（化学工艺专业论文）膜法富氧外置式膜生物反应器特性研究.pdf

摘要 摘要 强化0 2 在废水处理中的溶解度及总传质系数是提高好氧生物处理技术效能的重要 课题之一。本文采用富氧膜法制备0 2 体积浓度为2 8 8 的富氧气作为曝气源，研究了 富氧气在水中的传质特性，考察了富氧气曝气对有机物降解的效果，研究了进料浓度、 曝气量等因素对生物反应器效能的影响。结果表明，富氧曝气的生物降解效能显著高于 空气曝气，并且存在最佳的反应时间及气体用量。本研究范围内，富氧曝气时0 2 总传 质系数是空气曝气的1 3 倍；4 0 6 0 m i n 为效能最大化的反应时间；污水浓度越高，富氧 曝气的优势越明显。通过与外置式膜生物反应器组合后连续1 0 天运行i 水力停留时间 比空气曝气缩短近1 3 ，进水c o d 为4 5 0 7 0 0 m g l ，出水c o d 9 5 ； 出水n h 3 - n 9 0 。出水无色无味，s s 未检出，浊度 2 0 0 。 2 l 江南人学硕上学位论文 q l m i n 。1 图2 - 8 气体流量对去除率的影响 f i g 2 - 8 e f f e c to fd i f f e r e ma e r a t i o nf l u x0 1 1c o dr e m o v a l 由图2 8 可以看出，富氧曝气去除率明显高于空气曝气，而且流量越小，富氧的优 势越明显。在流量1 l - m i n 。1 时，微生物处于缺氧状态，同样流量下通入2 8 8 富氧时， 增加的7 氧含量被利用得越充分，去除率增量最大。而气体流量从1 6 7 l m i n 1 增至 2 5 l m i n 1 时，富氧和空气的去除率增量最大，可见，气体流量在1 2 5 l m i n 。1 时，微生 物都处在缺氧状态，此时，提高氧含量，微生物的活性提高最明显；继续增加气体流量， c o d 去除率提高并不明显，曝气量为2 5 l m i n 。1 己经基本满足微生物的氧气需求，此时， 增大气体流量，去除率增量不明显。因此：在低污泥浓度下，微生物需氧量较少，空气 曝气即可满足微生物降解所需氧气，而在高污泥浓度下，一般空气曝气无法满足较高的 氧气需求，膜法富氧射流曝气j 下好可以解决m b r 高污泥浓度运行的供氧需求，发挥 m b r 的高污泥浓度运行优势。 富氧曝气对不同进水c o d 浓度的降解作用 第二章膜法富氧曝气特性研究 一 唇 古 o u 图2 - 9 富氧气在不同进水c o d 浓度下的降解特性 f i g 2 - 9 c h a r a c t e r i s t i c so fe n f i c h e do x y g e na e r a t i o n d e g r a d a t i o nw i t hd i f f e r e n ti n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n 0 4 0 1 2 01 t m i n 图2 1 0 富氧气与空气曝气c o d 降解能力差异的变化 f i g 2 - 1 0 v a r i a t i o no f d e g r a d a t i o na b i l i t yd i f f e r e n c eu s i n g e n r i c h e do x y g e na e r a t i o na n dc o m m o no x y g e n i ca e r a t i o n 图2 - 9 为在污泥浓度m l s s = 4 9 l 一，气体流量2 5 l m i n 。1 时，不同进水c o d 浓度下 富氧气和空气曝气生化降解作用随时间的变化的情况。由图可见，c o d 降低速率在前 6 0 m i n 增加显著，且浓度越高降解的相对速率越大。这是因为在相同污泥浓度和气体流 量下，进水c o d 浓度高时生物可利用的有机物越丰富，微生物之间争夺食料的竞争越 小，因此生物活性越大，降解速率也越大。 狮 抽 仰 仍 o -1葛ui古ouq 江南火学硕i j 学位论文 图2 1 0 为根据图2 - 9 的结果，相同条件下富氧比空气曝气c o d 的降低值( a c o d ) 随时间变化的特性。由图可知，在生化降解的初期，富氧气的生化降解作用明显高于空 气，并且随时问的增加增大较快，在4 0 6 0 m i n 时达到最大值，随后两者的差异有所减 小。c o d 浓度越大，二者生化降解作用的差异越大，即富氧气生化降解能力越强。由 此表明，富氧气生化降解作用对高浓度废水处理发挥的优势越强，并且有一适宜的时间 范围。在本试验条件下，最佳发挥时间为4 0 - - 6 0 m i n 。说明微生物对氧气的利用有一个 优化过程，在本试验条件下，4 0 6 0 m i n 富氧曝气相对于空气曝气的优势达最大；且浓 度越高优势越明显。 由此可见，如何能够最大程度地发挥富氧曝气的优势，又对池容、处理量及能耗等 经济指标达到最佳，成为下一阶段研究的重要方面；而富氧空气曝气的组合，不失为 一条合适的途径，即在高浓度区采用富氧曝气，低浓度区采用空气曝气将成为本研究继 续探索的课题。 