錯(cuò)流過(guò)濾活性污泥過(guò)程中膜污染的研究

王 勇，劉 鷹，宋永輝，沈加正，華耀祖

(1.南京大學(xué) 污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210046;2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071)

錯(cuò)流過(guò)濾活性污泥過(guò)程中膜污染的研究

王 勇1，劉 鷹2，宋永輝1，沈加正2，華耀祖1

(1.南京大學(xué) 污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210046;2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071)

采用通量階式遞增法對(duì)自制未改性濾膜用于膜生物反應(yīng)器時(shí)的臨界通量進(jìn)行了測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該膜生物反應(yīng)器的臨界通量為23.8 L/(m2·h)。在低于臨界通量的條件下，對(duì)膜過(guò)濾活性污泥的污染行為進(jìn)行了研究，通過(guò)模型計(jì)算，得出膜通量的衰減同時(shí)符合膜阻力模型、孔堵塞阻力模型和濾餅層阻力模型。對(duì)運(yùn)行后過(guò)濾阻力分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明濾餅層阻力和孔堵塞阻力是過(guò)濾阻力的主要組成部分，分別占到過(guò)濾阻力的36.64%和61.96%，而膜阻力僅占1.40%。

膜生物反應(yīng)器;臨界通量;錯(cuò)流過(guò)濾;膜污染;模型;活性污泥;廢水處理

膜污染是壓力驅(qū)動(dòng)型膜工藝處理效果的主要影響因素之一。膜污染發(fā)生時(shí)會(huì)引起膜過(guò)濾阻力的上升，在恒壓下過(guò)濾操作時(shí)會(huì)導(dǎo)致膜通量下降，在恒通量過(guò)濾時(shí)會(huì)導(dǎo)致跨膜壓差(TMP)的增長(zhǎng)。在膜表面會(huì)發(fā)生不同機(jī)制的污染，如大分子吸附、孔堵塞、濾餅層堆積。由于活性污泥由大量的微生物和可溶性膠體物質(zhì)構(gòu)成，懸浮固體濃度和胞外聚合物濃度會(huì)隨著操作條件的變化而改變。

膜污染分為由濾餅引起的可去除污染、因孔堵塞造成的不可去除污染和不可逆污染［1］。污染顆粒物的尺寸小于膜孔徑，則可能引起孔堵塞;大于膜孔徑，可能附著到膜表面形成濾餅層。此外，一些頑固性的溶解性溶質(zhì)嵌入到膜骨架上則可能形成不可逆污染。影響膜污染的因素主要有膜材質(zhì)、操作條件和混合液的性質(zhì)［2］。Li等［3］和 Wang等［4］認(rèn)為，操作通量是影響膜污染的最主要因素。

Moshe等［5］將膜污染的機(jī)制歸為內(nèi)部污染和外部污染。內(nèi)部污染指由于可利用的膜孔面積減少或者開(kāi)放孔的數(shù)量減少導(dǎo)致膜通量下降;外部污染則指由于膠體性物質(zhì)附著在膜表面形成濾餅層，增大了水力阻力，導(dǎo)致膜通量下降。Xu等［6］報(bào)道，在微濾和超濾中，廢水中的可溶性溶質(zhì)吸附、聚集到膜上，導(dǎo)致膜污染。

本工作通過(guò)理論模型的計(jì)算進(jìn)行定量分析，采用通量階式遞增法測(cè)定自制聚醚砜平板膜的臨界通量，研究通量衰減規(guī)律，進(jìn)而確定膜污染的類型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚醚砜平板膜:采用相轉(zhuǎn)化法自制，表面未改性，編號(hào)091015C，孔徑0.3μm，有效過(guò)濾面積0.025 2 m2。實(shí)驗(yàn)用模擬廢水(質(zhì)量濃度，mg/L):葡萄糖522.5，(NH4)2SO4188.5，Na2CO3207.5，KH2PO435.0，蛋白胨100.0，豆奶粉50.0。實(shí)驗(yàn)用活性污泥取自南京某污水處理廠的曝氣池，MLSS為6 000～12 000 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)裝置為浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器，有效容積14 L，膜組件為平板膜組件，下設(shè)曝氣管，提供氣體沖刷膜面的動(dòng)力和微生物所需要的氧氣。模擬廢水經(jīng)平板膜錯(cuò)流過(guò)濾后由蠕動(dòng)泵負(fù)壓抽吸后出水。每15 min增加蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速1 r/min。通過(guò)逐步增加蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，逐漸增大TMP。每間隔一定時(shí)間，測(cè)量出水體積，計(jì)算膜通量。當(dāng)TMP超過(guò)50 kPa時(shí)，膜污染嚴(yán)重，終止實(shí)驗(yàn)對(duì)膜進(jìn)行清洗。

