預涂動態(tài)膜在錯流過濾中的機理研究及其在膜生物反應器中應用.pdf

1、高能耗和膜污染是膜技術在污水處理推廣方面的兩個主要障礙，動態(tài)膜技術由于其優(yōu)良的抗污染和清洗簡單等優(yōu)點越來越備受膜技術研究領域的關注。本文以預涂動態(tài)膜技術的應用研究為背景，利用動態(tài)膜對錯流過濾工藝進行優(yōu)化：減少膜污染、提高膜通量和簡化膜清洗。同時首次提出動態(tài)膜技術與當前污水處理熱點工藝一膜生物反應器結合，進一步優(yōu)化錯流式膜生物反應器的性能。實驗結合錯流式膜生物反應器(CMBR)和A/O工藝，利用動態(tài)膜進行過濾，對模擬的己內(nèi)酰胺廢水進行處理

2、，考察系統(tǒng)內(nèi)的生物活性和污泥硝化性能。在后期，反應器中加入活性炭粉末，以此來改善污泥混合液的性能，改變污泥絮體的結構、物理性能。 首先，通過對錯流過濾系統(tǒng)中懸浮顆粒的受力分析，考慮了動態(tài)膜制備過程中膜孔堵塞和膜管曲率變化等因素，提出了更切實際的動態(tài)膜形成過程數(shù)學模型，并對該模型進行了實驗驗證，利用所建立的數(shù)學模型可計算整個過程中的膜通量和膜厚度。顆粒大小、錯流速度和跨膜壓差等參數(shù)對達到穩(wěn)定狀態(tài)后的動態(tài)膜的膜厚和滲透液通量影響顯

3、著，而達到平衡狀態(tài)所需的時間則與跨膜壓差、主體溶液的顆粒濃度和粒徑等參數(shù)有關。實驗顯示，膜孔堵塞的速率y并不與顆粒濃度和壓力呈明顯的線性關系，但隨著顆粒濃度和壓力的增大，膜孔堵塞的速率也隨之增大。以1250目和6000目的高嶺土為動態(tài)膜材料，分別在不同的流量、壓力和涂膜液濃度下進行涂膜實驗，結果表明：當系統(tǒng)常數(shù)K<,0>在1250目和6000目高嶺土試驗中分別取2和10時，實驗值與計算值在非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)情況下均比較接近。但在實驗中發(fā)現(xiàn)膜通

4、量進入穩(wěn)態(tài)后仍隨時間緩慢下降。 進一步的研究是探索預涂層動態(tài)膜的制備條件和動態(tài)膜的過濾條件。利用1250目、4000目、6000目的高嶺土分別作為動態(tài)膜涂膜材料，在不同的錯流速度(0.5、1.0、1.5m·s<,'-1>)、跨膜壓差下(0.1、0.2MP)和不同顆粒濃度(0.5、0.75、1.0g·L<'-1>)下分別進行涂膜的正交實驗。以過濾二級出水和活性污泥的出水通量和水質(zhì)作為評價膜的性能指標，結果顯示0.1MP壓差、1.

5、5 m·s<'-1>的初始膜面流速，用0.5g·L<'-1>的6000目高嶺土進行涂膜30min得到的動態(tài)膜比較理想。在動態(tài)膜過濾和0.2μm無機微濾膜過濾實驗的比較中，結果顯示，動態(tài)膜過濾污泥混合液時在出水水質(zhì)和通量方面明顯由于直接過濾，而處理二級出水在膜通量方面沒有太大的優(yōu)勢。在操作參數(shù)中通量對膜面流速最為敏感，提高膜面流速能明顯提高膜通量，而提高跨膜壓差并不能使膜通量線性上升，當壓力大于臨界壓力時，增大壓力已無明顯效果。污泥濃度越

6、大，假擬穩(wěn)定狀態(tài)的通量越小，通量與污泥濃度的關系呈指數(shù)關系：J=αexp(bMLSS)。對出水水質(zhì)分析，污泥混合液水質(zhì)要求符合生活雜用水和工業(yè)冷卻水回用的水質(zhì)標準，二級出水水質(zhì)滿足工業(yè)冷卻水回用的水質(zhì)標準。結果也證明，預涂層動態(tài)膜技術結合錯流工藝在水的深度處理、水回用和污泥濃縮方面有良好的應用前景。膜阻力分析實驗表明，膜的外部污染是造成膜通量衰減的主要原因，過濾二級出水時濾餅阻力R<,ef>在總阻力中所占比例最大，活性污泥過濾中濃差極化

