膜-生物反应器的研究及其在废水处理中的应用(3)

浓度高，且随进水COD的变化而变化，存在着动态平衡；④ 较大的活性污泥比表面。 4.5数学模型的建立

建立数学模型来研究膜－生物反应器具有很重要的意义，但难度也比较大。Gunther Gehler[41]等人针对连续式好氧膜－生物反应器建立了一个数学模型。他们先利用暗箱模型—只是考虑料液的进出情况，并根据物料平衡首先建立了一个普通的数学关系式，

并提出分散系数α，需要实验的数据来确定。在此基础上，考虑系统的内部情况，如生物的繁殖、生化反应等，对碳平衡和氧平衡进行修订，建立了污染物的降解与进料组成和溶解氧的关系，增强了模型的有效性。通过此过程建立的数学模型与实验数据的符合程度得到了提高。

其中，下标：Ex—消耗，g—气体，h—水力，in—输入，l—液体，c— 碳，sl—污泥，P—渗透，R—反应；符号：τ—停留时间，单位h；μ—增长率，单位l/h；c*—相平衡浓度；M—mol质量，单位g/mol；V—体积，单位L； —体积流量，单位L/h； —质量流量，单位Kg/h；Y—产量g产生的微生物/g降解的微生物液相中的质量分率； —质量传递因数，单位1/h。

另外，刘锐[42]采用多元相关和回归因素分析法建立了R20与SS浓度及上清液TOC浓度三者之间关系的数学模型，用来综合衡量污泥浓度和以微生物产物为主体的溶解性物质浓度对膜污染的影响，其建立过程如下：

设R20与SS浓度及上清液TOC浓度的关系为： 并对两边取对数，得到线性方程： log R20=logf + alogSS + blogTOC

其中：R20为抽滤20分钟后由膜污染造成的膜过滤阻力；SS为悬浮物；a和b分别为SS和上清液TOC浓度对R20产生影响的指数系数，f为常数。再从试验得到的15组数据中通过线性回归求得系数：a=0.297，b=0.694，logf=10.728，则 R20＝5.35 × 1010·SS0.297TOC0.694

这样，通过此式可以预测不同性质的混合液对膜污染的程度。 4.6膜污染的形成与控制

膜污染是指那些由于在膜孔内、膜表面上各种污染物的积累导致的膜通量下降的因素和现象[43]。膜污染如何控制与清洗是膜分离过程中不可避免的难题。它影响到系统的稳定运行、能耗、膜的使用寿命等，关系到MBR的经济性，从而制约了MBR在废水处理中的应用。膜污染中有一些污染物可以通过一定的物理、化学方法来消除和减轻，是可逆的；另一些污染物则与膜表面发生了不可逆的相互作用而无法消除。在MBR中膜表面接触的是组成复杂多变的活性污泥混和液，同时由于膜表面的物理特性（亲水性、荷电性、表面形态等）各不相同，操作条件各异等，使得膜的污染过程的分析变得很复杂。国内外在此方面的研究很活跃，膜污染如何有效地控制与清洗一直是MBR技术研究的前沿和热点之一。 4.6.1膜污染与膜的性质

膜的结构与表面性质和膜污染有着密切的联系。Hong[19]等在研究膜污染的控制时发现，膜孔径或孔隙率越高(特别是膜的表层孔径大、内层孔径小时) ，膜通量下降的越快，并解释为：(1) 存在由微孔堵塞与凝胶层的形成（以微孔堵塞为主）而引起的短期快速下降过程；(2) 不可逆污染与凝胶层压实引起的长期逐渐下降过程。Kwon[44]等研究了粒子尺寸对膜污染的影响时认为膜污染状态对与孔径相当的粒子比较敏感，其原因为：粒子尺寸小容易在膜表面沉积而被压实，对膜通量影响较大；而比孔径大很多的粒子因其在膜表面沉积的厚度和密度不足以引起膜通量的明显下降。为此在选用膜时应充分考虑体系的活性污泥混和液中的固体悬浮物的颗粒大小和分布这一影响因素。另一方面，膜的表面电性和活性污泥混和液中带电荷的胶体颗粒和杂质等存在吸附或排斥的作用，也可以通过静电排斥来缓解膜污