2 結(jié)果與討論

2.1 膜通量與TMP的關(guān)系

膜通量與TMP的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 膜通量與TMP的關(guān)系

由圖1可見(jiàn):當(dāng)膜通量低于16.5 L/(m2·h)時(shí)，TMP穩(wěn)定在較低的值，小于2 kPa;當(dāng)控制膜通量低于23.8 L/(m2·h)時(shí)，TMP仍較低，變化不大;當(dāng)膜通量由23.8 L/(m2·h)升至30.7 L/ (m2·h)時(shí)，TMP急速上升;繼續(xù)提高蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，TMP繼續(xù)增大，膜通量不僅沒(méi)有增加，反而下降。此時(shí)膜污染已較為嚴(yán)重，系統(tǒng)不宜繼續(xù)運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)采取措施減緩污染。實(shí)際運(yùn)行中采取反沖洗、空曝氣、離線化學(xué)清洗等措施可減緩膜污染。由此可見(jiàn)，聚醚砜平板膜的臨界通量為23.8 L/(m2·h)。在低于此臨界通量下運(yùn)行時(shí)，膜通量與TMP正相關(guān);在超過(guò)臨界通量運(yùn)行時(shí)，膜通量并不與TMP正相關(guān)。

2.2 過(guò)濾阻力的計(jì)算

該浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行過(guò)程符合壓力驅(qū)動(dòng)模型，可根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算過(guò)濾阻力(R，m－1)，見(jiàn)式(1)。

式中:J為膜通量，L/(m2·h);ΔP為TMP，kPa;μ為水黏度系數(shù)，Pa·s。

過(guò)濾阻力隨運(yùn)行時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)濾阻力逐漸增加。膜過(guò)濾的機(jī)制是篩濾作用，即小于膜孔徑的能通過(guò)，大于膜孔徑的被截留。一些小分子物質(zhì)進(jìn)入膜孔后吸附在膜孔內(nèi)或嵌入膜骨架，造成孔堵塞或孔徑變小，增大了過(guò)濾阻力。此外，反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥在蠕動(dòng)泵負(fù)壓抽吸作用下也會(huì)吸附到膜表面形成濾餅層，并且由于微生物的新陳代謝活動(dòng)分泌的一些多糖類物質(zhì)、蛋白質(zhì)等使得污泥具有一定的膠黏性，加劇了膜污染。

圖2 過(guò)濾阻力隨運(yùn)行時(shí)間的變化

目前，關(guān)于膜的污染機(jī)制主要有孔堵塞、濃差極化形成的濾餅層污染、生物污染導(dǎo)致的凝膠層污染。過(guò)濾阻力可表示為膜阻力、孔堵塞阻力與濾餅層阻力的和。膜阻力為膜投入運(yùn)行前在清水中測(cè)得，16℃時(shí)清水的黏度系數(shù)為1.15×10－3Pa·s;孔堵塞阻力為運(yùn)行過(guò)程中達(dá)到臨界通量時(shí)的過(guò)濾阻力減去膜本身的阻力;濾餅層阻力為污染嚴(yán)重時(shí)的過(guò)濾阻力減去臨界通量時(shí)的過(guò)濾阻力。由此計(jì)算得到的過(guò)濾阻力分布見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，孔堵塞阻力、濾餅層阻力分別占過(guò)濾阻力的61.96%和36.64%，而膜阻力只占1.40%。由此可見(jiàn)，該膜的污染機(jī)制以孔堵塞為主。

圖3 過(guò)濾阻力分布

2.3 模型計(jì)算

根據(jù)W iesner等［7］的研究表明，在不同膜污染機(jī)制中，膜通量分別滿足以下線性關(guān)系，見(jiàn)式(2)～式(4)。

式中:J0為初始膜通量，L/(m2·h);t為運(yùn)行時(shí)間，min;km為膜阻力模型參數(shù)，m2/L;kp為孔堵塞阻力模型參數(shù)，min－1;kc為濾餅層阻力模型參數(shù)，m4·h/L2。

