膜生物反應(yīng)器膜污染行為的識別與表征.pdf

1、膜生物反應(yīng)器(MBR)是將膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)器結(jié)合而成的一個新型污水處理工藝。它把膜分離過程與生物降解結(jié)合起來，以膜分離裝置取代普通生物反應(yīng)器中的二沉池，從而取得高效的固液分離效果。MBR 作為一種新型高效的水處理技術(shù)，日益受到各國的水處理技術(shù)研究者的關(guān)注。然而，膜污染是當(dāng)前限制MBR廣泛應(yīng)用的主要瓶頸，其導(dǎo)致膜通量下降，增加膜組件更換和清洗的頻率，從而增加MBR的運行費用。因此，有必要研究膜污染機理，這對于膜污染的有效控制以及MBR

2、的推廣應(yīng)用具有重要意義。 本研究采用一體式中空纖維膜生物反應(yīng)器，對MBR技術(shù)中膜污染的關(guān)鍵問題進行了深入研究。主要考察了活性污泥性質(zhì)和反應(yīng)器操作條件對膜污染的影響機理，同時，借助分形理論和圖像分析儀研究了膜污染的微觀機理。本研究包括： (1)采用統(tǒng)計分析方法研究了16種不同性質(zhì)活性污泥混合液對MBR膜污染的影響機理。結(jié)果表明：污泥濃度與膜污染阻力呈指數(shù)增加關(guān)系；污泥粒徑(PSD)、胞外聚合物(EPS)、溶解性有機物(SM

3、P)、上清液膠體顆粒(SS<,s>)、污泥混合液粘度(μ)、相對疏水性(RH)、Zeta電位均對MBR膜滲透性能有顯著的影響作用，其與膜污染阻力的皮爾遜相關(guān)系數(shù)r<,p>分別為：-0.730、0.898、0.757、0.810、0.691、0.837、-0.881；同時發(fā)現(xiàn)，胞外聚合物是影響活性污泥中溶解性有機物含量(r<,p>=0.725)、污泥粘度大小(r<,p>=0.633)、上清液膠體顆粒含量(r<,p>=0.783)、Zeta

4、電位(r<,p>=-0.953)及相對疏水性大小(r<,p>=0.877)的主要因素；在活性污泥性質(zhì)中污泥濃度、胞外聚合物、污泥粒徑是影響膜污染的根本原因，是膜生物反應(yīng)器膜污染的重要影響因素。經(jīng)過多元回歸，得到了用于預(yù)測污泥濃度、污泥粒徑及胞外聚合物對膜污染阻力影響的數(shù)學(xué)模型。該預(yù)測模型為： R<,f>=2.250e<'MLSS*9×10<'-5>>+0.111EPS-1.99×10<'-2>PSD-+3.201. (2)采用短

5、期過濾方式考察了絲狀菌濃度或絲狀菌生長指數(shù)對膜污染的影響機理。本部分研究主要從活性污泥性質(zhì)和污泥絮體形態(tài)學(xué)的角度對絲狀菌的膜污染機理進行了解釋。研究表明：缺少絲狀菌的污泥混合液會導(dǎo)致嚴重的膜孔堵塞污染，而絲狀菌的過度繁殖會導(dǎo)致形成厚大、密實的濾餅層；絲狀菌的過量繁殖會使得胞外聚合物和相對疏水性增大，污泥絮體Zeta電位下降，從而惡化膜過濾過程；另外，絲狀菌的過度繁殖會導(dǎo)致污泥絮體周界分形維數(shù)和三維縱橫比增大、污泥絮體圓度減小，說明絲狀菌

6、的過度繁殖使得污泥絮體變得不規(guī)則、松散，而不規(guī)則的污泥絮體會沉積并纏繞在膜絲表面，起到固定膜表面污染物的作用；因此，在MBR運行過程中，應(yīng)采取適當(dāng)措施控制絲狀菌的生長情況以減緩膜污染。 (3)采用3個平行運行反應(yīng)器，系統(tǒng)研究了不同反應(yīng)器負荷(OLR=0.7-0.8.kgCOD/m<'3>d,OLR=1.1-1.4 kgCOD/m<'3>d，OLR=1.7-2.1 kgCOD/m<'3>d)對膜污染的影響機理?？疾炝?OLR對膜過

