还是无法去除，也有累积作用。化学清洗预实验确定了化学清洗剂 的使用顺序：先用n a c l 0 清洗，后用柠檬酸清洗效果较好。通过电镜照片证明 了化学清洗的有效性，也证明了膜表面和膜断面的特性与分析结果的一致性。在 单因素试验中，升高n a c l 0 的p h 和温度会使膜通量得到较好的恢复并得到较高 的透过液累积体积；减小柠檬酸的p h 会得到较好的化学清洗效果；增加柠檬酸 的温度同样会得到较高的透过液累积体积和化学清洗效果。用多元分析法对化学 清洗数据进行分析，其结论为：影响因素顺序为：柠檬酸p h 、柠檬酸温度、次 氯酸钠p h 、次氯酸钠浸泡温度、次氯酸钠浸泡时间、柠檬酸用量、n a c i o 用量 北京t 业大学工学硕十学位论文 和柠檬酸浸泡时间；柠檬酸p h 、柠檬酸温度、次氯酸钠p h 和次氯酸钠浸泡温 度为主要影响因素，次氯酸钠浸泡时间、柠檬酸用量、n a c i o 用量和柠檬酸浸泡 时间为次要影响因素；得到了透过液累积体积与化学清洗操作条件之间的回归方 程式。 关键词：s b r ；操作条件；膜污染；膜清洗；多元回归 a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c e so fw a t e rr i n s i n gc o n d i t i o n sa n dc h e m i c a lc l e a n i n go nt h e c u m u l a t i v ef i l t r a t ev o l u m ec o l l e c t e df o ra s p e c i f i e dt i m e ( c m p f i o w e r e s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h ef l u xd e c l i n e ds e r i o u sa f t e rl o n gt i m eo p e r a t i o n , s ot h e c l e a n i n gp r o c e s s e sw e r ed e m a n d e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em e m b r a n ef i l t r a t i o n p r o c e s s ，t h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( i n c l u d i n gr i n s i n ga n dc h e m i c a l c l e a n i n g ) o nc l e a n i n ge f f i c i e n c yw e r ei n v e s t i g a t e d f i r s t l y ，t h ep o r es i z eo ft h em e m b r a n ea n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef e e ds o l u t i o na n d t h ep o r es i z ed i s t r i b u t i o no ft h ep e sm e m b r a n ew e r em e a s u r e d i tw a sp r o v e dt h a tt h e m e m b r a n ef o u l i n gm e c h a n i s mi sc a k ef i l t r a t i o n t h e nt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r e a n a l y z e db yu s i n gc l a s s i c a lh e r m a n sf i l t r a t i o nl a w s ，t h er e s u l ti sa l s oa g r e e m e n tw i t h a b o v e i nt h ef o u l i n gs t a g e ，t h ei n t r i n s i cm e m b r a n er e s i s t a n c ec a nb ei g n o r e d ，a n dt h e d o m i n a n tr e s i s t a n c ei sc a k er e s i s t a n c e s e c o n d l y , p e r m e a t ef l u xd e c l i n e sd u r