（环境工程专业论文）膜生物反应器运行中膜污染控制对策的研究.pdf

中文摘要 自从膜生物反应器问世以来，膜污染一直是其发展的重要瓶颈，寻求控制膜 污染的策略和方法将是今后本领域研究的重点和难点，也是本论文研究的目的。 本文应用膜生物反应器处理生活污水，从对膜表面进行预处理，污泥的改性 和操作参数的优化选择三个方面八手探索控制膜污染延长膜使用寿命的策略和 方法。 膜的表面性质对膜污染速率有重要影响，本文提出了应用f e ( o h ) 3 胶体对膜 表面进行预处理缓解膜污染的构思，确定了预处理的方法和操作条件。通过2 1 3 d 的对比试验，验证了此预膜方法可以在一定程度上缓解膜污染。同时在长期的 试验过程中，积累了大量膜生物反应器运行操作的经验。 好氧颗粒污泥相对于普通活性污泥，不但粒径较大，而且具有更强的憎水性 和可过滤性，由颗粒污泥形成的滤饼层透水性好，易于清除。本文对颗粒污泥的 培养方法进行了探索，虽然在试验结束时没有培养出肉眼可见的颗粒污泥，但是 通过4 2d 的培养，使污泥的s v i 值由接种时的1 5 2m l g ，下降到了试验结束时 的6 9m l g ，体现出了良好的颗粒化的趋势。试验中利用盐絮凝试验测量污泥的 相对憎水性，发现污泥的相对憎水性随着s v i 值的下降而升高，说明污泥的相对 憎水性对污泥絮体的凝聚有重要作用。 低于临界通量运行膜生物反应器可以有效防止污泥絮体在膜面大规模沉积， 保证反应器的稳定运行。本文设计了一组正交试验，利用通量步阶递增试验研究 污泥浓度和曝气强度对临界通量的影响。应用统计分析系统( s a s ) 中的方差分析 0 r o ca n o v a ) 芹n 回归分析( p r o cp e g ) 程序对试验结果进彳亍分析，确定曝气强 度对临界通量的影响较污泥浓度显著，并拟合出了以污泥浓度和曝气强度为自变 量、以临界通量为因变量的回归方程。以此方程确定的临界通量为依据，确定了 不同抽停比缓解膜污染效果的顺序为8 ：2 1 0 ：2 l s ：5 1 3 ：2 。 关键词：膜污染膜表面预处理好氧颗粒污泥相对憎水性临界通量抽停比 a b s t r a c t t h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no ft h em e m b r a n eb i o r e a c t o ri sc o n s t r a i n e db y m e m b r a n ef o u l i n g ，s e a r c h i n gf o rt h es t r a t e g ya n dm e t h o df o rf o u l i n gc o n t r o li st h e m a i na s p e c to f r e s e a r c hi nt h i sf i e l d ，a l s oi st h eo b j e c to f t h i sr e s e a r c h a ni n n o v a t i o no fm e m b r a n ep r e t r e a t m e n tb yh y d r a t ec o l l o i dw a sp u tf o r w a r di nt h i s r e s e a r c ha n dt h eo p t i m a lo p e r a t i o np a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e db y213 d a y so f p a r a l l e le x p e r i m e n t ，t h ep r e t r e a t m e n t s h o w e ds o m ep r o f i t so n f o u l i n g c o n t r 0 1 m e a n w h i l e ，ag r e a td e a lo fe x p e r i e n c eo fm b ro p e r a t i o nw a sg a i n e dd u r i n gt h el o n g t e r me x p e r i m e n t a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sn o to n l yb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ei ns i z e d i s t r i b u t i o n ，b u ta l s oi nt h ea s p e c t so fh y d r o p h o b i c i t ya n df i l t e r a b i l i t y , w h i c hr e l a t e d t ot h em e m b r a n ef o u l i n gam e t h o df o ra e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ec u l t u r i n gw a s e x p l o r e di nt h er e s e a r c h t h o u g h ，t h e r ew e r en om a c r o s c o p i cg r a n u l e sh a r v e s t e di n t h ee n do f t h ee x p e r i m e n t ，b u tt h es v id r o p p e df r o m1 5 2m l go f t h eb e g i n n i n gt o6 9 m l gi nt h ee n d ，w h i c hs h o w e ds a t i s f y i n gt e n d e n c yo fg r a n u l a t i o n t h er e l a t i v e h y d r o p h o b i c i t yo fa c t i v a t e ds l u d g ew a s d e t e r m i n e db ys a l ta g g r e g a t i o nt e s ta n di tr o s e w i t ht h ed r o p p i n go fs v i ，w h i c hs u g g e s t e dt h a th y d r o p h o b i c i t yi sad r i v i n gf o r c ei n t h ea g g r e g a t i o np r o c e s so fa c t i v a t e ds l u d g e s u b c r i t i c a lo p e r a t i o ni se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt op r e v e n tm a c r o s c o p i cd e p o s i t i n go f a c t i v a t e ds l u d g eo n t om e m b r a n es u r f a c e a no r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e di n t h i sr e s e a r c ht os t u d yt h ei m p a c t so fa e r a t i o na n dt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o no nt h e c r i t i c a lf l u xw h i c hd e t e r m i n e db yt h ef l u x - s t e pt e s tt e s td a t aw e r ea n a l y z e dw i t ht h e s a ss o f t w a r e _ p r o ca n o v aa n dp r o cr e ga n dt h er e s u l ts h o w s 也a ta e r a t i o n i n f l u e n c e st h ec r i t i c a lf l u xm o r es i g n i f i c a n t l y a l s o ，al i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o no nt h e c r i t i c a lf l u xw a sa c h i e v e di nw h i c ha e r a t i o na n dt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nw e r e i n d e p e n d e n tv a r i a b l e s ，w i t ht h eh e l po ft h er e g r e s s i o ne q u a t i o n ，t h er e l a t i v ee f f i c i e n c y f o rf o u l i n gc o n t r o lo fd i f f e r e n ti n t e r m i t t e n tr a t i o sw e r ed e t e r m i n e da n dt h es e q u e n c e w a s8 2 】0 ：2 15 5 】32 k e yw o r d s ：m e m b r a n ef o u l i n g ，m e m b r a n es u r f a c e p r e t r e a t m e n t ，a e r o b i c g r a n u l a rs l u d g e ，r e l a t i v eh y d r o p h o b i c i t y , c r i t i c a lf l u x ，i n t e r m i t t e n tr a t i o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗墨堂或其他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。 