容积负荷对c o d 去除效果的影响 实验过程中，通过改变进水c o d 浓度调节c o d 负荷，讨论不同容积负荷( n v ) 下 c o d 去除率( c o d r ) 随容积负荷的变化关系。 叮p 叩e o o o o 卫 、 o o o n v k g c o d m - 3 d 。1 图2 1 1 客积负荷c o d 去除率关系 f i g 2 - 11 r e l a t i o nb e t w e e nv o l u m el o a da n dc o dr e m o v a l 图2 1 1 为在污泥浓度m l s s - - - 4 9 l ，气体流量2 5 l m i n j 时，不同容积负荷下富氧 气和空气曝气生化降解作用随时间的变化的情况。由图2 1 1 可以看出，富氧曝气和空 气曝气两种情况下，容积负荷从3 2 2 k g c o d m - 3 d j 提高到1 8 2 1 k g c o d m - 3 d ，c o d 去 除率没有随容积负荷的提高急剧下降，说明两种情况下反应器中微生物活性都较高，有 很强的抗冲击负荷能力；而富氧曝气去除率比空气高8 - - - 1 0 ，体现了一定的优势。 第二章膜泫富氧曝气特性研究 b g 凸 o u 隶 耀 鼍 球 o o u n v k g c o d m - 3 d - 1 图2 1 2 容积负荷c o d 氧化能力 f i g 2 - 12r e l a t i o nb e t w e e nv o l u m el o a da n d o x i d a t i o nc a p a c i t yo fc o d 分析实验过程中随着容积负荷的提高，c o d 去除负荷率的变化情况得出反应器c o d 去除负荷率与容积负荷变化曲线，即容积负荷c o d 氧化能力关系，如图2 1 2 示。由图可 以看出，容积负荷与c o d 氧化能力呈线性关系。当容积负荷一定时，富氧曝气时微生物 的氧化能力较强，说明空气曝气时，活性污泥活性相对较低，氧化能力弱。由此可见， 池内污泥活性的改变由于氧曝池内条件的改变，污泥的性状、成分、活性均发生了变化， 从而使酶的活力增强、污泥代谢加速，结果：氧曝池内单位时间、单位污泥可更多地降 解有机物，故从宏观上明显地反映出氧曝比普曝具有较高的降解能力。 2 5 连续式富氧曝气运行对r m b r 生化处理效果研究 r m b r 的出水稳定，水质好，c o d 去除率高。传统生物技术中系统的水力停留时 i h j ( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 很难分别控制，由于膜一生物反应器使用了膜分离技术， 该系统可在h r t 很短而s r t 很长的工况下运行，延长了废水中生物难降解的大分子有 机物在反应器中的停留时间。膜的截留作用使微生物在反应器中富集，同时膜表面凝胶 层的形成也起到了一定的截留作用，从而使膜生物反应器具有良好的有机物降解作用。 另外，循环混合液在膜面流过时产生的高剪切力作用使得污泥絮体的平均尺寸较小，有 利于传质过程，从而有利于微生物对有机物的降解作用。 试验采用流程如图2 1 3 的r m b r 以连续方式运行，模拟废水由阀门调节流量大小， 通过重力进水方式进入生物反应器，泥水混合液通过增压泵送入膜组件，浓缩液循环回 生物反应器，并且通过射流器对生物反应器曝气：透过液作为出水。透过液收集在反冲 罐中，用于膜的反冲洗。生物反应器有效容积为1 6 l ；膜组件为自制的内压式聚醚砜( p e s ) 江南人学硕：j ：学位论文 中空纤维超滤膜，截留分子量4 5 1 0 4 d a l t o n ，纤维内径1 4 r a m ，纤维长度0 。5 m ，有效 膜面积o 1 l m 2 ；曝气采用无锡市飞马膜工程技术有限公司提供的富氧膜装置，工作条件： 真空度0 0 7 5 m p a ，常温，0 2 体积浓度为2 8 8 。曝气分别采用0 2 体积浓度为2 8 8 的 膜法富氧气和空气，试验结果表明，富氧曝气时水中溶解氧浓度比空气曝气提高1 0 7 ； 在相同有机负荷、相同气体流量下，膜法富氧曝气比普通空气曝气水力停留时间( h r t ) 缩短3 0 ( 表2 2 ) 。膜法富氧曝气r m b r 对c o d 和氨氮的处理效果见图2 1 4 、2 1 5 。 表2 - 2r m b r 主要工艺参数 t a b l e 2 - 2r m b rr u n n i n gp a r a m e t e r s 水力停留时间 ( h r t ) h 泥龄 ( s r t ) d 悬浮液固体警 温脚 ( m l s s ) g 。