膜生物反应器膜污染行为的识别与表征

发布时间：2020-08-14 10:36

【摘要】： 膜生物反应器(MBR)是将膜分离技术和生物反应器结合而成的一个新型污水处理工艺。它把膜分离过程与生物降解结合起来，以膜分离装置取代普通生物反应器中的二沉池，从而取得高效的固液分离效果。MBR作为一种新型高效的水处理技术，日益受到各国的水处理技术研究者的关注。然而，膜污染是当前限制MBR广泛应用的主要瓶颈，其导致膜通量下降，增加膜组件更换和清洗的频率，从而增加MBR的运行费用。因此，有必要研究膜污染机理，这对于膜污染的有效控制以及MBR的推广应用具有重要意义。本研究采用一体式中空纤维膜生物反应器，对MBR技术中膜污染的关键问题进行了深入研究。主要考察了活性污泥性质和反应器操作条件对膜污染的影响机理，同时，借助分形理论和图像分析仪研究了膜污染的微观机理。本研究包括： (1)采用统计分析方法研究了16种不同性质活性污泥混合液对MBR膜污染的影响机理。结果表明：污泥浓度与膜污染阻力呈指数增加关系；污泥粒径(PSD)、胞外聚合物(EPS)、溶解性有机物(SMP)、上清液胶体颗粒(SS_s)、污泥混合液粘度(μ)、相对疏水性(RH)、Zeta电位均对MBR膜渗透性能有显著的影响作用，其与膜污染阻力的皮尔逊相关系数r_p分别为：-0.730、0.898、0.757、0.810、0.691、0.837、-0.881；同时发现，胞外聚合物是影响活性污泥中溶解性有机物含量(r_p=0.725)、污泥粘度大小(r_p=0.633)、上清液胶体颗粒含量(r_p=0.783)、Zeta电位(r_p=-0.953)及相对疏水性大小(r_p=0.877)的主要因素；在活性污泥性质中污泥浓度、胞外聚合物、污泥粒径是影响膜污染的根本原因，是膜生物反应器膜污染的重要影响因素。经过多元回归，得到了用于预测污泥浓度、污泥粒径及胞外聚合物对膜污染阻力影响的数学模型。该预测模型为： R_f=2.250e~(MLSS~*9×10~(-5))+0.111EPS-1.99×10~(-2)PSD-3.201 (2)采用短期过滤方式考察了丝状菌浓度或丝状菌生长指数对膜污染的影响机理。本部分研究主要从活性污泥性质和污泥絮体形态学的角度对丝状菌的膜污染机理进行了解释。研究表明：缺少丝状菌的污泥混合液会导致严重的膜孔堵塞污染，而丝状菌的过度繁殖会导致形成厚大、密实的滤饼层；丝状菌的过量繁殖会使得胞外聚合物和相对疏水性增大，污泥絮体Zeta电位下降，从而恶化膜过滤过程；另外，丝状菌的过度繁殖会导致污泥絮体周界分形维数和三维纵横比增大、污泥絮体圆度减小，说明丝状菌的过度繁殖使得污泥絮体变得不规则、松散，而不规则的污泥絮体会沉积并缠绕在膜丝表面，起到固定膜表面污染物的作用；因此，在MBR运行过程中，应采取适当措施控制丝状菌的生长情况以减缓膜污染。 (3)采用3个平行运行反应器，系统研究了不同反应器负荷(OLR=0.7-0.8 kgCOD／m~3d，OLR=1.1-1.4 kgCOD／m~3d，OLR=1.7-2.1 kgCOD／m~3d)对膜污染的影响机理。考察了OLR对膜过滤性能、膜污染、污泥性质(污泥活性SOUR、丝状菌浓度、胞外聚合物、污泥粒径、污泥浓度、污泥粘度)的影响，并分析了反应器内污泥混合液的水力学特性。研究发现：随着OLR的增大，反应器COD去除率仅有轻微下降，但污泥活性和污泥混合液溶解氧明显减小；在OLR=1.1-1.4 kgCOD／m~3d和OLR=1.7-2.1 kgCOD／m~3d的反应器内，发生严重的丝状菌过度繁殖，并导致胞外聚合物和污泥粘度迅速增大，进而加剧膜污染；高的反应器负荷会导致污泥浓度MLSS显著增大；最后，研究发现污泥粘度是决定反应器水力学特性的重要原因，当污泥粘度小于2.0 mPa s时，污泥粘度对反应器气液上升流速基本没有影响，而当污泥粘度大于2.0 mPa s时，气液上升流速急剧下降，其不能有效吹脱膜表面污染物；同时，随着污泥粘度的增大，反应器内污泥混合液的雷诺数迅速下降。 (4)从活性污泥性质变化和滤饼层形成两个角度，研究了3个不同曝气强度(150 L／h，400 L／h，800 L／h)对膜污染的影响。研究结果表明：过大或过小的曝气均不利于膜污染的减缓，过小的曝气强度不能有效去除膜表面污染物，而过大的曝气强度会导致污泥絮体破坏，产生大量的胶体粒子和大分子有机物，使得膜通量下降；在大的曝气强度下，胶体粒子和溶解性有机物在膜表面及膜孔的沉积吸附是产生膜污染的根本原因；曝气强度为400 L／h时，在膜面形成了自生动态膜，其起到截留或降解小颗粒物和溶解性有机物、减缓膜污染的作用。 (5)考察了不同MBR工艺中污泥混合液的膜过滤性能，并对比研究了污泥混合液的性质。借助共聚焦激光扫描电镜(CLSM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、X射线荧光光谱仪(XRF)等技术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机制。研究发现：A~2／O-MBR中活性污泥的膜污染行为最严重，A／O-MBR和传统MBR(CMBR)的膜污染行为次之，序批式MBR(SMBR)的膜污染最轻；发现丝状菌过度繁殖、结合态EPS、溶解性EPS、芳香性化合物(以SUV_(254)表征)等是影响膜污染的重要因素；污泥絮体、多糖和蛋白质在膜表面大量沉积，导致MBR生物污染和有机污染。Ca、Mg、Al、Si、Fe等元素的沉积是造成膜无机污染的主要原因；在膜污染过程中，无机盐的沉淀物、胞外聚合物、微生物等相互结合，沉积并吸附在膜表面，形成粘附性极强、限制膜通量的滤饼层。 (6)在膜生物反应器中，活性污泥在膜表面沉积形成滤饼层是造成膜污染的主要因素。采用扫描电镜和自动图像分析技术研究了膜过滤滤饼层的微观结构，并以分形理论和Darcy定律为基础，推导出用于预测膜污染滤饼层渗透性能的数学模型，验证了该渗透模型的可靠性，并利用该渗透模型进行了膜生物反应器中污泥浓度对滤饼层渗透性能影响的研究。结果表明：活性污泥颗粒沉积形成的柔性滤饼层具有明显的多孔结构，并且具有很好的分形特征；膜污染滤饼层的分形维数能够真实反映滤饼层的孔隙率大小；用该渗透模型得到的渗透系数K’可以预测滤饼层渗透性能；滤饼层渗透系数K随污泥浓度的增大而递减，污泥浓度低于10000 mg／L时，K’的变化趋势较小，污泥浓度达到10000mg／L以上时，K’急剧下降；污泥粒径和胞外聚合物是影响滤饼层渗透性能的重要因素，小粒径的污泥颗粒或胞外聚合物容易在滤饼孔隙内沉积，导致滤饼比阻增大，因此，污泥粒径减小或胞外聚合物浓度增大均会使得滤饼层渗透性能严重下降。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X703
【图文】：