学位论文作者签名：办i 覆刈签字日期：加，年月圩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盎盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：荔( 蓑利导师签名：乃a 辛 签字日期：西年月何日 签字日期：o 弓年1 月1 争日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国水资源现状及水污染治理 水是人类生存的根本，是人类经济发展和社会进步的生命线，是实现可持续 发展的物质基础。在2 l 世纪的今天，水资源问题已经成为全球资源环境的首要 问题，直接影响、制约着人类社会的生存和发展。 我国全部水资源总量为2 7 1 1 5 亿m 3 ，位居世界第六位，但是由于人口众多， 人均占有量为2 4 7 7m 3 ，仅为世界人均占有量的l 4 ，耕地面积占有水量仅为世 界平均水平的8 0 。同时由于我国地域辽阔，地形复杂，造成了我国水资源在时 空分布上极不均匀。占国土面积4 7 的西北干旱和半干旱地区，水资源量只有全 国的7 。而占国土面积5 3 的东南部，其水资源量占全国的9 3 。而且西北干 早和半干旱地区水资源时程变幅大，冬春少雨，夏秋多雨，造成r 降水量和径流 量年际年内变化很大，更给这些地区水资源的利用带来了困难。 干旱缺水是我国尤其是我国北方地区经济社会协调发展的重要制约因素。 2 0 0 0 年，全国总缺水量达7 7 8 亿m 3 ，全国的6 6 0 座城市中，有4 0 0 多座缺水， 其中严重缺水的有1 1 0 座，日缺水量达1 6 1 0 6 m 3 ，年缺水量达60 1 0 8 m 3 ，几百 万人生活用水紧张。农田缺水干旱每年达3 3 3 1 0 4 公顷左右，因缺水而减产粮食 ( 7 0 0 8 0 0 ) 1 0 8 公斤，在农村和牧区有8 0 0 0 万人和6 0 0 0 万头牲畜饮水困难，每 年因缺水造成的工农业直接经济损失达2 0 0 0 多亿元。近些年来发生的部分河湖 的干涸，以及沙尘暴和扬沙天气，都是我国许多地区水资源严重短缺的具体表现， 更让全国人民切身体会到了水资源对自身生存的宝贵。 在水资源极度缺乏的同时，我国更是存在着水资源分配和使用不合理、水资 源浪费和水资源污染严重等问题。对水资源的开发利用及管理不善、掠夺开采、 粗放使用和任意排放，破坏了我国的水资源环境，加剧了水资源短缺的程度。目 前，全国主要江河湖库均受到了不同程度的污染，全国2 3 以上河段污染严重， 仅黄河流域级水体河段就达1 2 0 0 0k m ，占全部干支流的6 0 以上。这使得全 国5 0 以上的城镇水源不符合饮用水标准，对我国居民的健康造成了严重的威 胁。根据2 0 0 0 年的调查结果，全国十大流域2 2 0 3 个监测断面中有4 3 1 超标， 其中尤其以北方地区的辽河、黄河、淮河和海河的超标最为严重，分别为6 5 5 、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 6 39 、5 7 2 和5 6 、3 ，而水资源相对丰富的松花江、珠江、长江超标率相对较 低，分别为2 48 、2 6 6 和3 56 。因此，污染较严重的水系为水资源量小的 辽河、黄河、淮河和海河流域片，而且超标断面中7 55 为劣v 类水体断面，可 见我国尤其是北方地区水资源污染问题相当严重，治理水资源污染刻不容缓f 2 】。 治理水资源污染要从源头抓起，我国水资源污染的主要原因是城市以及工业 废水的乱排乱放。全国每年产生3 8 5 亿m 3 废污水，这其中只处理了1 5 也0 ， 其它的部分则直接排入江河湖海，将这些污水进行处理，不仅可以从根本上改变 我国水资源污染严重的现状，而且还会产生可观的再生水资源。如果在现有的基 础上使处理率提高3 0 个百分点，那么就可以增加上亿立方米的再生水量，所以 应加强污水处理设施建设，使污水得以净化和循环使用。此外，通过植树造林， 提高土壤的保墒能力，建设雨水收集设施，提高开发淡水技术，都可对保护水资 源，扩大水源面积，减少水资源浪费，保证水资源的供应等方面产生积极作用【孔。 对城市生活污水和工业废水的处理势在必行，污水处理工艺从总体上可以分 成两个大类：物理化学法和生物法。物理化学法是通过物理化学反应，将污染物 质去除或无害化，由于此方法般需要投加化学药剂，所以当水量巨大的时候， 运行费用相对于生物法较高，适用于处理有毒有害、难生物降解的工业废水。生 物法是利用细菌、霉菌和微生物的代谢作用去除水中的污染物质的方法，此方法 特别适用于处理水量大而且可生化性较好的城市生活污水。生物法可分为活性污 泥法和生物膜法。活性污泥法是最早出现的生活污水的处理方法，一套完整的活 性污泥工艺由隔栅、初沉池、曝气浊、二沉池和清水池组成，其中污染物质的去 除主要在曝气池中完成。生物膜法是活性污泥法的变形，将微生物以膜状形式附 着在某种载体的表面上。活性污泥法较生物膜法可实现更高的s s 和b o d 的去 除率，但是生物膜法较活性污泥法产生的剩余污泥少，运行费用低，而且当水量 水质发生变化时，生物膜法有较强的抗冲击能力。 由于水质标准日趋严格，传统工艺已经显现出了力不从心的迹象，为此人们 不断探索传统工艺的替代工艺，膜生物反应器就是其中的佼佼者。 