膜生物反應器膜污染行為的識別與表征.pdf

1、膜生物反應器(MBR)是將膜分離技術和生物反應器結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合起來，以膜分離裝置取代普通生物反應器中的二沉池，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，日益受到各國的水處理技術研究者的關注。然而，膜污染是當前限制MBR廣泛應用的主要瓶頸，其導致膜通量下降，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、的推廣應用具有重要意義。 本研究采用一體式中空纖維膜生物反應器，對MBR技術中膜污染的關鍵問題進行了深入研究。主要考察了活性污泥性質和反應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種不同性質活性污泥混合液對MBR膜污染的影響機理。結果表明：污泥濃度與膜污染阻力呈指數(shù)增加關系；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，是膜生物反應器膜污染的重要影響因素。經(jīng)過多元回歸，得到了用于預測污泥濃度、污泥粒徑及胞外聚合物對膜污染阻力影響的數(shù)學模型。該預測模型為： 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和污泥絮體形態(tài)學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致嚴重的膜孔堵塞污染，而絲狀菌的過度繁殖會導致形成厚大、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，應采取適當措施控制絲狀菌的生長情況以減緩膜污染。 (3)采用3個平行運行反應器，系統(tǒng)研究了不同反應器負荷(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。考察了 OLR對膜過

7、濾性能、膜污染、污泥性質(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，并分析了反應器內污泥混合液的水力學特性。研究發(fā)現(xiàn)：隨著OLR的增大，反應器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的反應器內，發(fā)生嚴重的絲狀菌過度繁殖，并導致胞外聚合物和污泥粘度迅速增大，進而加劇膜污染；高

8、的反應器負荷會導致污泥濃度MLSS顯著增大；最后，研究發(fā)現(xiàn)污泥粘度是決定反應器水力學特性的重要原因，當污泥粘度小于 2.0 mPa s時，污泥粘度對反應器氣液上升流速基本沒有影響，而當污泥粘度大于 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，反應器內污泥混合液的雷諾數(shù)迅速下降。 (4)從活性污泥性質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。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、多糖和蛋白質在膜表面大量沉積，導致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研究了膜

12、過濾濾餅層的微觀結構，并以分形理論和Darcy定律為基礎，推導出用于預測膜污染濾餅層滲透性能的數(shù)學模型，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器中污泥濃度對濾餅層滲透性能影響的研究。結果表明：活性污泥顆粒沉積形成的柔性濾餅層具有明顯的多孔結構，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??；用該滲透模型得到的滲透系數(shù)K可以預測濾餅層滲透性能；濾餅層滲透系數(shù)K隨污泥濃度的增大而遞減，污泥濃