膜连接活性污泥系统中膜过滤的特性

1、膜连接活性污泥系统中膜过滤的特性：絮状结构对于膜污垢的作用I.S.Chang and C.H.Lee化学工程公司工程学院汉城国立大学Shinlim-Dong,Kwanak-Ku，汉城，151742，韩国K.H.Ahn韩国科学技术学院P.O.Box131，CHEONGRYANG，韩国130650，韩国摘要膜连接污泥系统(MCAS)的过程相比传统的活性污泥系统而言有更多优点，但其内在的膜污垢特性仍有待解决。然而，仍然没有发展到理解这种可信赖的污垢装置的水平。MCAS的作用在于几乎全部移除活性污泥汤中的悬浮固体。但这让我们忽视了污泥生态学与生理学对于膜流量的作用，而这是决定MCAS系统经济可行性的关

2、键因素。这个研究旨在调查MCAS过程中的膜过滤特性，特别是将活性污泥的絮状结构与膜污垢相关联。一系列带有使用stirred batch cell系统的亲水和疏水薄膜的超滤作用都是为了根据活性污泥（普通的，微小的和散装的活性污泥）的絮状结构评定流量行为。将污泥倾向排序，发现是普通污泥微小污泥XM50YM30（表3）。表3搅动单元实验中使用的膜的特性特性膜YM30XM40PM30分子重量（Dalton）30,00050,00030,000外皮层材料再生纤维素丙稀酸共聚物聚乙烯与水接触角全部可湿5966新鲜的膜首先要让外皮的一面向下漂浮在纯水中漂浮90分钟以清洗。在清洁过程中清水要更换三次。然后干净

3、的膜要放置在搅动单元（stirred batch cell）中（8200,Amicon Inc,USA）。搅动单元的实验设置由图1所示。渗透的流量通过在与装有自动读取程序的电脑相连的装载在顶部的电子天平上称重来决定。横跨膜的压力（.Pt）通过理由氮气控制在1.4条的高度，并且对于这个研究的所有测试，搅动速度设定在180转/分。在污泥过滤之前每个活性污泥悬浮液的MLSS浓度调整至3500100毫克/升，这是为了将浓度对于渗透量的影响排除。 不同流量的测量法 在文章中，初始的水流量（Jiw），渗透量和最终水流量（Jfw）被用于说明膜过滤的作用。Jiw仅仅是通过洁净膜的水流量。在过滤悬浮活性污泥之前

4、，每个膜的Jiw量是由过滤纯水直到达到稳定的流量来决定的。然后清空搅动单元并填入活性污泥悬浮液。超滤作用持续到浓缩量要素达到5。这时候的渗透量表示为J5。然后重新清空搅动单元并填入纯水。装有纯水的试验膜表面的残渣将在无压力的情况下持续10分钟。然后残余水被移除。出去表面残渣后Jfw由纯水决定。结果与讨论絮状结构对于膜污垢的作用 一般来说，活性污泥絮状结构根据絮状结构和丝状细菌的平衡分为三类，散装的，微小的和常规理想的絮状物（16）。具有以上三种絮状结构的活性污泥通过控制比如HRT,F/M比率等来制备。每种污泥的操作和污泥特性在表2中被概括。污泥量的指数(SVI）被用来作为监控通风生物反应器的一

5、个度量方法。一般污泥，微小絮状污泥和散装污泥的SVI值分别为70，30和249毫升/克。将混合液沉淀30分钟之后的悬浮固体（SS）和表面浑浊物直接与絮状结构相关，因为众所周知微小絮状污泥有浑浊的表面，散装污泥则具有干净的表面（17）。在这个试验微小絮状污泥的表面很浑浊（SS=130毫克/升，浑浊度47NTU），反之一般和散装污泥浑浊度相对较低（一般污泥：SS=44毫克/升，浑浊度14NTU;散装污泥：SS21毫克/升，浑浊度11NTU）。对混和溶液的细微观察显示每种活性污泥的絮状结构（如图2）。在散装污泥中可以观察到丝状微生物的增殖（图2c），同时在微小絮状污泥没有观测到丝状细菌（图2b）。另

6、一方面，一般活性污泥显示除细菌丝状和絮状结构的良好平衡（图2a）。微小絮状的最小絮状尺寸是80毫米，一般和和散装污泥较大但是图2 用显微镜观察的不同活性污泥絮状结果：(a)一般絮状，(b)微小絮状，(c)散装絮状相似，分别为131和138毫米。具有不同疏水性膜的一系列超滤作用是为了根据活性污泥絮状结构来对流出进行评定。渗透流量与最初流量的比率，J/Jiw，被划分出来作为浓度因素的作用（图3a,3b,3c），因为对每个膜最初的水的评估（Jiw）是彼此不同的。在带有YM30膜的散装污泥的超滤过程中，当流量达到稳态的时候渗出流量从浓度要素3讲降低到Jiw的12，在相同浓度要素条件下一般污泥渗出流量只