i n gt h em e m b r a n ef i l t r a t i o np r o c e s sw i t ht i m e r i n s i n gw a t e rr i n s i n gp r o c e s sc a nm a k et h ed e c l i n e df l u xr e s t o r e dn e a r l yt oi t si n i t i a l v a l u e h o w e v e r , t h ea b i l i t yo fw a t e rr i n s i n gi sg r a d u a l l yr e d u c i n gw i t ht h ei n c r e a s eo f c l e a n i n gc y c l e ，w h i c hi sa s s o c i a t e dw i t ht h ei n c r e a s i n ga c c u m u l a t i o no fi r r e v e r s i b l e p o l l u t a n t so n t oa n di n t ot h em e m b r a n ep o r e s i nr i n s i n gp r o c e s s ，t h er e l a t i v ef l u xh a sa p o s i t i v ei n f l u e n c et ot h ec m p f kh o w e v e r ，t h er e c o v e r yo ft h em e m b r a n ei sw o r s e w h i c hd u et ot h es e v e r ef o u l i n g t h es e q u e n c eo fw a t e r r i n s i n gc o n d i t i o n so nc m p f v b yo r t h o g o n a la n a l y s ew e r er e l a t i v ef l u x ，d e t e r g e n tt e m p e r a t u r e ，w a s h i n gt i m e s ， a g i t a t i o ns p e e d ，d e t e r g e n tv o l u m es o a k i n gt i m ea n dt m p v v l l e r lt h eo p t i m u mw a t e r r i n s i n gc o n d i t i o n sw e r ec o n t r o l l e d ，t h ev a l u eo ft h ec u m u l a t i v ef i l t r a t ev o l u m eo f m e m b r a n ep e r m e a t ew a sh i g h e rt h a nt h a tf o ra n yo t h e rc o n d i t i o n s t h es e q u e n c ea n d t h ea v e r a g ep e r c e n t a g ec o n t r i b u t i o no ft h ew a t e rr i n s i n gc o n d i t i o n so nc m p f vo f e a c hr i n s i n gc y c l ew e r er e l a t i v ef l u x ( 3 8 3 ) ，d e t e r g e n tt e m p e r a t u r e ( 2 1 6 ) ，w a s h i n g t i m e s ，( 1 9 3 ) ，a g i t a t i o ns p e e d ( 11 2 ) ，d e t e r g e n tv o l u m e ( 9 6 ) t h er e s u l ti st h e s a m ew i t h o r t h o g o n a la n a l y s e i n a d d i t i o n ，t h e f o r m u l a sw e r ed e f i n e d q u a n t i f i c a t i o n a l l yf o rf o u rc y c l e sr e s p e c t i v e l ya n dt h e s ec a ng i v eg o o dp r e d i c t i v e r e s u l t s ( r e l a t i v ee r r o r v b 时悬浮固体将会在膜表面沉积； 当v f 时，混合液中的悬浮固体不会沉积在膜表面，同时沉积在膜表面的污 泥也会从膜面脱落下来。