l “ 空气 富氧 4 5 3 3 0 3 0 4 5 4 5 2 0 一2 5 2 0 2 5 1 一言氧膜；2 一真空压力表；3 一真空泵；4 一气体流量计；5 一进水箱；6 一计量泵； 7 一生物反应器；9 一混合液循环泵；8 ，1 0 ，1 3 ，1 9 ，2 1 一阀门；1 2 ，1 5 ，1 6 ，1 8 一压力表； 1 1 ，1 7 一流量计；1 4 一超滤膜组件；2 0 一反冲洗泵；2 2 一出水罐兼反冲洗罐 图2 1 3r m b r 试验流程图 f i g 2 13 s c h e m a t i cd i a g r a mo fr m b r 第一二章膜泫富氧曝7 气特性研究 一 乓 军 r z 图2 1 4r m b r 对c o d 去除效果 f i g 2 - 14 t h ee f f l u e n ta n dr e m o v a lo fc o d 图2 - 1 5r m b r 对n h 3 - n 的处理效果 f i g 2 15 t h ee f f l u e n ta n dr e m o v a lo f n h 3 一n z 士 z 卅 界 嘲 孓 可见，富氧曝气时，由于0 2 体积浓度的提高，在h r t 缩短3 0 的条件下，r m b r 对c o d 、氨氮、浊度、s s 仍表现出很好的去除效果。污泥浓度为4 5 9 l 。1 时，出水c o d 稳定至2 0 m g l d 左右；同时取样测进水及生物反应器内的上清液，在进水c o d 波动的 情况下，生物反应器的上清液c o d 也随之有波动，但出水c o d 去除率仍然大于9 5 ( 图 2 1 4 ) 。由于系统的泥龄( s l 玎) 长，对世代时间较长的硝化细菌的生长繁殖有利，膜的截 留使世代周期长的硝化细菌得以富集；另外，循环混合液在离心泵和膜面流动时产生的 剪切力作用下，使得污泥絮体的平均尺寸较小，表面更新速率加快，有利于传质过程和 江南人学硕：f ：学位论文 微生物对有机物的降解作用【2 8 l ；同时，生物反应器存在一些曝气死角，这些死角和管路 一起构成了一个兼氧区，从而存在着反硝化作用。在这三种因素的共同作用下，本r m b r 系统对氨氮有较好的去除效果，去除率达9 0 ( 图2 1 5 ) ；在进水浊度为6 0 6 5 n t u 情况 下，出水浊度小于o 1 n t u ；s s 未检出( 表2 3 ) 。 表2 3 系统的氨氮、浊度、s s 的出水指标及去除率 t a b l e 2 - 3e f f l u e n ti n d e xa n dr e m o v a l so fn h 3 - n t u r b i d i t ya n ds s 2 6 结论 1 通过射流曝气的清水充氧试验得出，相同条件下，氧在水中的总传质系数在用富氧 射流曝气和空气射流曝气时分别为1 5 o h 1 和1 1 4 h 1 ，富氧法氧的总传质系数是普通 ，。空气法的1 3 倍。氧的总传质系数随着水温增加线性增加。 2 通过污水曝气试验可知，相同气体流量下，同样的污泥负荷下，c o d 从5 0 0 m g l 1 降至2 0 0 m g l ，富氧法仅需3 0 m i n ，而空气法需6 0 m i n ，停留时间缩短了一半。 3 在试验条件下，无论是富氧和空气曝气，在不同气体流量下，随着气体流量的增， 微生物对c o d 的去除率也增加；在气体流量较小时，富氧相对于空气的优势越明显 当气体流量为2 5 l - m i n 1 时，继续增加气体流量，富氧和空气的c o d 去除率增加明 显。 4 容积负荷对c o d 去除率几乎没有影响；相比下而富氧曝气去除率比空气高8 1 0 ， 体现了一定的优势。 5 氧曝池内微生物氧化能力改变反映出污泥性状、成分、活性改变，从而使酶的活性 增强、污泥代谢加速。 6 将富氧曝气与r m b r 组合进行试验，出水c o d 9 5 ；出水 n h 3 n 9 0 。系统稳定运行后，连续1 0 天的运行，出水水质及水 量均较稳定，表明系统较好的运行稳定性及可靠性。 第三章膜过程特性研究 3 1 引言 第三章膜过程特性研究 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 ) i 艺是一种将生物处理过程与膜分离过 程有机结合的新工艺。它具有活性生物浓度高，污泥产量小，抗冲击负荷大；出水浊度及 总悬浮物( s s ) 很小，菌体去除率极高，出水较容易达到回用水的要求；操作要求低，运行 稳定，管理方便，占地小，适合不同规模的污水处理等优剧2 9 1 。 m b r 在运行过程中，极易受到生物体的污染，由于细胞和菌胶团以及胞外聚合物( e s p ) 的积累而形成的泥饼或生物膜1 3 0 j 吸附于膜的分离层表面，导致膜通量降低。如何削弱m b r 过程的污染，是国内外研究m b r 过程最重要的课题之一。人们在探索削弱膜污染的途径方 面，一般采用促进流体与膜表面污染层的剪切作用、膜面反向冲洗作用及化学清沈作用等 方式。根据膜组件和生物反应器的位置，m b r 可分为浸没式( s m b r ) 和外置式( r m b r ) 两种。 从膜组件的特性方面看，内压式r m b r 具备实现这些措施的条件，但是由于内压式中空纤 维膜的内径( 讲) 一般在0 8 1 0 m m ，用西较小的中空纤维膜制作r m b r 时，随着污染层的增 加，动力消耗增大，甚至会导致膜流道堵塞，制约了i 洲b r 的工业应用。