好氧膜生物反应器的实际商业应用最早出现在2 0 世纪7 0 年代末期的北美， 随后扩展到了日本和欧洲，并迅速蔓延到世界各个国家和地区。近年来，应用膜 生物反应器的污水处理厂不论从数量上还是规模上都有了飞速的进步。加拿大 z e n o n 公司目前已建成了规模为1 ，5 0 0 ，0 0 0m 3 d 的应用膜生物反应器的污水处理 厂1 4 。我们国家从2 0 世纪9 0 年代才开始对膜生物反应器的研究和应用，但是发 展迅速，目前在国内已经建成了多座应用好氧膜生物反应器的污水处理设施，并 且随着土地的日益短缺，以及污水排放标准的不断提高，本工艺将会得到更加广 阔的发展空间。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 膜生物反应器的优点及分类 膜生物反应器是一种将膜过滤和生物处理相结合的污水处理工艺。较传统工 艺而言，膜生物反应器具有以下优点； 夺出水水质好，出水经消毒后可直接回用。 夺容积负荷高、结构紧凑、占地面积小，易于实现自动化、操作管理方便。 令以膜截留代替传统工艺中的二沉池，克服了传统活性污泥法因污泥膨胀而带 来的问题，同时实现了固体停留时间和水力停留时间的相互独立，这样在生 物处理单元中可以保持很长的污泥龄，为世代周期较长的自养菌创造生存条 件，实现了传统工艺难以达到的硝化作用。 夺污泥浓度高、污泥龄长、剩余污泥少且无需消化可直接脱水处理，既减少了 对外界环境的影响，又节省了污泥处置的费用。 按照生物处理单元所处的溶解氧环境，可以将膜生物反应器分为好氧膜生物 反应器和厌氧膜生物反应器。 按照生物处理单元和膜过滤单元的组合方式，膜生物反应器可分为分置式和 浸没式两种【扪。分置式是将生物处理单元与膜截留单元分离，用泵将生物处理单 元中的活性污泥打到膜分离单元，经过膜组件过滤后的浓缩液再回流到生物处理 单元，优点是膜清洗方便，缺点是能耗高。浸没式又称一体式，将上述两个处理 单元放在个反应器内进行，具有结构紧凑、能耗相对较低的优点。 根据膜组件所起的作用，膜生物反应器又可分为固液分离膜生物反应器、无 泡曝气的生物膜膜生物反应器和萃取膜生物反应器。无泡曝气的生物膜膜生物 反应器的原理是：用致密的透气憎水性多孔合成膜可以不形成气泡而使氧气传递 到在膜表面附着生长的起降解作用的细菌上，可使氧的传质效率大为提高。萃取 膜生物反应器主要应用于处理有毒有害的工业废水，使工业废水在有选择透过性 的硅胶膜内流动，污水中的营养物质可以透过膜进入生物处理单元，而有毒有害 物质被截留分离进行单独处理，以避免生物反应单元中毒失效。开展应用研究最 早也是应用最广泛的膜生物反应器是固液分离膜生物反应器，以膜分离单元代替 传统活性污泥处理工艺中的二沉池，是污水处理领域中重大的技术变革。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 膜污染 膜污染是指与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶解性物质由于与膜存在 物理、化学、生物或机械作用，而在膜面或膜孔内吸附、沉积以及微生物在膜水 界面的积累，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性大幅度降低 的现象。膜污染使得膜生物反应器在运行一段时间后就必须对膜组件进行清洗， 甚至需要更换膜组件来保持工艺额定的处理能力，严重影响了本工艺的稳定运 行，制约了本工艺的推广和发展。 1 3 1 造成膜污染的原因 造成膜污染的物质都存在于污泥混合液中，污泥混合液由泥相和水相两部分 组成。泥相主要指活性污泥絮体，活性污泥絮体是悬浮固体的聚集体，包含着各 种各样的微生物、有机物和无机物颗粒，这些物质通过胞外多聚物互相连接，胞 外多聚物在活性污泥絮体中起到连接和支撑骨架的作用【7 i 。除了泥相，其它污泥 混合液中的物质均为水相，主要包括胶体和溶解性的有机物。 从总体上讲，造成膜污染的原因是：污泥絮体沉积于膜的表面；大分子物质， 尤其是蛋白质和多糖吸附于膜的表面；小分子或小颗粒阻塞膜孔；细菌在膜孔道 中或者在膜的表面滋生。 分析膜污染的原因，就必须提到浓差极化现象。当新膜刚和料液接触的时候， 溶液中的有机物质和胶体就会迅速在膜的表面形成一层凝胶层，在压力的驱动 下，这层凝胶层迅速变厚变浓，这样就使得溶质在膜表面产生了累积，造成膜表 面的溶质浓度远高于主体料液中的溶质浓度，在浓度梯度的作用下就产生了个 由膜表面指向主体料液的阻力，造成了过膜阻力的升高以及膜渗透性能的降低， 这个现象就是浓差极化。浓差极化和膜污染是不同的概念，但是浓差极化引起过 膜压力的升高就表现为膜污染。 1 3 2 膜污染分类 膜污染可以分成可逆污染和不可逆污染，可逆污染主要指滤饼层污染，这部 分污染可以通过水洗或者气水反冲洗去除。不可逆污染主要是由于化学反应和生 物反应造成的，仅通过物理清洗难以去除。 根据膜污染的原因不同，膜污染又可以分成物理污染，化学污染以及生物污 染。物理污染是指污泥絮体沉积于膜的表面，大分子物质吸附于膜表面，小颗粒 物质阻塞膜孔。化学污染是指混合液与膜表面发生的一系列化学反应造成的膜污 染。生物污染是由于各种微生物通过扩散、重力沉降、主体对流等作用而能动地 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 积累在膜面上形成生物膜或者在膜表面和膜孔内滋生成为微生物菌落而造成的。 