徐慧芳等【3 0 】用气升循环分体式m b r 处理厕所污水，研究 了产水时间对产水量的影响，结果表明：工作时间间歇时间为3 ：1 - - - 5 ：1 更能保 持较大的膜通量，有效地减缓膜污染。 ( 3 ) 合理( 空) 曝气 在m b r 中，曝气的目的除了为微生物供氧之外，大量气泡以较高速度穿过 中空纤维膜组件的过程，以及气体夹带的水流对膜面的冲刷作用，使膜表面处于 剧烈紊动状态，避免了凝胶层的增厚和堵塞物质的积累，大大延长了膜清洗周期。 因此其曝气量较高，气水体积比为4 0 1 0 0 ，明显高于传统处理工艺。但曝气过 大时，会导致膜表面沉积的颗粒粒径减小，使滤饼的结构更加致密，从而使其膜 过滤阻力增加。因此也并不是曝气量越大越好。另外，当膜表面附着的污泥层为 主要过滤阻力时，可以停止进出水，通过空曝气能够使膜过滤压差下降3 1 8 - - - , 1 0 8 k p a 3 1 1 。 ( 4 ) 定期反冲或反吹 定期空气反吹或水反冲洗不仅可以将膜面的泥饼层吹脱，还可以将膜孔中的 污染物清洗掉，从而获得稳定的膜通量，但是对膜组件的强度和性能要求较高。 另外，膜材料表面常常存在有机械损伤或制造过程中形成的瑕疵，而在m b r 运行 一段时间后，这些损伤或瑕疵会被悬浮固体所堵塞而修复，并不影响出水水质， 而如果采用空气反吹或水反冲洗，已形成的修复会被破坏而影响出水水质【3 2 1 。 ( 5 ) 合理放置膜组件 膜组件的安放应当考虑膜组件与曝气池墙体之间的距离、膜组件与空气扩散 器之间的距离以及膜组件与反应器液面、空气扩散器和曝气池底之间的距离，以 北京t 业大学丁学硕十学位论文 保证水从池底垂直向上流、膜表面与水流均匀接触、使向下的水流能均匀分布在 膜单元周围，尽量降低浓差极化，有利于减缓泥饼的形成和促进泥饼层的脱落， 达到延缓膜污染的目的。膜组件放置在曝气管( 盘) 上方，使中空纤维膜丝在反应 器的混合液中摆动，有利于泥饼层的脱落。 1 3 膜清洗 膜清洗是改善膜污染最行之有效和最易实现的方法，是m b r 过程中的主要过 程之一【2 1 。对于不同形式的膜污染，应采用不同的清洗方法。膜的清洗主要分为 物理清洗和化学清洗。物理清洗是利用高速的水或空气与水的混合流体冲刷膜表 面，这种方法具有不引入新污染物、清洗步骤简单、对膜损伤小等特点，但该法 只对污染初期的膜有效，清洗效果不能持久。化学清洗是在水流中加入适合的化 学药剂，连续循环清洗，该法能清除复合污垢，迅速恢复膜通量。化学清洗存在 向系统引入新污染物的可能，另外运行与清洗之间转换步骤较多，操作要求高。 1 3 1 物理清洗 物理清洗指人工、机械清洗和清水清洗等不使用任何形式化学药剂的清洗方 法。物理清洗所需设备简单，但清洗效果有限，不能彻底清除膜污染，只能作为 一种简单的维护手段。 ( 1 ) 水反冲洗： 水反冲洗是指在膜出水口施加一个反冲洗压力，使处理水或处理水与空气混 合流体反穿通过膜而进行的冲洗。水反冲洗对膜性能要求较高，为避免损伤膜而 导致出水恶化，反冲洗应在低压状态操作。 王勇等在对一体浸没式m b r 的聚四氟乙烯微滤膜的膜污染清洗中【3 3 1 ，采用了 高表面流速、低操作压力的膜表面水力加压反洗，这是因为高表面流速有利于减 轻浓差极化，提高膜透过水量，低操作压力可以避免破坏膜表面结构，减轻污染 物质向膜面的对流传递作用，减少对污染层的压实效应。 付婉霞在膜生物反应器处理盥洗废水的研究中发现【3 4 1 ，用一定量的水对污染 的膜组件进行冲洗、浸泡、轻微搓揉可以较彻底地去除运行初期的膜表面沉积物， 使膜通量有较大程度的恢复，但随运行时间的延长，清洗的效果变差，膜通量恢 复率较低；此时用水反冲洗可以去除膜孔中的堵塞物和膜表面残留的滤饼层，使 膜通量进一步恢复。樊耀波【3 5 】等通过研究对于膜的最佳冲洗周期，得出了相应的 测定公式。 ( 2 ) 海绵球清洗： 用水力控制海绵球经过膜表面，可以强行去除膜表面的污染物，但去除硬质 污垢时易损伤膜表面，需小心操作。孙振龙【3 6 】等研究后指出，对平片膜组件只用 简单的在线海绵擦洗，便可以基本恢复膜通量，从而起到了减少化学清洗次数， 第1 章绪论 降低清洗费用的作用。 ( 3 ) 空气反吹清洗： y a a g 等【3 2 1 对过滤一空气反吹的研究发现，过滤1 5 r a i n 空气，反吹1 5 m i n 可以获得 最佳的透过稳定性和总通量，尽管这种循环操作不能完全清除膜污染，但与连续 运行工艺相比，提高了2 7 1 的通量。然而空气反吹清洗去除的主要是膜的外部 截留污染物，只有化学清洗才能完全清除由大分子物质吸附带来的内部和外部截 留物。 ( 4 ) 空曝气清洗： 空曝气清洗是一种强化水流循环作用的物理清洗方法，就是在停止进出水 时，强度连续曝气2 一- , 3 d ，利用水的循环和剪切力的作用冲脱沉积在膜表面上的 污泥层。但只有当膜表面附着的污泥层对膜的过滤造成很大影响时，采用空曝气 的冲洗方法才能取得比较显著的清洗效果。而且加大曝气量会粉碎污泥颗粒，导 致随后的运行中形成的污泥层更致密，膜阻力上升得更快。 ( 5 ) 超声波清洗： 超声波清洗是利用超声波在水中引起剧烈的紊流、气穴和震动而达到去除膜 污染的目的，清洗速度快，效果好。如附着生长型m b r 的污染膜表面粘性较大， 常规物理清洗效果差，采用超声波清洗能使膜通透性恢复约3 0 。b j a n u a r y 等人 的研究还表吲3 7 1 ，利用超声波还可以测定膜污染的类型和大小。超声波清洗可以 在m b r 运行过程中实行在线进行，然而由于超声波对微生物有杀灭作用，其在清 洗过程中对活性污泥中的微生物的影响还有待进一步研究。 ( 6 ) 电清洗： 电清洗是在膜上施加电压，使污染颗粒带上电荷，来加速清洗过程的一种方 法，该方法尚处于研究阶段【3 引。此外，还可以用机械刮除、脉冲清洗、脉冲电解 及电渗透反冲洗等方法清洗污染膜。 1 3 2 化学清洗 1 3 - 2 - 1 化学清洗技术 在膜法处理污水的实际过程中，由于膜的细小孔径很容易被污染物堵塞，仅 靠物理清洗技术不能有效恢复膜的透过率，直接影响处理效果，因此必须使用化 学清洗方法恢复膜的通透性。 化学清洗通常是根据膜的污染程度【3 9 】，用氧化剂( 次氯酸钠等) 、酸( 盐酸、 硫酸、硝酸等) 、碱( 氢氧化钠等) 、络合剂、表面活性剂、酶、洗涤剂等化学清 洗剂对膜进行浸泡和清洗，是一种去除膜污染的相对最有效的方法。对于不同材 质的膜，应选择不同的化学清洗剂，并防止化学清洗剂对膜造成损坏。用低浓度 的氧化剂可以对污染较轻的膜组件进行在线清洗。而对于污染严重的膜组件，需 加入酸、碱或氧化剂浸泡清洗。 北京t 业大学t 学硕士学位论文 碱性清洗液可以有效去除蛋白质污染，破坏凝胶层，使其从膜表面剥离下来。 酸类清洗剂可以溶解并去除无机矿物质和盐类，溶出结合在凝胶层和水垢层中的 铜、镁等无机金属离子，将残存的凝胶层和水垢层从膜表面彻底清洗以恢复其通 透能力。如对于大分子物质等在膜表面形成的凝胶层，水反冲洗效果甚微，可用 酸或碱液浸泡清洗污染膜，碱性条件下有机物、二氧化硅和生物污染物易被清除， 酸性条件下可溶解清洗一些金属离子污染物【柏】。c h e n 等研究表明 16 1 ，使用酸或碱 液清洗时，膜组件若浸泡时间过长，会重新吸附被酸和碱溶液溶解的有机物，故 需把握适当的清洗时间。此外，在清洗过程中应尽量避免酸、碱、氧化剂过量而 泄漏到反应器中，特别是浸泡式膜生物反应器r ( r m b r ) 更要特别注意这一问题。 清洗不同的废水处理用膜，应采用不同的化学清洗方法，且化学清洗液的浓 度要适宜。如质量分数为2 - - 一5 的次氯酸钠稀溶液对去除膜孔内附着滋生的微 生物和蛋白质等有机污染物有很好的效果，而先酸后碱的清洗方法不适用于盥洗 废水处理用膜，碱洗的化学清洗方式对悬浮生长型m b r 的污染膜的过滤性能的 恢复作用显著。刘锦霞等认为【4 1 1 ，对于特定的污染物，应采用特定的清洗方法， 如用n a c l 0 清洗容易滋生微生物的中空纤维膜内表面，对提高膜比通量效果明 显；用酸性高锰酸钾氧化清洗受菌体、多肽多糖大分子物质污染的超滤膜，比用 双氧水清洗效果明显。但目前对特定膜及特定污染物的清洗方法的研究报道很 少。 1 3 2 _ 2 化学清洗药剂 在化学清洗过程中经常用到以下化学药剂 4 2 ，4 3 】： ( 1 ) 机强酸：主要使污染物中一部分不溶性物质变为可溶性物质：有机酸主要是 消除无机盐的沉积。 ( 2 ) 碱液：多篇文献报道了碱液对已污染的超滤膜有较好的清洗效果。强碱主要 是清除油脂和蛋白、藻类等生物物质的污染。碱清洗液包括磷酸盐、碳酸盆 和氢氧化物，这些物质起去垢剂的作用，使沉积物松动、乳化和分散。为了 去除湿润油、润滑酷污秽物和生物物质，通常加入表面活性剂以增加碱清洗 液的去垢性；为了去除如硅酸盐等特别难去除的沉积物，常和酸类清洗剂交 替使用。 ( 3 ) 加酶洗涤剂：用加酶洗涤剂对有机物，特别是对蛋白质、多糖类、油脂类污 染物的清洗是有效的。用低浓度的加酶试剂时须长时间浸渍，高浓度加酶试 剂清洗时间可短些，但需十分注意其对膜性能的影响。 ( 4 ) 浓盐水：对浓厚胶体污染的膜采用浓盐水清洗是有效的，因为高浓度的盐水 能减弱胶体间的相互作用，促进胶体凝聚形成胶团。 ( 5 ) 水溶性乳化液：此法对被油和氧化铁污染的膜进行清洗十分有效。 ( 6 ) 氧化剂：常用氧化剂有双氧水、次氯酸钠溶液等。