染；此外，亲水性膜比疏水性膜抗污染能力强[45]；通过改变膜表面的粗糙度来改变流体在膜表面的扰动程度形成动态膜[46]，对膜进行接枝改性[47]等，同样可以改善与控制膜污染的程度。

4.6.2膜污染与混和液性质的关系

由于MBR中的活性污泥混和液的性质和组成是复杂多变的，因此对膜污染的影响很大。前面已经提到MLSS不是膜污染的主要原因。Bouhabila[48]等在研究MBR污染特性时认为反应器中的悬浮固体颗粒、胶体、溶质对膜污染都有贡献，其中胶体部分是膜污染的主要因素。Sata[49]等研究了分置式MBR的MLSS、COD及污泥粘度对通量的影响，并建立了相应的经验公式：

R总＝842.7△P×MLSS0.926×COD1.368×η0.326 R总为过滤总阻力，△P为操作压力，η为混和液粘度

上式表明：混和液中的COD浓度对膜的过滤阻力影响比MLSS大，粘度的影响最小。另外，体系长期运行中EPS(extracelluar polymers)在反应器中的积累增加了流体的粘度，同时也增加膜的过滤阻力，对膜通量有负面影响[23]。另一方面，体系中积累的SMP吸附于膜孔内的堵塞和膜表面形成凝胶层对膜造成的污染，有时会构成50％的膜过滤阻力[50]。另外，在反应器中加入多孔物质（如活性炭）、添加填料；在循环管路中形成气/液混和态通过膜表面；对膜进水进行UV预处理等方法都可不同程度缓解膜污染和增加膜的通量[45] [ 47] [51~53]。

4.6.3膜污染与运行方式

运行方式对膜污染的影响也很大。Hong[19]等研究也认为起始操作流量（initial operating flux）或透膜压力(Trans-membrane pressure ，TMP)的增加也会加强胶体颗粒等污染物在膜表面凝胶层中的积累和凝胶层的压实，从而导致起始通量很快下降；同时认为起始TMP对膜的污染比微生物浓度的影响更大[54]。许多文献报道在MBR运行中存在一临界通量，当不超过此值时，膜污染与自清洗处于接近动态平衡的状态，膜通量与压力成正比；一旦超过临界通量值则会发生较严重的污染[55~56]。郑祥[57]等研究也得到控制膜的初始通量有利于控制膜污染和降低能耗。温东辉[58]等考察膜面流速与膜透水率的关系时认为：起始时提高膜面流速则透水率增加，为此需要选择合适膜面流速以控制能耗。桂萍[59]等通过正交实验研究了SMBR运行工艺条件对膜污染与过滤特性的影响后认为：抽吸时间加长的同时也增加了污染物在膜表面的积累；停抽时由于压力的释放时使膜表面的污染物反向传递增加，有利于污染物的清除，但停抽时间太长则效果不明显；曝气时的扰动缓解了污染物在膜表面的吸附和积累，但进一步增加曝气量时效果也不明显，且可能导致活性污泥絮体粒径减小，影响过滤。对此，这三种因素在运行工艺中都有一定的控制范围，存在一个最佳的组合。同时在保持一定膜通量时，它们对膜的抽吸压力上升速率的影响程度大小的顺序为：抽停时间>曝气量>停抽时间。此外，膜组件的结构形式也会对膜污染有很大的影响[19]。综上所述，可以看出：优化MBR运行方式对于降低膜污染，保持系统的长期稳定运行是必要的，也是可行的。

4.6.4膜污染的清洗与再生

尽管在MBR的设计和运行中采取了许多措施来缓解与控制膜污染，但在长期运行过程中膜的污染仍不可避免，必须对膜进行一定的清洗来减轻或消除膜污染，恢复膜通量，延长膜的使用寿命。膜清洗可分为物理清洗和化学清洗[60] 。物理清洗一般指水力清洗与反冲洗，周期比较短。水力清洗可除去中空纤维膜间和膜表面的污染物，来减少透水阻力，从而恢复通量[61]。反冲洗，即在膜的透水侧施加一个反冲压力来驱动清水反向透过膜，将膜孔内的堵塞物冲洗掉，或使膜表面的沉积层悬浮起来，然后被水流冲走。樊耀波[6 …… 此处隐藏：1775字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……