在克服r m b r 弱 点方面，操建华等1 3 l 】研究聚丙烯中空纤维膜制作的r m b r ，通过控制膜面流速在 0 9 - 1 9 m s 。范围内，添加粉末活性炭和硫酸铝使膜组件反置运行等措施，膜面生物污染得 到有效改善；t a oj i a n g 等 3 2 1 研究管式超滤膜蹦b r ，认为最佳膜面流速为o 7 5 一l m s ，高 于此值，膜污染增加迅速。本章介绍采用自制坊为2 m m 的中空纤维膜制作的r m b r ，研究 膜法富氧曝气和操作条件对r m b r 性能的影响，并试图在削弱过程污染方面探索翻可行的! 途径。 3 2 材料和方法 3 2 1 主要材料及设备 药品及仪器 规格 生产厂家 重铬酸钾 硫酸银 邻菲罗啉 浓硫酸 硫酸亚铁铵 碘化钾 二氯化汞 氢氧化钾 a r a r a r a r a r a r a r a r 中国医药( 集团) 上海化学试剂公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 中国医药( 集团) 上海化学试剂公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 江南人学硕：l ：学位论文 酒石酸钾钠 无水氯化铵 去离子水 玻璃转子流量计 全自动微型家用增压泵 电磁式空气泵 a r a r ：l z b 6 1 8 w z 1 8 a c o 0 0 3 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 自制，电导率小于1 0 9 s c m 振兴流量仪袁厂 上海锡山泵业有限公司 浙江森森实业有限公司 3 2 2 分析检测方法 ( 1 ) m l s s ：减量法。 ( 2 ) 超滤膜通量的测定 测试原理：膜通量指单位时间内透过单位面积超滤膜的透过液的体积数。 计算公式： ，：旦 ( 3 1 ) a t 式3 1 中：卜膜通量，l n 1 - 2 h 1 ； 9 一透过液体积，l ； 彳一超滤膜有效面积，m 2 ； 卜收集透过液所用时间，h ； 3 2 3 分置式膜生物反应器试验流程及方法 试验采用流程如图3 1 的r m b r 以连续方式运行，模拟废水由阀门调节流量大小，通 过重力进水方式进入生物反应器，泥水混合液通过增压泵送入膜组件，浓缩液循环回生物 反应器，并且通过射流器对生物反应器曝气；透过液作为出水。透过液收集在反冲罐中， 用于膜的反冲洗。生物反应器有效容积为7 5 l 。膜组件为自制的内压式聚醚砜( p e s ) 中空纤 维超滤膜，截留分子量4 5 x 1 0 4 d a l t o n ，纤维内径2 0 m m ，纤维长度l m ，壁厚0 3 m m ，有 效膜面积l m 2 ；主要运行参数见表3 1 。 试验用水：进水采用人工合成废水，主要水质指标为：c o d 4 5 0 7 0 0 m g l 一；n h 3 n ： 1 4 1 8 m g l ：p h 7 0 - 7 5 ；温度：2 0 - 2 5 c 。模拟生活废水组成见表3 2 。 表3 1r m b r 主要工艺参数 t a b l e 3 1r m b r r u n n i n gp a r a m e t e r s 3 0 第三章膜过程特性研究 1 一富氧膜； 2 一真空压力表；3 一真空泵；4 一气体流量计；5 一进水箱；6 一计量泵； 7 一生物反应器；9 一混合液循环泵；8 , 1 0 ，1 3 ，1 9 ，2 1 一阀门；1 2 ，1 5 ，1 6 ，1 8 一压力表； l l ，1 7 一流量计；1 4 一超滤膜组件；2 0 一反冲洗泵；2 2 一出水罐兼反冲洗罐 图3 1r m b r 试验流程图 f i g 3 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fr m b r 表3 - 2 模拟废水组成 t a b l e 3 - 2 c o m p o s i t i o no f t h es y n t h e t i cw a s t e w a t e r 组成 含量m g l 1 组成 含量m g l - 1 葡萄糖 6 0 0 c a c l 2 1 8 蛋白胨 牛肉膏 k h 2 p 0 4 2 0 2 4 1 2 n a h c 0 3 尿素 n a n c 0 3 2 4 1 2 4 0 m g s 0 4 7 h 2 0 2 4 3 3 结果与讨论 3 3 1 温度对r m b r 出水通量影响 为了适应膜生物反应器反应温度的变化，试验在透膜压力为8 0 k p a , 膜面流速0 7 2 m s - 1 的条件下，考察r m b r 的反应温度对膜通量的影响，结果如图3 2 。 3 l 江南人学硕：l ：学位论文 温度o c 图3 - 2 温度对r m b r 出水通量影响 f i g 3 2d e p e n d e n c eo ff l u x0 1 3t e m p e r a t u r e 由图3 2 可见，温度对r m b r 的出水通量有较大影响。