双氧水溶液对被排水污染 1 0 第1 章绪论 的膜和对有机物污染的膜具有良好的效果：次氯酸钠溶液可用于清除有机物 及微生物，而且次氯酸钠是膜的溶胀剂，能有效地洗出沉积在膜孔中的物料。 此外，还有高锰酸钾等氧化剂。 ( 7 ) 表面活性剂：表面活性剂主要清除污染物，但有些阴离子型和非离子型表面 活性剂能同膜结合形成新的污染，故在使用时须加以注意。 ( 8 ) 鳌合剂：鳌合剂主要是与污染物中的无机离子络合生成溶解度大的物质，减 少膜表面和孔内沉积的盐和吸附的无机污染物。常用的有乙二胺四醋酸钠 ( e d t a ) ，磷狡基梭酸、葡糖酸、柠檬酸和聚合物基的鳌合剂。 ( 9 ) 按配方制备的产品：商品化学试剂的局限性使膜制造商和其它厂商制备了非 专卖的配方产品作为清洗剂。这些非专卖的按配方生产的膜清洗剂优于如柠 檬酸和加酶洗涤剂之类较传统的功能单一的商品型清洗剂。 化学清洗会给实际运行带来许多不便，而且化学药剂会带来二次污染，因此 应尽量避免化学清洗，但从运行实际情况来看，经过较长时间的运行后，利用化 学清洗来维护膜通量仍是不可缺少的，只是清洗手段和频率的选择仍需进一步的 试验和探讨。 表1 1m b r 厂商提供的化学清洗剂浓度【5 3 l t a b 7i n t e n s i v ec h e m i c a lc l e a n i n gp r o t o c o l sf o rf o u rm b r s u p p l i e r s a 4 8 】 c i l ：在线清洗，化学清洗剂一般在膜内反冲洗( 重力条件下) ； c i p ：现场清洗，膜组件一般是分置的并且排干，组件在浸泡到化学清洗剂 前漂洗过，并且通过漂洗去除多余的氯。 世界四大m b r 供应商( k u b o t a , m e m c o r ，m i t s u b i s h ia n dz e n o n ) 都提供了他们各 自的清洗配方，这些配方在浓度和方法上有所不同。一般情况下，比较普遍的清 洗剂为n a o c l ( 有机物) 和柠檬酸( 无机物) 。最近n a o c l 对于去除微生物的化 学清洗效果在m b r 过程中也被研究了】。一般日常的维护性清洗大概需要3 0 分钟 为一个周期，通常为3 - 一7 天进行一次，这时需要的n a o c l 浓度为0 0 1 。但是恢 复性的清洗需要更高计量的清洗剂，如o 2 o 5 的n a o c l 和0 2 0 3 的柠檬酸 北京丁业大学t 学硕+ 学位论文 或者0 5 1 的氧化性酸。厂商也会针对不同的设备提供适合的清洗方案( 如化 学清洗剂浓度及清洗频率) 4 5 a 6 4 7 1 。进行化学清洗以后，由t o c 表征的透过液污 染物浓度在化学清洗阶段过后上升了【4 5 1 ，这对m b r 谚i i 化工程也很重要。目前为止， 对于对于化学清洗过程的系统性研究的出版物还没有问世。这主要由于m b r 因地 点而污染物特性不同而导致的。 1 4 本研究的内容及目的 1 4 1 本研究的目的及意义 如何实现包含多变量的s b r 清洗过程的优化，真正实现低膜污染低能耗低 运行成本下s b r 的保质( 出水水质) 保量( 出水量) 运行。膜分离技术在使用 过程中的膜污染现象的存在，如微粒在膜孔内吸附、膜表面堵塞和沉积等，使 得膜技术的通量降低，操作压力增大，最终导致成本的增加。因此，要对在实 际膜过滤过程中的膜通量进行预测，以研究其污染状况，这已成为此领域的研 究关键技术之一。 通过分别研究目标函数( s b r 的产品水量、s b r 中膜污染的清洗恢复率) 与操作条件( 操作压力、清洗方式、清洗剂种类、清洗剂用量、清洗剂温度、 清洗剂体积、清洗剂浓度、清洗时间、浸泡时间等) 之间的变化规律性，在此 基础上，再采用数学方法来进一步确定目标函数与操作条件之间的定量数学关 系式，并定量评价各影响因素分别对目标函数的实际贡献大小，得到较佳的清 洗方案。本文的研究目的在于： ( 1 ) 定量确定s b r 膜清洗漂洗过程和化学清洗过程中各主要清洗因素对清 洗效果的影响程度大小； ( 2 ) 建立死端超滤膜操作过程中膜清洗效果及产品水量的定量关系式； ( 3 ) 适宜清洗方案的确定。 1 4 2 本研究的主要内容 本文在实验的基础上，以s b r 中膜清洗动力学的研究为主线，主要开展以 下工作： ( 1 ) 借助数学方法来确定s b r 运行过程中，进行膜清洗时的各操作条件与膜 清洗效果及产品水量之间的定量关联； ( 2 ) 确定s b r 膜清洗过程中各主要清洗因素对膜清洗效果及产品水量的影 响程度大小。 ( 3 ) 选择较佳的清洗操作条件。 这些结果可为中水回用过程中低成本智能化控制系统的开发提供理论依据， 同时可为节能降耗做出实质性的贡献。 