在膜表面滋生的微生物还可以分泌细胞外多聚物渗入膜表面，并与膜以化学键的 形式紧密地交联在一起，从而改变膜的透水性和渗透特性，既导致了膜透水能力 的下降，又遏制了水力剪切力对污染层的去除作用。 膜污染还可以分成泥相造成的污染和水相造成的污染。把泥相和水相造成的 污染分开来分析，将有助于对膜污染的了解以及对膜污染控制对策的研究。泥相 对膜的污染主要是污泥絮体沉积在膜的表面形成滤饼层，引起膜过滤阻力的增 加。滤饼层污染与活性污泥的性质有很大的关系，平均粒径大的污泥絮体形成的 滤饼层较松散，透水性能相对较好同时容易去除。水相对膜的污染，主要是由于 水相中的溶质对膜的污染而造成的，在水相中的各种溶质中，对膜污染影响最大 的是微生物产物。微生物产物包括：溶解性微生物产物( s m ps o l u b l em i c r o b i a l p r o d u c t s ) ，细胞外多聚物( e p s ，e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e ) 和细胞外聚合物 ( e c p , e x t r a c e l l u l a r p o l y m e r s ) 。短期运行的膜生物反应器，泥相的污染占主导方面， 长期运行的膜生物反应器，水相的污染尤其是三种微生物产物的污染在总的膜污 染中占主导方面。因此，有必要了解这三种微生物产物的成分，产生原因和其产 量、性质的影响因素。 1 3 3 三种微生物产物 s m p ：目前对s m p 的定义还没有达成一致意见，通常情况下认为s m p 是由于 生物质对基质的代谢( 同化作用) 以及生物质本身的内源呼吸( 异化作用) 造成 的。据此，s m p 可以分为两个大类：基质代谢产物( u a p ，s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n a s s o c i a t e dp r o d u a s ) 和内源代谢产物( b a p ，b i o m a s sa s s o c i a t e dp r o d u c t s ) 。u a p 的生 成量与基质的分解速度成正比，这类产物大部分可以被生物降解，但是降解速度 较慢。b a p 的产生速率与生物质浓度的多少成正相关，这部分产物一般很难被微 生物降解。 s m p 分布在很宽的分子量范围内，一般情况下小于05k d a 或大于5 0k d a ， 在较高的污泥龄下，s m p 的分子量较大。一般认为s m p 包含下列物质：腐殖酸、 富里酸、多糖，蛋白质、核酸、有机酸、氨基酸、抗生素、类固醇、胞外酶、含 铁细胞、构筑细胞间骨架结构的物质以及细胞新陈代谢的产物。s m p 在生物系 统表现出很多性质，包括对金属的螯合性和对微生物的毒性，同时s m p 对微生 物的活性，以及污泥的絮凝性和沉淀性能都有着重要的影响【8 1 。 e p s 和e c p 基本属于一种物质。 e p s 主要影响活性污泥的可过滤性和脱水性f ”1 ，可以由三个途径产生：微生 物正常活动的分泌物；细胞的水解产物；微生物对基质代谢的产物。e p s 主要包 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 括下列物质：碳水化合物、蛋白质、油脂、核酸以及各种各样的杂聚物1 9 l 。在坝4 定中，一般认为e p s 等于蛋白质和多糖之和【1 0 1 ，而蛋白质有时可以占到细胞外多 聚物总量的7 0 以上“。 e p s 有两种形式：一种是“可萃取e p s ”，这种e p s 分布于微生物的表面，像胶 囊一样将微生物包裹起来增加污泥絮体的凝聚性；另一种是“悬浮e p s ”，作为一 种粘性的多聚物存在于污泥混合液的上清液中。m i k k e l s e ne t 以指出，具有高的 “可萃取e p s ”含量的污泥，相互聚集成更大污泥絮体的可能性大大增加，甚至会 导致颗粒污泥的形成，使污泥具有更好的沉降性能和过滤性能【l ”。“悬浮e p s ”存 在于污泥絮体之间，由于这类e p s 有很好的结合水的能力，因此它的存在导致了 活性污泥脱水性和沉降性能的下降，促进凝胶层的形成。 e c p 是细菌新陈代谢作用的产物，主要包括多糖、蛋白质和d n a 等物质。有 学者认为，e c p 是活性污泥絮体中，继水和细胞之后的第三大组成部分l ”i 。由于 e c p 体积巨大，使它很难被污泥絮体所包裹，这样使污泥絮体之间的缝隙加大， 同时e c p 又有较强的含水能力，从而导致污泥絮体所包含的缝隙水的增加，使污 泥絮体的沉降性能降低i l ”。 e p s 和e c p 与s n i p 的区别在于，后者是溶解性的而前者更近似于胶体物质。 1 3 4 膜污染的发展过程 膜污染过程可以分为两个阶段l l 。第一阶段发生在开始过滤后的几秒或几分 钟内，小分子物质或者小的污泥颗粒迅速阻塞膜孔，并伴随着浓差极化作用以及 凝胶层的形成，使过膜阻力迅速升高。第二阶段可持续数小时乃至数天，在这个 阶段当中大分子物质吸附于膜的表面，污泥絮体沉积在膜表面形成滤饼层，使膜 过滤阻力平稳缓速增长。滤饼层的表面总是覆盖着一层粘性的凝胶层，污泥絮体 又逐步沉积在这层凝胶层上形成新的滤饼层。