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膜生物反应器运行中的膜污染及其控制

杨宗政　顾　平(天津大学环境科学与工程学院,天津300072)

摘　要:阐述了膜生物反应器(MBR)在水处理方面的优缺点及膜污染的主要影响因素,总结了国内外关于膜污染及其数学模型的研究进展,归纳出膜污染模型的几种形式,并从膜本身的理化性质改变、混合液理化特性改善、操作条件优化等方面论述了减缓膜污染的方法及措施,

介绍了几种膜清洗的方法及设计和操作过程中应注意的问题,提出了今后研究的重点和方向.

关键词:膜生物反应器;膜污染;数学模型;控制途径中图分类号:X703.1 文献标识码:A

在水资源日益紧张的今天,MBR作为一种新型、高效的水处理技术,具有体积负荷高、占地面积小、剩余污泥量少、出水水质好且稳定等优点,已受到各国水处理工作者的重视.同时,也存在膜堵塞、清洗困难且成本较高以及膜(尤其是无机膜)的成本高等缺点.目前,MBR处理成本高的重要原因之一是膜污染,造成运行后期只能靠更换膜来恢复处理量,而使运行费用提高.膜污染问题成为MBR工艺的“瓶颈”.因此,研究膜污染机理、延缓膜污染,成为目前MBR工艺急需研究解决的关键问题之一,各国研究者很早就着手研究膜污染问题.本文对各种形式的膜污染模型进行了归纳、分类,并对膜污染的控制方法及清洗手段进行了总结,提出了膜污染控制技术的研究重点和方向.1　膜污染及影响因素膜污染是指MBR内混合液中的悬浮颗粒、胶体粒子或溶解性大分子有机物在膜表面和膜孔内吸附沉积,造成膜孔径减小或堵塞,使膜通量下降的现象.根据膜污染形成的位置可以分为外部堵塞(污染物吸附沉积在膜的表面,增加了水流过膜的阻力)和内部堵塞(污染物在膜孔内吸附沉积,减小了膜孔径,从而降低了膜通量).根据造成污染的物质不同可分为无机污染、有机污染和生物污染.其中以有机污染和生物污染最为普遍,对膜通量的影响最大.

影响膜污染的因素包括:

1)膜本身的特性如膜孔径及其分布、膜结构、

膜的物理特性、膜-溶质-溶剂之间的相互作用;

2)被处理的污水水质,特别是水中有机物的种类和浓度;

3)操作条件如污泥泥龄、溶解氧浓度、膜面流

速、温度等;

4)MBR的特征尺寸,高度、曝气系统布置等;5)其他因素如微生物种群之间的相互影响、膜

本身对生物膜生长的影响、细菌胞外聚合物(EPS)的组成及浓度等.

2　膜污染的数学模型根据膜污染模型形式可分为两类:一类是从膜的结构、特性出发来描述污染现象的模型;另一类是指数式经验模型.这两类模型又可归纳为以下几种.

2.1　与过膜压力(TMP)的关系据报道,膜的溶剂透过速率根据标准的Darcy

定律可表示如下[1]:

JV=Δpμ(Rm+Rf+Rc)=

Δp

μR

(1)

式中,JV为膜通量,m3/(m2・s);Δp为过膜压力(TMP),Pa;μ为滤液黏度,Pa・s;R

为纯膜阻力,

收稿日期:2004-02-05;修改稿收到日期:2004-05-17

基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2002AA601240)作者简介:杨宗政(1974-),男,河北人,博士生,讲师,研究水污染治理理论与技术.E-mail:yzz3520@163.com

第25卷　第2期膜　科　学　与　技　术Vol.25　No.2

为总阻力,m

-1

式(1)揭示了膜总阻力的构成.其中,纯膜阻力由膜的性质决定,膜选定后Rm基本保持不变.因此,提高膜通量的途径只有增加操作压力或是通过改变操作条件降低膜污染阻力和泥饼层阻力.操作压力对膜通量和膜污染同时有影响,即高操作压力能获得较大的膜通量,但膜易受污染;低操作压力虽能降低膜的污染速度,但仅能获得较低的膜通量而增加费用.这是一个“静态”的公式,没有说明膜通量如何受操作条件和运行时间的影响.经验表明,过高的操作压力将产生较快的膜污染,为获得的较高膜通量只有设法降低膜污染阻力和泥饼层阻力.