在初始膜通量為16.9 L/(m2·h)的條件下，根據(jù)膜阻力模型、孔堵塞阻力模型、濾餅層阻力模型擬合的曲線分別見(jiàn)圖4、圖5和圖6。由圖4、圖5和圖6可見(jiàn):聚醚砜平板膜的通量衰減基本符合上述3個(gè)模型。在圖4中，膜阻力模型符合整個(gè)過(guò)程，km為1.11×10－4m2/L。在圖5中，孔堵塞阻力模型符合整個(gè)過(guò)程，隨著越來(lái)越多的小分子物質(zhì)進(jìn)入膜孔，膜通量逐漸衰減，kp為1.59×10－3min－1。隨著附著到膜表面的微生物越來(lái)越多，表面開(kāi)始形成生物餅層，餅層內(nèi)的微生物分泌的大量胞外物質(zhì)形成凝膠層。胞外物質(zhì)的主要成分是多糖、蛋白質(zhì)，還有少量的腐殖酸、脲酸和核酸等，膠黏性大［8］。以凝膠層為核心，餅層逐漸擴(kuò)大、增厚、密實(shí)。在圖6中，濾餅層阻力模型符合整個(gè)過(guò)程，在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，膜表面的濾餅層處于形成階段，kc為1.56×10－5m4·h/L2。

圖4 膜阻力模型擬合曲線

圖5 孔堵塞阻力模型擬合曲線

圖6 濾餅層阻力模型擬合曲線

綜上所述，在運(yùn)行過(guò)程中的膜污染是由以上幾種膜污染機(jī)制共同作用的結(jié)果，孔堵塞污染和濾餅層污染同時(shí)發(fā)生。針對(duì)不同污染機(jī)制造成的膜污染可以分別采取不同的清洗方法恢復(fù)通量。對(duì)于孔堵塞引起的膜污染可用化學(xué)試劑進(jìn)行離線清洗;對(duì)于濾餅層污染則可采用在線反沖洗或者空曝氣的方法恢復(fù)通量。

3 結(jié)論

a)對(duì)自制聚醚砜平板膜生物反應(yīng)器的臨界通量進(jìn)行了研究。該膜的臨界通量為23.8 L/(m2·h)，在低于此臨界通量下運(yùn)行時(shí)，膜通量與TMP正相關(guān);高于臨界通量運(yùn)行時(shí)，膜通量并不與TMP正相關(guān)。

b)對(duì)運(yùn)行后的過(guò)濾阻力分布進(jìn)行計(jì)算，孔堵塞阻力、濾餅層阻力分別占過(guò)濾阻力的61.96%和36.64%，而膜阻力只占1.40%。

c)對(duì)自制平板膜生物反應(yīng)器次臨界通量條件運(yùn)行的通量衰減規(guī)律進(jìn)行研究，通量衰減同時(shí)符合膜阻力模型、孔堵塞阻力模型和濾餅層阻力模型;表明孔堵塞污染和濾餅層污染是同時(shí)發(fā)生的。

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Research on Membrane Fouling in Cross-flow Filtration of Activated Sludge

Wang Yong1，Liu Ying2，Song Yonghui1，Shen Jiazheng2，Hua Yaozu1

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Nanjing University，Nanjing Jiangsu 210046，China; 2.Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao Shandong 266071，China)

The critical flux of the membrane bioreactor with self-made filtration membrane was determined by stepw ise increasing flux method.The experimental results show that the critical flux of themembrane bioreactor is23.8 L/(m2·h).Themembrane fouling behavior in filtration of activated sludge was studied under the condition of subcritical flux.The results of model calculation show that the decrease ofmembrane flux accordswithmembrane resistance lim itmodel，pore blocking resistance model and cake resistancemodel simultaneously.The analysis on filtration resistance distribution of the running membrane shows that the resistances caused by cake-forming and pore-blocking are the main parts of filtration resistance，which are 36.64%and 61.96%of the total resistance respectively，the resistance caused by membrane only accounts for 1.40%.

membrane bioreactor;critical flux;cross-flow filtration;membrane fouling;model; activated sludge;wastewater treatment

X703

A

1006－1878(2011)05－0393－04

2011－02－20;

2011－05－10。

王勇(1970—)，男，福建省邵武市人，碩士，講師，從事膜材料和膜生物反應(yīng)器研究。電話 025－89680583，電郵wangyong@nju.edu.cn。

江蘇省環(huán)?？蒲杏?jì)劃項(xiàng)目(201011);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201112)。

(編輯 王 馨)