7、是降低到大图3a 根据在具备YM30膜的活性污泥汤超滤作用期间絮状结构计算的流量下降 图3b根据在具备XM30膜的活性污泥汤超滤作用期间絮状结构计算的流量下降图3c根据在具备PM30膜的活性污泥汤超滤作用期间絮状结构计算的流量下降概Jiw的55。由于微小的絮状污泥原因，在相同的浓度因素（CF）下降低了大概40。其他两个膜（XM50和PM50）也显示出同样的流量下降趋势，但XM50和PM30的流量下降范围明显于YM30膜不同。这种效果会在以后部分详细讨论。如果不考虑膜污垢倾向的话，渗透的水的质量是很高的。比如，对于YM30膜,COD的排斥率是93到97，如表2所示。 总之，已经发现的渗透降低的顺

8、序是一般污泥微小絮状污泥微小絮状污泥一般污泥，并且所有的膜都是相同的。 很大的Rc/Rf值清楚地说明了饼层的构成应该是总体流出减少的主要因素。也就是说，膜污垢的倾向看起来很大程度上与活性污泥絮状物的特性有关，比如尺寸，性质，絮状物上的特殊表层，等等。 为了深入研究饼层构成的不同，Carman-Kozeny等式被用于连续阻力模型（resistance-in-series model）。 (6) (7) 这里L是饼层厚度，S是饼层介质的特殊表面（S= ），k是Kozeny常数，是饼层的多孔性，是指球状，d指饼层介质直径。 从公式（6）（7）中看出，饼层阻力（Rc）看起来是介质直径（d）平方的倒数。

9、考虑到一般活性污泥（131um）和微小絮状污泥（8um）的平均尺寸，如表2所示，絮状物尺寸的不同将会是微小污泥的Rc值比一般污泥高的原因之一。表4 每个阻力值再现性的统计评估Rm()Rc()Rf()Rt()第一轮26.619.40.3146.3第二轮17.6210.3248.2第三轮-24.50.3442.5平均数-21.60.3245.7标准差(s)-2.60.022.9相关系数(%)-1266 表5 絮状结构和膜材料改变的一系列阻力Rm()Rc()Rf()Rt()Rc/Rt(%)YM30:一般污泥23240.347.350.7 微小污泥20350.355.363.3 散装污泥202500.

10、3273.391.5Xm50:一般污泥106768380.7 微小污泥97979583.2 散装污泥9499651497.1PM30:一般污泥5100611190.1 微小污泥4198921193.8 散装污泥65621057897.2另一方面，虽然两种污泥的絮状物尺寸非常相似（一般污泥为131um,散装污泥为138um），但考虑到膜的结构，散状污泥的Rc值是一般活性污泥的5到10倍。据报道散装污泥没单位表面区域的微生物量高于一般污泥（18）。然而， 公认散装污泥与一般污泥相比具有更大的饼层特殊表面，(S=6/)，因为它具有更小的球状，定义为与球体等量的表面区域与实际表面区域的比率。Nakan

11、ishi et al研究了微生物的形状对于膜过滤特性的效果。他们发现椭圆细胞（比如M.glumitacus和面包师的酵母）的饼层多孔性大约为0.3，反之棒状细胞（比如E.coli,R.spheroides和B.circulans介于0.1到0.23之间。在这部分中，既然一般的和散装污泥的絮状物，如公式2所示，看起来分别类似椭圆和棒装细胞，那么散装污泥的多孔性应该比一般污泥小。根据公式（6），多孔性的微小改变会导致饼层阻力的巨大变化。因此，散装污泥与一般污泥相比流量的降低本质上因为源于丝状细菌增殖导致的更小的多孔性和同等絮状尺寸假设下更大的特殊表面。 MCAS系统不受如其他许多研究者所指出的固液

12、分隔问题影响。这是这个过程与传统活性污泥法相比最重要的优点。然而，如果丝状的散装污泥是发生在通风罐里或者产生微小的流量扩散，可以预计在本系统的操作中会产生剧烈的流量下降。因此，在MCAS系统中维持正常的活性污泥絮状物对于最小化流量的降低，同时对于传统活性污泥系统中良好的沉淀非常重要。膜的疏水性对于污垢的作用图4显示了具有三种不同膜的一般活性污泥超滤作用中的流量下降。根据膜材料的不同流量下降的程度也有很大差异。具有强疏水性的PM30膜，在所使用的三种膜中显示出最高的流量下降程度。疏水的YM30膜显示相对较小的流量下降，反之疏水的XM50膜显示出更小的中间流量下降。因此，流量降低程度可以说与膜的疏