罗虹等[2]采用在中空纤维膜MBR中投加粉末活性炭(PAC)的方法有效地减小了滤饼层阻力(从原来占膜总阻力的51.3%降到11.6%),减缓了膜通量的下降.

2.2　与EPS的关系Lee等[3]将膜通量、TMP、过滤阻力进行关联,

得到了可用于MBR优化运行的数学模型.

JV=

Δp

μ(α・

m+R

)

(2)

m=km

VpXTss

A(3)

式中,JV为膜渗透通量,m3/(m2・s);Δp为过膜压力(TMP),Pa;α为EPS比阻力,m/kg;m为膜面EPS累积密度,kg/m2;k

m为交叉流动影响系数;Vp

为累积渗透液体积,m3;XTSS为MBR中总悬浮固体

浓度,kg/m

3;A为膜面积,m2

式(2)和(3)包括了“动态”因素,对于膜通量变化的描述更为详细.膜渗透通量与纯膜阻力以及α・m(包括膜污染阻力和泥饼层阻力)之和成反比,与

膜两侧压差成正比.α・m关联了单位膜面积的累积处理水量、反应器混合液悬浮固体浓度、重要的操作条件(交叉流动)影响和EPS的阻力特性.交叉流动影响系数km随混合液流动形态从层流到湍流在范围1

～0内变化,且当k

m=1时,膜过滤阻力达到最大值,

膜通量最小.该模型在操作参数优化和膜污染控制方面有一定意义.由模型可知,减缓膜污染的途径包括降低反应器混合液悬浮固体浓度、强化交叉流动和通过改善混合液生物相的性状而降低EPS的阻力.

2.3　与温度的关系温度对透水量的影响由混合液特性决定.在污

泥浓度(MLSS)为18000mg/L,温度在33～36℃时,温度增加1℃,透水量增加1L/(m2・h),黏度变化2%.对相同的污水和相同的污泥浓度条件下,透水量与温度的关系可用下式表达[4,5]:

QVT=QV25

×(1.0215)(T-25)(4)

式中,QVT为T℃时透水量,m3/d;QV25为25℃时透水量,m

/d;T为水温,℃.

由式(4)可以看出,在33～36℃间,随着温度的升高透水量呈指数增加.由此可见,混合液温度升高,有助于减小膜阻力,使透水量增加.

2.4　与运行时间的关系运行时间(t)很小时,即在MBR的启动阶段,

膜通量随时间的变化关系可用下列模型表示[6]:

JV=JVmin+u1/t+u2/t2+u3/t3

(t=0～40d)(5)反应一段时间后,随着时间的延长,膜通量随时间按照如下规律变化:

JV=JVmin+u/t　(t>180d)(6)

式中,JV为膜通量,L/(m2・d);JVmin为膜通量的极限值,即膜通量的最小值,L/(m2・d);t为运行时间,d;u1,u2,u3为膜污染反映系数,反映了膜堵塞的快慢,L/m

2,(L・d)/m2,(L・d2)/m2

式(6)说明在MBR的运行初期或工况变更期,

反应器内部处于不稳定状态,微生物代谢能力较弱,

降解中间产物增多,使凝胶层上迅速积累污染物,从而使膜通量随时间的变化很不稳定,呈负三次方关系.一段时间后,微生物恢复正常的生化反应能力,

降解中间产物减少,凝胶层上的污染物趋于一种动态平衡,而呈负一次方关系[7].

2.5　与污泥浓度的关系泥饼层的形成与MLSS有直接关系,MLSS对膜透水量和过滤阻力有直接影响.因获得相同的膜出水,膜表面将可能产生较多的泥饼,产生较大的泥饼层阻力.另外,在进水水质相同的情况下,MBR中较高的MLSS意味着反应器采用了较长的泥龄,生物相多处于内源代谢期,反应器中可能存在较多的EPS,造成了EPS阻力的增加.MLSS在10000～12000mg/L时,MBR膜通量与MLSS的对数成正比关系,而且截距不为零,可用公式(7)表示[7-11]:

JV=-Alog(MLSS)+B(7)式中,JV为膜通量,m3/(m2・d);MLSS为污泥浓度,

mg/L;A,B为常数,且A>0,B>0.随着膜材质、

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