温度对膜通量的影响有以下三 方面：随着温度升高，泥水混合液粘度降低，膜的通量随之升高；粘度降低，流体的 雷诺数r p 增大，混合液的湍动增大，减小了阻力，同样使膜的通量增大；温度升高， 膜的浓差极化减小，同样使膜通量增大。在温度1 5 3 2 ，透膜压力为8 0 k p a ，膜面流速 o 7 2 m s 以的条件下，温度升高1 ，膜的出水通量增加2 5 。但升高温度会直接影响膜本 身的寿命，同时对生物的生长也不利，因此在常温下运行对整个反应器较适合。 3 3 2 跨膜压差对r m b r 通量影响 图3 - 3不同膜面流速下膜的纯水通量与t m p 的关系 f i g 3 - 3 d e p e n d e n c eo fw a t e rf l u xo nt m pf o r d i f f e r e n tv e l o c i t yo f f l o w 3 2 第三章膜过程特性研究 _ e 宴 + m f l s s ：2 2 9 l 。 图3 - 4 不同污泥浓度下t m p 对通量影响 f i g 3 - 4d e p e n d e n c eo ff l u xo r lt m p f o rd i f f e r e n tm l s s 图3 - 3 为不同膜面流速下，跨膜压差( t m p ) 对纯水通量的影响。由图3 3 可见，纯水通 量仅与t m p 相关，而与膜面流速无关。其中：t m p = ( 膜组件进口端压力+ 膜组件也1 2 端压 力) 2 。 试验在温度2 5 。c ，膜面流速为0 3 6 m s 一，m l s s 分别为2 2 9 l - l 、3 1 9 l 、4 6 9 l 1 的 状况下，考察三种不同污泥浓度下t m p 对通量的影响。图3 4 的结果显示，在一t m p 较低 时，随着t m p 增加，通量也随之增大，当t m p 增大到一定值时，则通量趋于平缓：随着 m l s s 增加，通量则随之下降。这是由于r m b r 处理的是活性污泥悬浮液，膜面滤饼层阻 力为过程控制因素。在一定流速下，流体流动形态一定，在t m p 较低时，由于通量较低， 膜面污染层形成慢，滤饼的压密性较弱，过程表现出压力推动型特征；当污染层形成趋于 稳定后，增大t m p 虽然推动力增大，但是滤饼的厚度也随之增大，对滤饼的压密性也增 强，从而阻力增大，两者的作用相互抵消，维持通量近于稳定。试验结果表明，滤饼的压 密性是不可逆的。当m l s s 增加时，滤饼层的形成较快，通量降低明显。 t m p ( a p ) 对，的影响也可以用膜污染阻力模型来解释。 在膜生物反应器中，膜通量和操作压力之间的关系可以用式3 2 表示。 ，：一a p ： 竺 ( 气，1 ，= 一= 一 f ，l j l l 足p ( 如+ 足+ r 。) 。 式3 2 中t 卜料液膜通量，l m - 2 h - 1 ： 旷料液粘度，p a s ；- ： 尺广为膜自身阻力，m 。j ： r 广凝胶层阻力，m 一； p 一透膜压差，k p a ； r 广过程总阻力，m ；。 r 广浓差极化产生的阻力，m 1 ； 江南人学硕：l ：学位论文 由图可知，尸对，的影响可分为低压，中压和高压阶段。俾肌) 膜自身阻力与压力无关， 为一定值；对高浓度生物污泥，产生膜污染的物质主要为大分子物质，在液相中的分子扩 散系数很小，一般产生的浓差极化阻力不大，污染阻力由凝胶层阻力( 只。) 控制。在低压段， 由于膜通量比较低，污染层的形成较慢，压力对污染层的压密作用较小，在一定膜面流速 下，抑制了污染层的形成，所以，在0 0 3 o 0 6 m p a ，三种污泥浓度下，p 与通量都成线 性关系。在中压区( o 0 6 卸0 9 m p a ) ，污染层的形成及压力对污染层的压密作用丌始显现， 与a p 成曲线关系；并且污泥浓度越大，污染阻力增加得越快。在高压阶段，凝胶层阻力 随尸的增加而增加，此时，随凹增加基本不变化。由此可以得出这样的结论，低操作 压力下，膜通量较小，增加操作压力有利于增加膜通量；但膜对活性污泥分离是一种压力 驱动的过滤过程，活性污泥混合液通过超滤膜的过滤阻力主要来自超滤膜微孔本身的阻力 及活性污泥在膜表面形成的凝胶层阻力，舯对通量的影响主要表现在凝胶层的厚度与密 实程度，膜表面的凝胶层在高操作压力下变得更加密实，导致过滤阻力增加，通量趋于稳 定而不再随着压力增加而增加；同时凝胶层的密实化也会增加膜的清洗难度，降低反冲洗 的清洗效率。对于本试验，在污泥浓度为2 2 9 l ，3 1 9 l ，4 6 9 l 。1 时的最佳操作压力为 9 0 k p a ，8 0 k p a ，6 0 k p a 。 综上所述，r m b r 运行时存在适宜t m p 。在本试验的三种m l s s 下，其适宜t m p 分 别为1 0 0 k p a ，8 0 k p a ，6 0 k p a 。由此可见污泥浓度越大，适宜操作压力越低。 3 3 3 膜面流速对r m b r 通量影响 时问m i n 一m l s s = 2 2 9 l - i ：v = 0 2 2 m s 1 m l s s = 22 9 l ；v = o6 7 m s - - 0 - 一m l s s = 2 2 9 l 一：v = 0 3 3 m s 一卜m l s s = 22 9 l 一：v = ll m s 。