7、濾性能、膜污染、污泥性質(zhì)(污泥活性 SOUR、絲狀菌濃度、胞外聚合物、污泥粒徑、污泥濃度、污泥粘度)的影響，并分析了反應(yīng)器內(nèi)污泥混合液的水力學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)：隨著OLR的增大，反應(yīng)器COD去除率僅有輕微下降，但污泥活性和污泥混合液溶解氧明顯減?。辉?OLR=1.1-1.4 kgCOD/m<'3>d和OLR=1.7-2.1 kgCOD/m<'3>d的反應(yīng)器內(nèi)，發(fā)生嚴重的絲狀菌過度繁殖，并導(dǎo)致胞外聚合物和污泥粘度迅速增大，進而加劇膜污染；高

8、的反應(yīng)器負荷會導(dǎo)致污泥濃度MLSS顯著增大；最后，研究發(fā)現(xiàn)污泥粘度是決定反應(yīng)器水力學(xué)特性的重要原因，當(dāng)污泥粘度小于 2.0 mPa s時，污泥粘度對反應(yīng)器氣液上升流速基本沒有影響，而當(dāng)污泥粘度大于 2.0 mPa s時，氣液上升流速急劇下降，其不能有效吹脫膜表面污染物；同時，隨著污泥粘度的增大，反應(yīng)器內(nèi)污泥混合液的雷諾數(shù)迅速下降。 (4)從活性污泥性質(zhì)變化和濾餅層形成兩個角度，研究了3個不同曝氣強度(150 L/h。400 L/

9、h，800 L/h)對膜污染的影響。研究結(jié)果表明：過大或過小的曝氣均不利于膜污染的減緩，過小的曝氣強度不能有效去除膜表面污染物，而過大的曝氣強度會導(dǎo)致污泥絮體破壞，產(chǎn)生大量的膠體粒子和大分子有機物，使得膜通量下降；在大的曝氣強度下，膠體粒子和溶解性有機物在膜表面及膜孔的沉積吸附是產(chǎn)生膜污染的根本原因；曝氣強度為 400 L/h 時，在膜面形成了自生動態(tài)膜，其起到截留或降解小顆粒物和溶解性有機物、減緩膜污染的作用。 (5)考察了不

10、同MBR工藝中污泥混合液的膜過濾性能，并對比研究了污泥混合液的性質(zhì)。借助共聚焦激光掃描電鏡(CLSM)、傅里葉紅外光譜儀(FTIR)、X射線熒光光譜儀(XRF)等技術(shù)表征了膜污染物的主要成分，并分析了膜表面污染物的形成機制。研究發(fā)現(xiàn)：A<'2>/O-MBR 中活性污泥的膜污染行為最嚴重，A/O-MBR 和傳統(tǒng)MBR(CMBR)的膜污染行為次之，序批式MBR(SMBR)的膜污染最輕；發(fā)現(xiàn)絲狀菌過度繁殖、結(jié)合態(tài)EPS、溶解性EPS、芳香性化

11、合物(以SUV<,254>表征)等是影響膜污染的重要因素；污泥絮體、多糖和蛋白質(zhì)在膜表面大量沉積，導(dǎo)致MBR生物污染和有機污染。Ca、Mg、Al、Si、Fe等元素的沉積是造成膜無機污染的主要原因；在膜污染過程中，無機鹽的沉淀物、胞外聚合物、微生物等相互結(jié)合，沉積并吸附在膜表面，形成粘附性極強、限制膜通量的濾餅層。 (6)在膜生物反應(yīng)器中，活性污泥在膜表面沉積形成濾餅層是造成膜污染的主要因素。采用掃描電鏡和自動圖像分析技術(shù)研究了膜

12、過濾濾餅層的微觀結(jié)構(gòu)，并以分形理論和Darcy定律為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出用于預(yù)測膜污染濾餅層滲透性能的數(shù)學(xué)模型，驗證了該滲透模型的可靠性，并利用該滲透模型進行了膜生物反應(yīng)器中污泥濃度對濾餅層滲透性能影響的研究。結(jié)果表明：活性污泥顆粒沉積形成的柔性濾餅層具有明顯的多孔結(jié)構(gòu)，并且具有很好的分形特征；膜污染濾餅層的分形維數(shù)能夠真實反映濾餅層的孔隙率大小；用該滲透模型得到的滲透系數(shù)K可以預(yù)測濾餅層滲透性能；濾餅層滲透系數(shù)K隨污泥濃度的增大而遞減，污泥濃