最终，滤饼层的厚度和密实度会保 持在一个相对稳定的状态，此时主体料液中污泥絮体向膜面沉积的速率等于滤饼 层上污染物质向主体料液运动的速率。在过滤过程中，混合液中的一部分溶质被 这层污染层所截留，另一部分透过污染层，继续对膜造成污染。丝状菌与膜表面 污染的形成过程及结构、附着形式密切相关。当m b r 系统内丝状菌大量增殖的 时候，膜表面的污染物质有较强的层次性，凝胶层在清洁膜表面形成污染基础层， 丝状菌附着于凝胶污染层上形成网格式支撑结构，污泥絮体沉积在这个丝状菌的 网络中，然后丝状菌以网格式结构在污泥污染层表面覆盖、捆绑。此后污泥絮体 的沉积、附着以及丝状菌网格式覆盖和捆绑过程不断重复出现，并且多层丝状菌 网相互交联，形成立体空间网状结构，对膜表面污染物起到支撑和固定作用。最 终在膜表面形成厚度大、结构致密、附着牢固的污染层【1 5 】。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 5 膜污染的影响因素 影响膜污染速率的因素多种多样，这些因素可以归为三个大类：膜的表面性 质和结构；混合液的性质；反应器的工艺参数和操作条件。 膜的表面性质和结构包括：膜材料、膜孔径大小、孔隙率、膜的结构、带电 性、亲水性、膜表面粗糙程度以及膜组件的装填密度等。一般情况下，孔径大， 孔隙率高的膜更易受到污染。根据膜的结构不同，可以分为对称膜和非对称膜， 对称结构膜的表孔开口有时比内部孔径大，进入表面孔的粒子易被截流在膜内 【l ”。非对称膜是水处理领域中最常用的膜结构，这种膜具有很高的传质速率和良 好的机械强度，有很薄的表层( o 卜1 m ) 和多孔支撑层( 1 0 0 2 0 0 m ) ，表层为活 性膜，其孔径和表层的性质决定了分离特性，而厚度决定了传递速率，多孔支撑 层起支撑作用，对分离特性和传递速率影响不大。在膜污染方面，由于非对称膜 表层孔径比内部孔径小，所以污染物质大都被截留在表面，易于清洗【1 。”。由于活 性污泥絮体带负电，表面带负电的膜更能防止污泥絮体在膜表面的沉积。膜生物 反应器的优先污染物质是蛋白质和多糖，这两者都属于憎水性物质，所以亲水性 的膜抗污染能力更强，同时亲水性的膜表面与水的界面能较低，有利于清水的通 过。膜表面粗糙度越大则膜表面吸附污染物的可能性越高，但膜表面附近的水流 扰动程度也相应增加，膜表面粗糙程度对膜污染的影响是这两方面影响的合力。 如果膜组件的装填密度过高，那么无剪切作用的死区将更多，从而使膜污染加剧。 混合液的性质包括：污泥浓度、混合液粘度、污泥的粒径分布及水相性质等。 混合液的粘度与微生物产物有密切的关系，混合液粘度较低时，所形成的滤 饼层比较松散同时容易去除，对水的透过性能更好，但是在某些情况活性污泥粘 度的降低代表了生物活性的降低，此时对膜污染的影响将比较复杂。 污泥浓度对膜污染的影响：由于污泥絮体是滤饼层的主要组成部分，所以膜 污染速率会随着污泥浓度的升高而升高，同时污泥浓度直接决定f m ( b o d 一污泥 负荷) 的大小，f m 又关系到生物处理效果，f m 高于临界值时会刺激s m p 和 e p s 的产生，此时提高污泥浓度会降低膜污染速率。 平均粒径大且均匀的活性污泥，在具有良好的脱水性和沉降性能的同时，造 成的膜污染程度相对较低。奥野佑一通过模拟计算得出，容易在膜表面积累的主 要是微小粒子，其中粒径为1 0p m 的悬浮颗粒最容易沉积。较大粒子在膜表面的 沉积不会对膜的过滤性造成显著影响，只有尺寸与膜孔相当的颗粒沉积时才会产 生严重影响【1 4 】。 水相的性质包括：水相c o d 的浓度、水相中微生物产物的浓度以及微生物 产物的组成。水相中代表c o d 的物质是长期运行时造成膜污染的主要原因，水 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 相中c o d 与出水c o d 之差就是由膜所截留的c o d ，由于膜出水水质稳定，所 以水相c o d 越大，膜的负担就越大，膜污染速率也就越高。微生物产物与混合 液的粘性有十分密切的关系，是凝胶层的主要组成部分也是造成膜有机污染的重 要因素。微生物产物还可以通过影响污泥的絮凝性和沉降| 生来影响膜污染，s 瑚p 和“悬浮e p s ”浓度较高时，污泥絮体较松散，沉降性能较差，造成的膜污染较严 重，但是当“可萃取e p s ”增加时，污泥絮体大而密实，反而会降低膜污染的趋势。 微生物产物的组成往往比微生物产物的浓度对膜污染的影响更大，当产物中蛋白 质含量较高时对膜造成的污染更加严重。水相中微生物产物含量的多少可以通过 比紫外吸光度( s u v & s p e c i f i cu l t r a v i o l e ta b s o r b a n c e ) 来表示，s u v a 是u v 2 5 4 同溶 解性有机碳( d o c ) 的比值，高的s u v a 值代表相对较高的微生物产物的含量，因 为同等浓度下微生物产物较进水中的天然有机物在2 5 4 n m 处的吸光度更高l 墟】。 对膜污染造成影响的工艺参数主要有：f m ( s o d 污泥负荷) 和污泥龄( s r t ) 。 f m 的大小直接影响着生物处理效果的好坏，既影响泥相的性质，也影响水相 c o d ( b o d ) 的含量以及微生物产物的含量。