1 一m l s s = 2 2 9 l 1 ：v - - 0 5 6 m s 。1 m l s s - - - 2 2 8 l ：v = 1 3 m s 。1 图3 5不同流速下膜的通量随时间衰减图 f i g 3 - 5 d e p e n d e n c eo ff l u xd e c l i n eo nt i m ef o rd i f f e r e n t v e l o c i t yo f f l o w 3 4 第二三章膜过程特性研究 图3 5 给出了t m p 为1 0 0 k p a ，m l s s 为2 2 9 l 。1 时，不同膜面流速条件下，稳定通量随时 间的关系。由图3 5 可见，随着流速增加，稳定通量增加。这是由于流速增大，流体的胎 增大，对膜面污染的扰动增加，从而削弱了滤饼层的增厚，导致通量增大。 j q g d 膜面流速m s 4 图3 6 膜面流速对膜通量的影响 f i g 3 6d e p e n d e n c eo ff l u xo nv e l o c i t yo f f l o w 图3 6 为t m p 为1 0 0 k p a 下，对三种不同m l s s ，考察膜面流速对稳定通量的影响。由图 3 - 6 可见，在相同的流速下，通量随着m l s s 的增加而降低；在同一m l s s 下，较低流速时， 通量随流速的增加而增大，当流速增大至一定值后，通量表现出与流速无关的特性。这是 由于液体是不可压缩性流体，流速增加，摩擦阻力增加，要保持一定的t m p ，只有增大进 水端压力，降低浓水端压力。由3 3 2 讨论可知，压力越大，推动力越大，但对滤饼层的形 成和压密性越强，产生的阻力越大，两者作用交互影响，导致通量增加趋于平缓；若将曲 线转折点的流速称为适宜流速您，则不同的m l s s ，v c 不同，较高的m l s s 不宜采用过高的 流速，否则不仅不能增加通量，反而会造成能耗过高。这与d e v e r e u x 3 3 】的研究结果相同。 本试验的适宜流速为0 6 0 9 m s 。 流速和压降对污染层的抑制和压密性的交互作用也可根据流速与膜进出口压差( 和) 用 h a g o n p o i s e u i l l e 3 4 1 方程( 式3 3 ) 计算，结果见( 表3 3 ) 。 3 2 1 u l u 乃= 了 ( 3 3 ) u 其中：和广硫体因克服流动阻力而引起的压降差，p a ； p 一流体的粘度，p a s ； z 广流速，m s ： 扣管道直径，n l ； 江南人学硕：l ：学位论文 表3 3 n1 訇3 7 可见，随着流速增大，膜流道直径( 讲) 减小，但是当流速超过o 8 m s 一时， 流道直径随流速增加而增加。这说明在低流速下，流速增加，a p t g r 噎2 _ 增大，增大了膜的 通量；当流速超过0 8 m s j 后，虽然舵对污染层的增加起到一定抑制作用，但是随着却增大， 对污染层的压密作用增强，两者的交互作用导致过高的流速不但不能增加膜通量，反而增 大了膜的动力消耗，与图3 6 结果一致。 表3 - 3 膜面流速对各参数的影响( d i = 2 r a m ，l = l m ，m l s s = 2 2 9 l 一，t = 2 5 。c ) t a b l e 3 3t h ei m p a c to fv e l o c i t yo f f l o wo i lp a r a m e t e r s g 吕 专 v m s 1 图3 7 膜流道直径与流速变化关系 f i g 3 - 7 c h a n n e ld i a m e t e r so fm e m b r a n ef o r d i f f e r e n tf l o wv e l o c i t y 3 3 4 污泥浓度对r m b r 稳定通量的影响 控制反应器内活性污泥混合液中有机物浓度基本不变的条件下，在不同流速下考察活 3 6 第三三章膜过程特性研究 性污泥浓度对膜的稳定通量的影响，结果见图3 8 。 n 昌 这 # m l s s g l - 1 图3 8 不同流速下膜的稳定通量随污泥浓度变化关系 f i g 3 8 d e p e n d e n c eo f s t a b l ef l u xo n m l s sf o rd i f f e r e n tv e l o c i t y 图3 8 为不同膜面流速下，污泥浓度对膜稳定通量的影响。由图可见，增加膜面流速， 有利于通量的提高，但是，在同一流速下，随着m l s s 的增加，膜通量有所降低。当流速 为1 1 m s ，m l s s 为5 9 l 。1 时，即使在不反冲洗的情况下，稳定通量仍可达到3 6 l m h 1 。 3 4 结论 1 在操作压力，膜面流速一定时，温度升高1 ，膜的通量增加2 5 ，考虑到膜的寿命 和微生物的活性，反应器在常温下运行较合适。 