13、水性密切相关。在泡沫型的活性污泥的超滤作用中也观察到同样的流量模式(20)。图4 根据膜材料的流量比浓度 以上结果可以由膜表面和活性污泥絮状表面的疏水相互作用引起。疏水相互作用的重要性已经被许多其他研究者所认识。比如,Fletcher和Loeb(21)报道说许多细菌被发现可以首先粘附在疏水底层而不是疏水的单元上。Ridgway et al(22)指出细菌细胞表面组成与倒转的渗透性膜表面的疏水相互作用对于细菌保持和生物薄膜的形成有重要作用。 然而，疏水交互作用可能不是这种现象的唯一原因，因为不同膜的污垢倾向不止取决于膜的疏水性，而且还有膜表面的属性。本研究中使用的膜具有不同的表面属性。比如，XM

14、50膜(50,000道尔顿)与YM30和PM30膜(30,000道尔顿)的分子重量（MWCO）有一些差别。还有，YM30膜的表面多孔性（约50）与PM30膜（23，24）有很大差异（10%）。 为了确定上述表4显示的结果是否真的由于疏水交互作用的原因，一般污泥的膜过滤由两种具有同样表面小孔尺寸和多孔性但是疏水性不同的膜来进行的。GVMP和GVHP（MILLIORE）膜被挑选出来以达到这个目的。两种膜有相同的小孔尺寸（0.22um）,相同的表面多孔性（75），并且由同种材料构成（聚偏二乙烯，PVDF）。另一方面，两种表面疏水性是不同的。与水滴接触角的测量显示GVWP的接触角为61(亲水)，GVH

15、P的为118（疏水）。 表5比较了具有GVWP和GVHP膜的一般活性污泥过滤过程中的流量下降。它清楚地显示出疏水膜的流量降低明显大于亲水膜。结果，可以得出结论疏水交互作用是控制活性污泥膜过滤的流量下降一个关键因素。众所周知微生物细胞的表面具有疏水分子比如蛋白质或者油脂。因此，疏水表5 在活性污泥微型过滤中亲水膜与疏水膜流量模式的比较交互作用可能归因于介于活性污泥絮状和膜表面之间复杂表面成分的吸引力。结果，在MCAS系统中，疏水膜显示出比亲水膜更高的污垢倾向。结论 在这个研究中，在活性污泥多种絮状结构的条件下研究了MCAS系统中膜过滤的特性，并且得出以下结论：1. 通过使用（Rf,Rc,Rt）系

16、列模型中的阻力分析了膜污垢的倾向，并且通过实验的方法得到每个阻力值的方法从统计的观点看是可信的。2. 在任何膜材料和絮状结构中，饼层阻力（Rc）看起来是总体阻力（Rt）的控制因素，反之污垢阻力(Rf)是可以忽略的。 3. 污垢倾向的顺序是散装污泥，微小污泥和一般污泥，如果不考虑膜材料的话。控制全部膜污垢倾向的关键因素是活性污泥絮状物的形状和大小，还有堆积在膜表面的饼层的多孔性。4. 尽管MCAS系统不受固液分隔问题的影响，但是维持一般活性污泥絮状物对于此系统稳定的操作是很重要的。 5. 在活性污泥膜过滤中，由于疏水交互作用，疏水膜总是展示出比亲水膜更强的污垢倾向。术语d 饼层直径（m）J 渗透

17、流量（）Jiw 内部水流量（ ）Jfw 最终水流量（ ） 在因素5的浓度下的流量()k Kozeny常量L 饼层厚度（m）Rc 饼层阻力()Rf 污垢阻力()Rm 膜阻力()Rt 总体阻力()S 特殊表层 渗透的动态粘性 球形 横跨膜的压力（Pa）感谢这个研究是由韩国环境部门资助的。在这里作者们向J.S.Yum先生和H.S.Lee女士表示感谢，感谢在环境科学工程学院和汉城国立大学实验期间给予我们的帮助。参考文献1. A. D. Bailey, G. S. Hansford, and P. L. Dold, Water Res., 28, 297 (1994).2. S. Chaize and

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19、3).6. C. Chiemchaisri, K. Yamamoto, and S. Vigneswaran, Water Sci. Technol., 27, 171 (1993).7. Y. Suwa, T. Yamagishi, Y. Urushigawa, and M. Hirai, J. Ferment. Bioeng., 67, 119 (1989).8. J. Manem, E. Trouve, A. Huyard, V. Urbain, and A. Beaubien, Proc. Water Environ. Fed.66th Conf., p. 51 (1993).9. K

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21、 Ibid., 23, 1601 (1991).14. K. Ishiguro, K. Imai, and S. Sawada, Desalination, 98, 119 (1994).15. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 18th ed. American PublicHealth Association, Washington, DC, 1992.16. N. F. Gray, Activated SludgeTheory and Practice, Oxford University Press, 1990, p. 187.17. M. Bartell, EPA Summary Report: The Causes and Control of Activated Sludge Bulkingand Foaming (EPA/625/8-87/012), US EPA, Cincinnati, OH,