f m 与污泥膨胀有直接的关系，对于 活性污泥法水处理工艺，f m 取值低于o 5k gb o d k g m l s s d 或高于1 5k g b o d k g m l s s d 时都不容易发生污泥膨胀，取值在o5k gb o d k g m l s s d 1 5k g b o d k g m l s s - d 时容易发生污泥膨胀。膜生物反应器一般都在较高的f m 值下 运行，并且由于使用膜截留代替二沉池，所以污泥膨胀对本工艺的影响较小。f ，m 对膜污染最主要的影响，是通过其对微生物产物产量和性质的影响而造成的。对 于减少微生物产物而言，最佳的污泥负荷范围是0 6k g b o d k g m l s s “1 0 k g b o d k g m l s s d ，污泥负荷高于或低于最佳值的话，都会引起s m p 含量的增 加。在高负荷的条件下，微生物不足以降解所有的基质或对基质的降解不充分， 造成在水相中存在着大量作为微生物产物的基质代谢的中间产物，在低负荷条件 下，由于基质不足，造成细胞组成物质的分解和有机物质向溶液的释放。 s r t 较长，微生物内源代谢加剧，分泌的微生物产物增加，并且长s r t 污 泥的活性较低，不足以将基质彻底分解，造成水相中s m p 的分子量较大。因此， 一般情况下膜污染随着s r t 的延长而加剧【1 9 】，但是p r i b y le t a l 以s r t 和单位进 水s m p 为横坐标和纵坐标作曲线发现，随着s r t 的增加，s m p 先减少到最低值， 然后增加，说明存在着最佳的s r t ，在这个最佳的s r t 下，微生物产物产量最 低，对于好氧反应器来说，这个最佳的s r t 为2 1 5d t 2 0 1 。 对膜污染造成影响的主要的操作条件包括：水温、曝气强度、操作通量、过 滤方式、出水与空曝气的时间比。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在适宜的温度下( 2 0 3 0 。c ) 膜通量较高，而且生物活性高，生物处理效果 好，不论是水相还是泥相对膜造成的污染相对较低。操作通量和曝气强度是控制 膜污染，尤其是滤饼层污染的主要操作参数。 料液 j 上 透过液 料液一专 一专截留物 死端过滤错流过滤 图i - 1 死端过滤与错流过滤示意图 如图1 1 所示，按照主体料液与过滤液的运动方向是否一致，可以将膜过滤 分成死端过滤和错流过滤。死端过滤中主体料液和透过液流动方向相同，都垂直 于膜面，溶质被截留，透过液通过膜从而实现膜分离。错流过滤中主体料液沿膜 表面的切向流动，透过液垂直于膜表面运动，错流过滤中主体料液的切向运动会 对膜表面造成剪切作用，能有效地控制浓差极化以及污泥絮体在膜表面的沉积， 因此采用错流过滤的方式可以有效的降低膜污染【2 ”。 对于操作通量，一般认为存在着一个临界值，在临界通量以下运行，单位过 膜压力下的通量( j r r m p ) 会保持相对稳定，如果进水中的主要污染物质是颗粒形 式的话，那么在临界通量之下运行，颗粒物质不会在膜表面发生大规模的沉积【2 “。 污泥絮体和微生物产物对应着不同的临界通量，并且临界通量随运行时间不断降 低，通常情况下说的临界通量指对应于污泥絮体和初期运行时的临界通量。在次 临界通量下运行也会造成膜污染，这是因为膜表面的孔径分布是不均匀的，在膜 的整体通量低于临界通量的情况下，某些孔径比较大的点的通量率先超过临界通 量，造成这些点处发生较严重的膜污染及透水性能的下降。当这些点透水能力下 降或者被污染物质堵塞之后，为了维持膜的整体通量，其它点的通量就必须提高， 使得又有一批点的通量超过临界通量，这个过程不断重复，造成膜污染不断加剧。 过膜压力还沿着膜丝的轴向而变化，在出水口处，膜丝所受到的过膜压力较大， 使这部分膜丝的通量较大，在膜的整体通量低于临界通量的情况下，这部分膜丝 的通量往往高于临界通量。这是因为，与膜丝出口相连的出水管处的空间较大而 且处于真空状态下，当水流沿着膜丝流到出水口附近时会被迅速吸走，造成这部 分膜丝内部处于真空状态，使外界对膜的压力骤然增大。c h oe t a l 对污染的膜 如 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 丝进行扫描电镜分析后发现，膜表面附着的e p s 从膜出水口处沿轴向递减，这正 是由于压力和通量沿膜丝轴向分布不均匀而造成的口。 曝气对于膜生物反应器有两方面的作用：一是为生物系统提供溶解氧；另一 个是造成沿膜表面切向运动的气液两相流来控制膜污染。考虑到氧传递效率和能 耗问题，只为满足第一种需要时，可以选用微i l 曝气器。为满足第二种需要，必 须要求气泡有一定的体积，气泡太小或者太大都不足以对膜表面产生足够的剪切 力。通常采用曝气强度( m 3 ，m 2 h ) 来表示气液两相流对膜表面的剪切作用的大 小，曝气强度定义为单位过流截面的曝气量，对于本课题使用的反应器，曝气强 度为曝气量与反应器横截面积的比值，对于处理规模较大的膜生物反应器，曝气 强度为曝气量和导流筒横截面积的比值。曝气量的增大会引起膜面流速的增加， 提高膜表面的水流的扰动程度，减少污染物在膜表面的沉积，提高膜通量，但是 超过某一范围以后，过高的剪切作用会打碎污泥絮体，使污泥的粒径变小，同时 增加微生物产物的产量，反而对膜污染的控制起到了负面的影响i “】。