MBR的膜污染機制與可持續(xù)操作原理.pdf

1、浸沒式膜生物反應(yīng)器(SMBR)日益廣泛的應(yīng)用于城市污水和工業(yè)污水的處理上。MBR 的成功運行與經(jīng)濟性和膜污染緊密相關(guān)。SMBR中，在給定通量(flux)條件下，膜污染主要表現(xiàn)透膜壓力(TMP)的上升。MBR 的膜污染十分復(fù)雜并受到反應(yīng)器的設(shè)計特點、操作模式和生物學(xué)因素的影響。因此，降低膜污染，提高MBR的表現(xiàn)需要綜合考慮解決辦法。本論文探索了膜污染的機理和各種改善MBR可持續(xù)操作的策略。 在膜污染機理的研究中，透膜壓力的上升被

2、描述為三個階段：第一階段發(fā)生在初始的幾小時內(nèi)，由于膜孔的縮窄或堵塞造成的膜表面特性的改變，導(dǎo)致透膜壓力突然的上升。第二階段表現(xiàn)為透膜壓力的長時間慢速上升過程，主要原因是膜表面的胞外高分子物質(zhì)(EPS)累積。膜表面EPS主要來源是膜對混合液中的EPS截留。第三階段是透膜壓力的突然躍升并導(dǎo)致膜過濾無法繼續(xù)操作，形成這一階段有多種原因，但都符合恒通量過濾中膜污染自我加速的基本特點。為了理解SMBR膜污染的復(fù)雜特性，“污染路線圖”揭示了膜生物反

3、應(yīng)器的操作和設(shè)計特點與一般污染因素(例如：被過濾液的特性、膜本身的特性、流體力學(xué)條件等)的聯(lián)系。MBR的污染機理圖描述了3階段的污染和相應(yīng)的多樣化的污染機理。 在相同的污泥條件下，利用Millipore公司的系列微濾和超濾膜，考察了膜的材質(zhì)和孔徑對于膜的污染特性和截留特性的影響。膜材質(zhì)、孔徑的不同主要影響微濾膜在初始階段膜污染，表現(xiàn)在初始透膜壓力的躍升程度不同。不同操作通量下，不同孔徑的膜對有機物的截留能力隨污染程度的加重而提

4、高。凝膠滲透色譜(GPC)試驗結(jié)果表明，微濾膜在污染后對有機高分子聚合物都有一定的截留作用。通過對污染后膜表面特性的考察發(fā)現(xiàn)，污染后膜表面的ZETA電位受活性污泥混合液的ZETA電位影響并與活性污泥混合液ZETA電位相似。被污染膜的傅里葉變換紅外光譜圖顯示，污染后膜表面發(fā)生了多糖類與蛋白質(zhì)的附著。共聚焦激光掃描電子顯微鏡(CLSM)與場發(fā)射掃描電鏡(FSEM)照片顯示，低通量下污泥顆粒的附著并不嚴(yán)重，高通量下會迅速形成EPS與污泥顆粒混

5、合的濾餅層。 應(yīng)用通量階梯方法，通過對超濾及微濾的平板和中空纖維膜的考察，建立了可持續(xù)通量的確定方法，也同時建立了MBR中膜污染的比較方法。在存在一定誤差情況下，能夠通過短時間的通量階梯試驗來大致預(yù)測長周期的膜污染情況。 污泥停留時間(SRT)作為 MBR 的重要操作參數(shù)會影響活性污泥的生物特性進而影響膜污染。DGGE 圖說明了隨著污泥停留時間的延長，污泥中占主導(dǎo)地位的菌群發(fā)生了變化。污泥停留時間10天和30天時，在

6、相同的進水體積負(fù)荷條件下，包含了活性污泥上清液中溶解態(tài)和污泥絮體上附著態(tài)EPS之和的總EPS濃度相似，然而，EPS的溶解態(tài)和附著態(tài)分布比例不同。上清液中占主導(dǎo)的多糖類的EPS隨污泥停留時間延長而降低。活性污泥混合液的黏度隨污泥停留時間延長而升高，然而由曝氣引發(fā)的液相流速相近。通量階梯試驗結(jié)果顯示污泥停留時間延長能夠降低膜污染速率(dTMP/dt)，提高可持續(xù)通量。在恒通量 20L/m<'2>·h(LMH)下長時間運行中發(fā)現(xiàn)，延長污泥停留

7、時間，長期膜污染程度降低。采用兩個平行運行160天的MBR，在相同平均污泥負(fù)荷條件下，分別采用恒定負(fù)荷和波動負(fù)荷進水，活性污泥在非穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)條件下微生物代謝特性不同。通量階梯試驗與長時間過濾實驗證明，在80天的非穩(wěn)態(tài)時，波動負(fù)荷條件下的膜污染高于其在恒定負(fù)荷條件下。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件下，波動負(fù)荷條件下的膜污染低于其在恒定負(fù)荷條件下。微生物代謝比較發(fā)現(xiàn)，上清液中的SMP、多糖類的EPS以及污泥顆粒粒徑是影響膜污染的主要因素，并導(dǎo)致了穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)

8、態(tài)下膜污染結(jié)果的差異。穩(wěn)態(tài)條件下，波動負(fù)荷的活性污泥的比耗氧速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于恒定負(fù)荷的活性污泥的比耗氧速率，推測可能其活性污泥中處于活躍狀態(tài)的微生物比例高，從而降低了“F/M”，并導(dǎo)致了兩種活性污泥的 EPS代謝差異。 在 MBR 平行比較實驗中，通過應(yīng)用增強膜過濾表現(xiàn)的高分子絮凝劑(MPE50)來研究絮凝劑對膜污染的影響。通量階梯試驗結(jié)果顯示，加入MPE后能使反應(yīng)器的可持續(xù)通量高于空白反應(yīng)器50％。長周期的實驗結(jié)果表明，在可持續(xù)

9、通量的范圍內(nèi)，加入MPE輕微改善膜污染。高于可持續(xù)通量，加入MPE后的MBR的膜污染顯著減輕。通過MPE的絮凝作用，提高了污泥的粒徑分布，降低了上清液中SMP和EPS濃度(主要是多糖類的EPS物質(zhì))。停止加入維持劑量的MPE，應(yīng)用MPE的膜生物反應(yīng)器的膜污染比空白反應(yīng)器嚴(yán)重。停止加入MPE后，污泥粒徑雖有下降，但依然大于空白污泥。停止加入MPE會造成上清液中SMP和EPS濃度大幅提高。通過膜污染比較發(fā)現(xiàn)，上清液中SMP和EPS濃度比污泥