1 2 ( 2 ) 将多元回归方法用于研究不同操作条件对清洗效果的影响，并定量确定了不 同的操作条件对清洗效果的影响程度。 北京t , i k 大学下学硕十学位论文 1 4 第2 章实验与数据处理 第2 章实验与数据处理 2 1 实验材料与仪器 2 1 1 实验试剂 表2 1 实验用试剂 2 1 2 实验仪器 表2 - 2 实验用仪器 t a b 2 - 2e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t s 1 5 北京工业大学t 学硕士学位论文 2 1 3 实验用膜材料 本实验中所用的标准孔径为0 1 mp e s 进口微滤膜( 安得膜公司) ，使用前需将其浸泡在 去离子水中1 0 1 2 小时去除膜表面的甘油( 保护剂) 。为了保证实验数据的准确性，在每次实 验前先用去离子水测试新膜的通量，选用通量相近的膜来进行实验，尽可能减小膜间的差异 引起的实验误差。 2 2 实验所用生活污水的水质指标 2 2 1 水质指标分析 本实验接种污泥取自北京市某污水处理厂，在实验室自制的生物反应器中 进行( 8 l d ) ，试验期间不排泥。生物反应器进水为北京工业大学生活污水，经 过处理2 4 小时后，将其出水经过死端微滤装置进行过滤。生物反应器的进出水 指标见表1 。s b r 运行参数见表2 ： 其测定方法见附录1 。 表2 _ 4 生活污水水质指标 t a b 2 4q u a l i t yo f d o m e s t i cw a s t e w a t e r 表2 生物反应器的运行参数 t a b 2 - 4 o p e r a t i n gp a r a m e t e r so fb i o r e a c t o r 2 2 2 活性污泥形态分析 在实验过程中，每周一次定期观察了膜生物反应器中的污泥形态如图3 1 所 示。图2 - 1 中，是典型的水中微生物的形态。以上污泥形态用，并采用0 1 y m p u s b x 5 1 显微镜观察微型动物。本实验期间，每周拍摄一次。从照片看，可观察到的微生 物基本为以上几种，主要为草履虫、钟虫、线形虫和球状菌等，并且在实验过程 中并没有观察到污泥膨胀和明显微生物种群变化的现象。 第2 章实验与数据处理 ( a )( b ) 图2 - 1 污泥形态图( 1 0 0 ) f i g 2 1t h ec o n f i g u r a t i o no ft h es l u d g e ( d ) 2 3 实验装置 2 3 1 生物反应器 本实验接种污泥取自北京市某污水处理厂，采用间歇式生物反应器，其有 效容积为2 5 l ，制作材料为有机玻璃，生物反应器的装置图如图2 2 所示。生 物反应器的不同操作参数见表2 5 。生物反应器在不同的运行条件下运行，每天 运行8 小时，其中曝气反应6 小时，反硝化2 小时，曝气方式是采用空气压缩 机进行鼓风曝气，曝气时间由电磁继电器控制，运行过程中不排泥。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 r 一1 图2 - 2 间歇式生物反应器装置图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ei n t e r m i t t e n tm o d eb i o r e a c t o rs y s t e m 2 3 2 死端微滤装置 本实验的死端微滤装置流程图如图2 3 所示。主要有空气钢瓶，阀门，压 力表，水浴锅，温度计，超滤杯及电子天平组成。微滤评价装置的有效过滤面 积为2 4 o c m 2 ，容积为8 0 0 m l 。在恒压下进行过滤试验，压力由压缩空气提供， 透过液体积用电子秤通过测量重量计算，取样间隔根据渗透速率在1 5 s ，温度 用水浴锅控制。整个过滤过程的温度设定为生物反应器的温度，压力范围为o 0 6 m p a 0 】6 m p a 。 旋纷瞬蕊力溺 压力缀 图2 - 3 死端过滤装置图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fd e a d e n df i l t r a t i o ns y s t e m 2 4 实验步骤 ( 1 ) 实验前将膜在去离子水内浸泡8 1 0 小时。 ( 2 ) 将所有膜在使用前进行相同条件的清水预实验，测得膜的清水通量，选取 相同或相近的清水通量的膜进行实验，以保证数据准确。 ( 3 ) 实验开始，调整压力表到所需压力，将超滤杯倒满搅拌均匀的污水，连接 第2 苹实验与数据处理 压力表，并保证气密性，打开电脑数据记录软件，打开电子天平。 ( 4 ) 电脑每1 5 秒自动记数，当出现第一个数值时，将天平示数清零，待记数 再次出现0 0 0 0 时，瞬间打开压力阀，进行过滤。 ( 5 ) 待通量达到初始通量的1 0 时，关闭压力阀门，关闭天平，停止电脑数据 记录。 ( 6 ) 从超滤杯中到出污泥，保存实验数据。 ( 7 ) 按照实验要求的清洗条件对膜进行清洗。 ( 8 ) 用去离子水测定通量的恢复率。 ( 9 ) 重复以上实验步骤四次，每次均倒入新的污泥进行实验。 ( 1 0 ) 当水力清洗过后的膜通量达到初始膜通量的2 0 后，即认为水力清洗对 恢复膜通量没有效果，按照正交实验表中设定的操作条件进行化学清洗。 ( 1 1 ) 按照上述步骤重复一个周期。 其中：8 1 1 为化学清洗部分步骤。 2 5 实验数据处理 ( 一) 膜通量的计算 利用式( 3 1 ) 计算膜的料液通量，操作条件为预先设定的实验条件。 ，：旦 ( 2 1 ) 彳d f 式中- 厂为料液通量( m s q ) ；d v 为透过料液的体积( m 3 ) ；a 为膜的有效 面积( m 2 ) ；d t 为透过d y 的料液所需要的时间( s ) 。 ( - - ) 膜通量恢复率的计算 膜通量的恢复率( 厂f ) 是衡量膜不可逆污染的的指标，其计算方法为： r = ( 2 2 ) j 0 其中， 是在每次漂洗后悬浮液的初始通量，( m 3 m - 2 s 。1 ) ；而是原膜初始 过滤时的通量( m 3 m - 2 s 1 ) 。 ( 三) 膜阻力的计算 通过测定孔径为o 1ump e s 微滤膜在o 0 6 0 1 6 m p a 范围内的纯水通量， 并绘制通量随压力的变化，再利用d a r e y 定律计算出膜阻力。 r 。：t m _ p ( 2 3 ) m0 式中：r m 为膜阻力，( m 。) ；t m p 为过滤压力，( m p ) ；u 为过滤液体粘度， ( p a s ) 。 ( 四) 膜污染机理 膜的污染机理的确定是根据h e r m i a 的恒压堵塞过滤定律进行的，该定律具 北京t 业大学t 学硕十学佗论文 体表达式为： 斋= 七斟 ， 式中：k 、n 与污染机制有关的常数。 绘制拟合直线l o g ( d et d v 2 ) - l o g ( d t d v ) ，该直线的斜率就是n 值。可根 据n 值确定污染机理，当n = 2 时为完全堵塞，每个微粒都到达膜面上并堵塞膜 孔，微粒之间不相互叠加，堵塞表面积和过滤体积成正比；n = 1 时为不完全( 中 间) 堵塞，被堵塞孔的数目或表面积和过滤体积成正比，微粒之间可能发生相互叠 加；n = 1 5 时为标准堵塞，微粒能进入大部分膜孔并沉积在孔壁上，这样就减 少了膜孔的有效体积，膜孔有效体积的减小也和过滤体积成正比；n = 0 时为滤 饼过滤，比膜孔径大的微粒沉积在膜面上形成滤饼层。 ( 五) 阻力的确定 在各个周期中，为了研究污染特性的情况，定义了总阻力： r ，：t m _ p ：r 。+ 尺。+ 尺r ( 2 5 ) 渺 式中：r 是膜过滤的总阻力( m 。1 ) ；r 。是滤饼阻力( m 1 ) ；母是污染阻力，包 括孔阻塞和吸附( m 。1 ) 。 2 6 正交实验法和多元回归 正交实验设计( o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ) 是研究多因素多水平的 又一种设计方法，它既可以使实验安排的次数尽量减少，又可以在较少的实验 次数之上，利用实验数据，分析出较好的实验结论，得出较好的结果。多元回 归法是分析多变量体系的一种数学方法，在学术领域己被广泛应用，并已经取 得了良好的效果4 9 1 本文中利用了正交试验和多元回归两种方法进行试验设计和 数据分析。 第3 章漂洗 第3 章漂洗 3 1 漂洗实验的确定 在漂洗过程中，常用到的的清洗液为反渗透膜过滤后的产品水，其水质较 好，可以对膜起到较好的清洗效果。所以在本实验过程中，我们选取实验室自 制去离子水进行漂洗，其中不添加任何化学药剂。 根据文献的查阅和实际过程的调查，我们确定过滤压力、阻塞率、漂洗水 量、漂洗水温度、漂洗时间、搅拌器转速和清洗次数等七个对产品水量有影响 的因素，并针对每个因素选取7 个水平，确定正交试验表( 3 1 ) ，进行4 9 组正 交试验。在此过程中，由于实际的生产过程要得到的为过滤后的产品水，因此 采取产品水量即透过液累计体积作为评价清洗效果的主要参数。 表3 1 正交实验设计因素水平选择表 t a b3 - lf a c t o r - l e v e l so fo r t h o g o n a lt a b l e 压力相对通水温 清洗液体清洗时间搅拌器转速清洗次 水平 ( m p 小 量 ( ) 积( m 1 )( s ) ( m i n 。