生物反应器,一体式膜生物反应器,分离膜,膜生物反应器

Fig.1.1DiagramofbiomassseParationmembranebioreactor:(a)extemalmembranebioreactor，(b) submergedmembranebioreactor根据膜组件与生物反应器的组合方式，可将MBR分为分置式和一体式(图1.1)。分置式是指膜组件与生物反应器分开设置，膜的压力驱动依靠加压泵;一体式是将膜组件置入反应器内，压力驱动靠水头压差，或用真空泵抽吸。为减少膜面污染，延长运行周期，一

应用情况,膜生物反应器,技术,公司

图1.2膜生物反应器技术在欧洲的应用情况[8]Fig.1.2G即hshowingtne红。叭hoftheMBRm毗etinEuropels]进入MBR90年代中后期，膜组件的公司有:MBR在国外己进入了实际应用阶段[9]。加拿大Zenon公司、日本Kubota公司国际上知名的生、日本Qrelis和

内径,项目参数,制造厂商,格结构

Fig.2.1Seanrnngeleetronmierographsofthemembrane本实验采用己被广泛的聚乙烯中空纤维膜。由日本三菱公司制造，膜孔径0.1产m，膜丝内径270娜，过滤面积0.lm“(具体参数见表2.1)。图2.1是膜表面和膜截面的电镜照片，可以看出膜结构为类似于海绵状的开放网格结构，孔隙率高，比表面积大。反应器进水为模拟生活污水(见表2.2)。表2.1实验用膜组件的参数 Table2.1SPeeifieationsofthehollowfibermembranes项目参数说明制造厂商膜材料膜孔径切m)膜丝外径(~)膜丝内径(~)膜丝长度(~)膜面积(m，)固有阻力(m一‘)日本三菱公司聚乙烯 0.1 0.370 0.270160 0.1 1.05x1011

【引证文献】