7、阻力尺p在阻力中所占比例最大。從阻力分布的分析來看，錯流速度、污泥濃度對阻力的分布具有影響。無論在過濾二級出水還是活性污泥，錯流速度的影響都十分明顯。尤其在污泥過濾中，錯流速度越大，濃差極化阻力R<,p>在總阻力中的所占的比例也就越小，因為形成的濃差極化層越薄。在膜的清洗試驗中顯示，與微濾膜直接過濾相比，動態(tài)膜過濾能有效的防止膜介質(zhì)的內(nèi)部污染。通過化學清洗和污染物質(zhì)的分析，可知支撐體內(nèi)部造成污染的主要無機物質(zhì)為鈣、鎂化合物。單次化學浸洗

8、比較：堿洗>酸洗：浸洗順序比較：堿洗(0.2mg/LNaOH)lh+酸洗(0.1mg/LHEl)1h>酸洗(0.1mg/LHCl)1h+堿洗(0.2mg/L>NaOtH)1h。經(jīng)過反復清洗，涂膜過濾化學清洗后的膜管通量恢復穩(wěn)定在90﹪左右，而未涂膜的膜管只能恢復到原來的60﹪左右，說明涂膜有效的阻止了膜內(nèi)部的不可逆污染。由于動態(tài)膜的保護，陶瓷支撐體經(jīng)物理清洗(水力閃沖+反壓沖洗)，能恢復至原始通量的45～55﹪，而且污染在支撐體內(nèi)部積累

9、的現(xiàn)象也不明顯。 動態(tài)膜技術與錯流式膜一生物反應器結合的技術被首次提出。為驗證動態(tài)膜在膜生物反應器內(nèi)的可行性，采用A/O工藝的CMBR處理高含氮量的模擬己內(nèi)酰胺廢水進行了230d的實驗。實驗過程中測定反應器的膜出水的水質(zhì)和通量，并進行了耗氧呼吸速率測定和反應器上清液的水質(zhì)測定。反應器啟動后，對污泥的濃度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，MLSS和MINSS的濃度具有突然下降的趨勢。耗氧呼吸速率(OUR)和比耗氧呼吸速率(SOUR)值的變化來看，污泥的

10、活性也有先下降后回升的趨勢。OUR從6.84 mgO<,2>/L/h降到3.96mgO<,2>/L/h，在第12d時為8.44 mgO<,2>/L/h。水質(zhì)結果表明，上清液COD<,cr>-直保持在100mg/L。以下，而膜出水則保持在20mg/L以下，而膜的截留作用對氨氮、總氮的去除幾乎沒有貢獻?？扇苄约毎a(chǎn)物(SMP)在反應器內(nèi)容易積累，只要足夠停留的時間大部分SMP能被生物降解。污泥的表觀產(chǎn)率為0.24gMLSS·gCOD<'-1

11、>。通過投加抑制劑測定耗氧呼吸速率，發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)菌、硝化細菌和亞硝化細菌的活性受到一定的抑制，對系統(tǒng)的處理效率影響不大。反應器的上清液中的TOC濃度先增加后不斷減小，在35<'th>d左右達到一個峰值-60mg/L，然后趨于穩(wěn)定的過程。膜出水的TOC值則一直維持在較平穩(wěn)的水平。在最后50天的運行中系統(tǒng)投加活性炭粉末(PAC)，污泥SOUR仍一直保持在1.2mgO2/gMLVSS<'-1>/h左右。污泥粒徑的因為PAC的吸附凝聚作用，從13.

12、5μm上升至35μm?？赡苡捎谖勰嗔降脑龃笥绊懥搜醯膫鬟f效率，使總氮的去除率有所下降，但總的來說，PAC的投加對系統(tǒng)處理效果的影響不大。通量的測定表明，在膜通量達到假擬穩(wěn)定狀態(tài)之后，通量仍持續(xù)衰減，但衰減速率逐漸緩慢。操作參數(shù)和對通量衰減速率很有影響，壓力在0.2MP時，通量衰減到20L/m<'-2>/h只維持了89h，而0.05MP能維持278h。錯流速度越大，通量衰減的速度也就越慢，在0.5、1.0、1.5m/s的三種流速下，分別

13、為85h，136h，232h。在污泥濃度越高的情況下，通量衰減越快，濃差極化層的阻力在總阻力中的比例也越高。在相同操作條件下，動態(tài)膜過濾，在出水水質(zhì)和通量衰減方面，要明顯優(yōu)于直接過濾。PAC的投加明顯有利于出水通量的提高，而且隨著PAC投加量的增加，通量大小和衰減速率都更加理想，PAC使污泥的比阻明顯減小。在CMBR長期運行中，預涂層動態(tài)膜利用水力反清洗，清洗效果比較理想。根據(jù)理論計算和實驗，100h的反沖洗周期被認為最理想的反沖洗周期