1 )数 10 0 60 955 01 01 0 01 20 0 8o 8 51 51 0 01 51 5 02 3 o 1 o 8 2 01 5 02 02 0 03 4o 1 2o 7 52 52 0 03 0 2 5 0 4 50 1 40 73 02 5 06 03 0 05 6 o 1 6 0 6 53 5 3 0 09 03 5 0 6 7o 1 8o 64 03 5 01 2 04 0 07 3 2 膜阻力的确定 根据d a r e y 定律，通过在一定的压力范围内( o 0 6 0 1 6 m p a ) 测定其通量 值，将凹对，作图，其斜率就是膜阻力。由图3 - 1 通过计算可得0 1 1 t m p e s 平板微滤膜在0 0 6 0 1 6 m p a 范围内的平均膜阻力为6 2 3 x 1 0 8 m 。 北京_ t 业大学t 学硕+ 学何论文 、 c b 厶 中o 、_ 一， 厶 q 1 522 533 5 4 p j ( 1 0 4 袖 图3 1 膜阻力图 f i g3 - 1t h er e s i s t a n c eo f m e m b r a n e 3 3 膜污染机理 为了确定膜污染的机理，首先分析了膜的孔径分布和进料液的粒径分布， 其次又将实验数据用h e r m a n s 过滤定理进行了分析。 3 3 1 膜与悬浮液性质 在本实验过程中，通过液一液界面法，利用毛细管现象对实验用膜( p e s o 1 “m ) 进行了孔径分析。实验测定实验用膜( p e so 1 9 m ) 在操作压力为 0 0 6 0 1 6 m p 的范围内孔径分布如图3 2 。在图中，可以观察到膜的孔径分布范 围为0 0 8 0 6 8 p m ，其峰值出现在o 1 岬，与厂商的数据基本一致。而且，有 8 0 的孔径在0 9 0 1 5 9 m 之间。 8 6 4 2 o 8 6 4 1 j 1j上lj 第3 章漂洗 1n n , i t u u 9 0 一 8 0 一 含 7 0 一 喜6 0 一 褥 5 0 一 鑫 4 0 一 3 0 认 2 0 一 ：l ： 1 0 卜： i 1 i n 00 1o 2o 3o 4o 5o 6 膜孔径( r t m ) 图3 2 孔径分布图 f i g3 - 2p a r t i c l ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o no ff e e ds u s p e n s i o n 图3 3 为死端微滤活性污泥悬浮液的粒径分布图。图中，活性污泥悬浮液 的粒径主要分布在1 0 到1 0 0 0 肛m 之间，其峰值出现在1 0 0 “m 处，占8 0 以上， 在1 o 岫之下的颗粒几乎没有。 v o l u m e ( ) | l 。 _ - 一一 粒径( hl i t ) 图3 - 3 粒径分布图 f i g 3 - 3p o r es i z ed i s t r i b u t i o no fm e m b r a n e 一2 3 一 比 率 ( ) 3 4 i 主要魍力的确定 露辫一麓霹 第3 章漂洗 2 5 p2 0 q 1 5 b 写1 0 o 支 5 0 1 53 1 56 0 09 0 01 2 0 01 4 8 51 7 8 52 0 0 02 1 0 0 t ( s ) 图3 - 5 通量随时间变化图 f i g 3 - 5j v s t i m e ( r m p = 0 1m p a , r = o 2 ，2 = 4 0 ，矿= 2 0 0 m l ，t = 1 0s ) 如前所述，在所显示的周期中，膜的过滤机理为滤饼阻力，那么确定漂洗过 程的主要阻力来源是非常重要的。在过滤过程中，阻力主要来源于三个部分：即 膜阻力，滤饼阻力和孔阻塞阻力。将俾积疗艘，对过滤时间作图( 图3 6 ) ，可见 除去膜阻力( r 广r m ) ，其他阻力占总阻力的9 9 以上。这就说明了，在过滤过程 中，膜阻力相对于剩余是非常小的。而剩余阻力由滤饼阻力和孔阻塞阻力构成， 本实验的过滤过程为滤饼过滤，孔阻塞现象基本也可以忽略不计，因此，在过滤 过程中的主要阻力为滤饼阻力。 o3 0 05 8 58 8 51 1 8 51 4 8 5 1 7 7 0 1 9 9 52 0 9 5 t ( s ) 图3 - 6 俾t - r 。艘，与时间 f i g 3 - 6 ( r f r 0 r tv s f i l t r a t i o nt i m e ( t m p = o 1m p a , 厂= 0 2 ，r = 4 0 ，矿= 2 0 0m l ，t = 1 0s ) - 2 5 鳃 舛 蛇 如 1 o o o o o p筐一日星。p匣一 北京丁业大学t 学硕+ 学位论文 3 4 2 漂洗效果 漂洗后的通量恢复率( j j