2 在一定温度和膜面流速下，低于临界压力下，膜的通量随着操作压力增加而增大，高 于临界压力时，膜的通量与操作压力无关，趋于稳定；并且污泥浓度越大，临界操作 力越低，在污泥浓度为2 2 9 l ，3 1 9 l ，4 6 9 l 1 时的最佳操作压力为9 0 k p a ，8 0 k p a ， 6 0 k p a o 3 在相同的流速下，通量随着m l s s 的增加而降低；在同一m l s s 下，较低流速时，通 量随流速的增加而增大，当流速增大至定值后，通量表现出与流速无关的特性，这 也可用流速和压降对污染层的抑制和压密性的交互作用来解释，此试验的最佳膜速为 0 6 - - 4 ) 9 m s 。 4 考察不同污泥下流速与膜通量的关系表明，相同流速下膜通量随污泥浓度增加而减小。 3 7 江南大学硕l 学位论文 4 1 引言 第四章膜污染及清洗 膜分离的引入使m b r - v 艺的处理效果优于传统工艺，但同时也带来了新的问题，其 中膜污染问题就是一个突出的问题，它将影响膜的稳定运行，并决定膜的更换频率，因 此被认为是影响m b r 工艺经济性的间接原因。 膜污染是指那些由于在膜孔内、膜表面上各种污染物积累导致的膜通量下降的因素 和现象【35 1 。一般认为，广义的膜污染不仅包括由于不可逆吸附、堵塞引起的污染( 不可 逆污染) ，而且包括由于可逆的浓差极化导致凝胶层的形成( 可逆污染) ，二者共同造成运 行过程中膜通量的衰减【3 6 1 。膜的清洗方法通常可以分为物理方法和化学方法。 在任何膜分离技术中，尽管选择了合适的膜和适宜的操作条件，但在长期运行中， 膜的透水量会随着时间的延长而下降，这是因为膜孔的堵塞是不可避免的，即污染问题 必然发生。尤其是在膜技术中，由于处理的对象是污泥混合液，料液中大量的固体颗粒 和溶解性有机物很容易将膜孔堵塞，导致膜通量下降，影响膜组件的效率和使用寿命。 除了选择合适的抗污染性强的膜和适宜的操作条件之外，采用有效的清洗方法，可以将 膜面和膜孔的污染物去除，恢复膜的透水量，延长膜的寿命，并维持系统的正常运转。 膜的清洗方法通常可以分为物理方法和化学方法p7 。物理清洗一般指水力清洗与反冲 洗，周期比较短。水力清洗可除去中空纤维膜间和膜表面的污染物，减少透水阻力，从 而恢复通量1 3 引。反冲洗，即在膜的透水侧施加一个反冲压力来驱动清水反向透过膜，将 膜孔内的堵塞物冲洗掉，或使膜表面的沉积层悬浮起来，然后被水流冲走。当物理清洗 不能满足要求时，就需对膜进行化学清洗，但清洗周期比物理清洗长得多。因此，膜清 洗时要根据m b r 体系中膜污染的实际情况，选择合适的清洗时间和合理的清洗方法。 4 2 超滤膜的阻力 4 2 1 阻力模型 根据d a r c y 定律， 力无关。 ， a 尸 九2 鬲 纯溶剂的超滤透膜速率与透膜压力成j 下比，膜自身阻力与透膜压 则： 耻盖 式4 2 中： t ，产纯溶剂的超滤膜通量，l m - 2 h ； ( 4 1 ) ( 4 2 ) 第p q 章膜污染及清洗 尸- 一透膜压力，k p a ； o _ 纯溶剂粘度系数，p a s ； r m 一为膜自身阻力，m ； 过程总阻力由膜自身阻力、膜污染阻力以及浓差极化层阻力构成。但对于超滤过程， 浓差极化层阻力相对于膜污染阻力可以忽略，特别是在凝胶层形成后，膜污染阻力可近 似由凝胶层阻力表示。所以d a r c y 定律可表示为： j ：等：j 生一：一：竺二 ( 4 3 ) = 一= = 一一= 一 1 4 l j “局 p ( 如+ 尺c + q )p ( 如+ r ，)j l f ( r 。尺g ) 、7 妣驴箬吨 ( 4 4 ) 在形成凝胶层后，由于凝胶层阻力占主导地位，则式4 4 可变为： 耻驴等吨 ( 4 5 ) 式4 5 中： 卜料液膜通量，l m h - 1 ： 一料液粘度，p a s ； r 广过程总阻力，m ； r 广- 膜污染阻力，m ； r c _ 浓差极化层阻力，m ； r 广凝胶层阻力，m ； 4 2 2 膜的清水压力通量关系 图4 一l 不同膜面流速下膜的纯水通量与t m p 的关系 f i g 4 1d e p e n d e n c eo f w a t e rf l u xo n1 1 pf o r d i f f e r e n tv e l o c i t yo ff l o w 3 9 江南大学颀：i ：学位论文 图4 - l 为不同膜面流速下，跨膜压差( t m p ) 对纯水通量的影响。由图4 可见，纯水 通量仅与t m p 相关，而与膜面流速无关。由此可计算出膜的自身阻力月m ，该阻力与操 作条件无关。 4 2 3 压力对膜阻力的影响 图4 2 膜的操作压力对膜污染阻力的影响 f i g 4 - 2 e f f e c to ft m po np o l l u t i o nr i s i s t a n c eo fm e m b r a n e 由图4 2 可以看出，在低于一定操作压力下，膜污染较轻，膜阻力较小，增加不明 显；而高于某一压力，随着压力增大，凝胶层被压实，加速了膜的污染，膜阻力增加迅 速。我们可认为此一定压力为膜的临界压力。因此，在低于膜的临界压力下操作有利于 减缓膜污染的形成，也可以避免凝胶层压实堵塞膜孔造成不可逆污染，延长膜的使用寿 命。 