最优的曝气 强度与进水的性质、混合液的性质以及操作参数密切相关，确定合适的曝气强度 必须考虑到这些参数的影响。 间歇出水可以有效的减少污染物质在膜表面的沉积，在反应器的空曝气阶 段，由于对料液的抽吸作用消失，膜表面的污染物质向主体料液的反向运动占主 导方面，气液两相流可以将已经沉积在膜表面的污染物质剪切下来，从很大程度 上缓解膜污染情况。空曝气时间越长，缓解膜污染的效果越好，但这样会引起膜 利用效率的下降和运行费用的升高，因此必须根据具体的情况，综合考虑经济性 的因素确定最佳的出水和空曝气的时间比。 1 3 6 控制膜污染的方法 根据膜污染的影响因素，一般从四个方面入手控制膜污染：改变膜的表面性 质、改变膜过滤料液的性质、选择膜污染速率较低的工艺参数和操作条件以及进 行膜清洗。 改变膜的表面性质对最终用户来说并不现实，用户的能动性在于选择抗污染 性能好的膜，这是控制膜污染的第一步。根据处理的对象和工艺条件，从材料的 强度、热稳定性、化学稳定性、耐污染性能、产水性能、使用寿命、膜价格等方 面，通过技术分析和经济性评价来选择膜。通常情况下，选择亲水性、表面带负 电、孔径较小、具有非对称结构的膜。在膜的孔径选择方面，要使膜的切割颗粒 尺寸( 截留分子量) 比要分离的污染物的尺寸小个数量级【2 ”。 改善料液的性质，从泥相来讲就是增加污泥絮体的体积，改善污泥絮体的沉 降性能和可过滤性，从水相来讲就是降低水相中c o d 的含量尤其是降低微生物 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 产物的含量，在此方面主要是控制工艺参数保持生物相较高的处理能力，也可以 通过向反应器中投加混凝剂来实现这个目的1 2 “。 工艺参数一般为定值，在反应器的运行当中不容易改变，在设计工艺时要尽 量使这些参数落在最佳范围之内。可控制的操作参数主要是操作通量和曝气强 度。在运行中要使操作通量低于临界通量或者使曝气强度高于临界曝气强度。临 界通量和临界曝气强度以及混合液的性质相互联系，在实际运行中确定了操作通 量或曝气强度之后可以通过试验确定另一个参数的临界值。 1 4 本课题研究的目的和内容 本课题是围绕着对控制膜污染策略的研究来进行的，分成三个部分。 第一部分是对膜表面进行预处理缓解膜污染的研究。本文提出使用f e ( o h ) 3 胶体对膜进行预处理缓解膜污染的构思，确定了预膜方法和预膜条件。平行运行 两个膜生物反应器处理生活污水，其中一个反应器的膜经过f e ( o h ) ，胶体的预处 理，验证本课题提出的对膜预处理的方法缓解膜污染的效果。 第二部分是通过对污泥性质的改善来控制膜污染的研究。具体内容是探索膜 生物反应器中好氧颗粒污泥的培养方法。 第三部分是研究膜污染速率较低的操作参数的确定方法。试验内容包括临界 通量测量方法的建立、临界通量经验公式的拟合以及最优抽停比的确定。 天津大学硕士学位论文第二章试验装置与分析方法 第二章试验装置与分析方法 本课题共使用两套试验装置，如图2 1 和图2 - 2 所示分别为对膜进行预处理 的装置和运行阶段的装置。运行阶段的试验装置是两个平行的膜生物反应器，验 证预膜效果的对比试验，污泥改性试验和操作参数优化选择试验均使用此装置， 其中对比试验使用两个膜生物反应器，污泥改性试验和操作参数优化选择试验使 用一个膜生物反应器。 2 1 膜表面预处理反应器 2 1 1 装置示意图 清水箱 提升泵 2 1 2 装置组成 图2 - l 预膜装置示意图 ( 1 ) 反应器：反应器主体为有机玻璃圆筒，高15 0m ，内径1 0 0m m 。最高水位 和最低水位均设有探头，最高水位时反应器容积l o 2l ，最低水位时反应器 天津大学硕士学位论文 第二章试验装置与分析方法 容积7o l ，平均容积8 6 l 。筒底部装有排泥阀和曝气管。 f 2 1 清水箱：清水箱中装满自来水，由提升水泵打入反应器中，膜过滤出水回流 至清水箱作循环过滤使用。 ( 3 ) 提升水泵：美国格兰富u p s l 5 6 0 型，工作档位两档，功率4 5w 。 ( 4 ) 鼓风机：a c 0 3 1 0 型空气压缩机，最大气量5 0l m i n ，工作压力o0 6m p a 。 f 5 、膜组件：原始膜为膜天膜公司生产的u 型聚偏氟乙烯( p v d f ) 中空纤维膜， 平均膜孔径02 2f u n ，膜面积为o 51 1 1 2 。 ( 6 ) 自控系统：整个反应装置的运行由可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r , p l c ) 自动控制。 f 7 1 电磁阀：天津建华气动元件厂d f 2 3 型电磁阀 2 1 3 预膜方法和操作参数 向反应器中投加一定量的f e c l 3 6 h 2 0 ，然后投加n a o h 溶液调节混合液p h 值至碱性从而形成f e ( o h ) 3 胶体的悬浊液，在维持铁浓度和混合液p h 值恒定的 情况下，使用原始膜对此混合液进行过滤，滤过液回流至清水箱循环使用，在膜 的抽吸作用下f e ( o h ) ，胶体附着在膜的表面形成保护层。反应器采用变水位方式 运行，运行至低水位时由提升泵将清水打入反应器中，当反应器中的液位到达高 水位的时候停止进水。操作通量3 2u m 2 - h ，曝气量为0 1 6m 3 h ，采用的出水与 空曝气的时间比为