4 2 4 膜面流速对膜阻力的影响 第旧章膜污染及清洗 图4 3 膜面流速对膜的污染阻力的影响 f i g 4 3 e f f e c to fv e l o c i t yo f f l o wo np o l l u t i o n r i s i s t a n c eo fm e m b r a n e 由图4 - 3 可知，在三个污泥浓度下，随着膜面流速增加，膜的污染阻力下降明显， 之后趋于稳定。可见，膜面流速是控制膜污染的重要因素，提高膜面流速可以有效控制 膜污染，减缓污泥在膜表面的沉积。而且污泥浓度越大，污泥在膜表面沉积越快，并且 积累的凝胶层越厚，膜的污染阻力越大。 4 2 5 污泥浓度对膜污染的影响 m l s s g - l 1 图4 - 4 不同流速下膜的稳定通量随污泥浓度而变化 f i g 4 - 4d e p e n d e n c eo fs t a b l ef l u xo n m l s sf o rd i f f e r e n tv e l o c i t y 4 1 江南人学硕上学位论文 1 图4 - 4 为不同膜面流速下，污泥浓度对膜稳定通量的影响，表明一定膜面流速下， 污泥浓度增加膜通量下降。将污泥浓度( m l s s ) 取对数值后，膜的稳态透水率d o l g ( m l s s ) 曲线如图4 5 所示。考察膜面流速( 功与斜率( $ 之间的关系，如图4 - 6 l 敷m l s s ) 图4 5 不同流速下膜的稳定通量随污泥浓度对数变化 f i g 4 - 5d e p e n d e n c eo fs t a b l ef l u x0 n l g ( m l s s ) f o rd i f f e r e n tv e l o c i t y v m s 图4 - 6f - s 关系图 f i g 4 - 6 r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni za n ds 4 2 第p q 荦膜污染及清洗 由图4 6 可见，当膜面流速为0 6 7 m s 1 时，s 值达到最大，当流速增大到1 1 m s 以 时，s 值又减小。这是由于当生物反应器内有机物浓度一定时，污泥浓度与膜表面可逆 污染层厚度有关。当膜面流速较小时，层流底层流速较小且厚度较大，污染物极易在膜 表面沉积而形成较厚的污染层，此时污泥浓度的大小对膜通量的影响相对较小；随着膜 面流速的增大，层流底层流速增大，厚度相对变薄，这时污染物在膜表面的沉积将受到 混合物粘度的影响，因此污泥浓度对膜通量的影响增大；但当膜面流速很大，膜表面可 逆污染层厚度较小时，污泥浓度对膜通量的影响又逐渐减小。 4 3 膜的反冲洗 反冲洗是减轻超滤膜污染的有效方法之一。反冲洗是在膜运行一段时间后，在膜的 透水面施加一个反冲洗压力尸b ，在尸b 驱动下，清洗水反向穿过膜，将膜孔中的堵塞物 洗脱，并使膜表面的沉积层悬浮起来，随切向流离开膜表面的在线清洗方法。膜的反冲 洗可用膜的透过液作为反冲洗水，采用周期反冲洗能够显著提高膜通量。 4 3 1 膜的最佳反冲洗周期 试验表明，采用反冲洗与正冲洗相结合的方法，可以改善膜面的水流状态，提高湍 流效果，有效地破坏膜面的凝胶层，使反冲时膜面疏散的凝胶层在清水的冲力下更易去 除。本试验采用在一定压力下先进行反冲洗，持续冲洗1 m i n 后，打开进料泵，反冲和j 下 冲1 5 s 后，反冲洗结束。 在操作压力为0 2 0 m p a 条件下，采用一样的清沈时间，在不同的反冲洗周期下对膜 进行反冲洗，通量恢复情况如图4 7 。 时间r a i n 年反冲洗周期t f f i 4 0 m i n ；十反冲洗周期1 - - 2 0 r a i n 扣无反冲洗 图4 7 不同反冲洗周期膜的通量恢复情况 f i g 4 - 7 t h ef l u xr e c o v e r yo ft h em e m b r a n ef o r d i f f e r e n tb a c k w a s h i n gc y c l e 4 3 江南人学硕。1 ：学位论文 由图可见，采用反冲洗，3 2 0 m i n 内膜的平均通量远远大于未反冲洗长期过滤的通 量。采用周期为4 0 m i n 反冲洗比2 0 m i n 反冲洗膜通量恢复更好，但相同时间内膜的平均 通量却相差不大，可见采用反冲洗周期为4 0 m i n 所需能耗更少，同时单位时间产水量更 多。因此，采用4 0 m i n 作为膜的反冲洗周期较合适。 4 3 2 膜的最佳反冲洗持续时间 在最佳反冲洗周期4 0 m i n 的条件下，改变不同的反冲洗持续时间，而反冲同时正冲 时间同为1 5 s ，考察其通量的恢复情况，如图4 8 。 ； q g 童 时j m i n 一t = 4 0 m i n6 0 s + 15 s ：，一t = 4 0 m i n8 0 s + 15 s 一t = 4 0 m i n4 0 s + 15 s 图4 8 不同反冲洗持续时间膜的通量恢复情况 f i g 4 - 8 t h ef l u xr e c o v e r yo f t h em