错流过滤活性污泥过程中膜污染的研究

王 勇，刘 鹰，宋永辉，沈加正，华耀祖

(1.南京大学 污染控制与资源化国家重点实验室，江苏 南京 210046;2.中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071)

错流过滤活性污泥过程中膜污染的研究

王 勇1，刘 鹰2，宋永辉1，沈加正2，华耀祖1

(1.南京大学 污染控制与资源化国家重点实验室，江苏 南京 210046;2.中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071)

采用通量阶式递增法对自制未改性滤膜用于膜生物反应器时的临界通量进行了测定。实验结果表明该膜生物反应器的临界通量为23.8 L/(m2·h)。在低于临界通量的条件下，对膜过滤活性污泥的污染行为进行了研究，通过模型计算，得出膜通量的衰减同时符合膜阻力模型、孔堵塞阻力模型和滤饼层阻力模型。对运行后过滤阻力分布进行分析，结果表明滤饼层阻力和孔堵塞阻力是过滤阻力的主要组成部分，分别占到过滤阻力的36.64%和61.96%，而膜阻力仅占1.40%。

膜生物反应器;临界通量;错流过滤;膜污染;模型;活性污泥;废水处理

膜污染是压力驱动型膜工艺处理效果的主要影响因素之一。膜污染发生时会引起膜过滤阻力的上升，在恒压下过滤操作时会导致膜通量下降，在恒通量过滤时会导致跨膜压差(TMP)的增长。在膜表面会发生不同机制的污染，如大分子吸附、孔堵塞、滤饼层堆积。由于活性污泥由大量的微生物和可溶性胶体物质构成，悬浮固体浓度和胞外聚合物浓度会随着操作条件的变化而改变。

膜污染分为由滤饼引起的可去除污染、因孔堵塞造成的不可去除污染和不可逆污染［1］。污染颗粒物的尺寸小于膜孔径，则可能引起孔堵塞;大于膜孔径，可能附着到膜表面形成滤饼层。此外，一些顽固性的溶解性溶质嵌入到膜骨架上则可能形成不可逆污染。影响膜污染的因素主要有膜材质、操作条件和混合液的性质［2］。Li等［3］和 Wang等［4］认为，操作通量是影响膜污染的最主要因素。

Moshe等［5］将膜污染的机制归为内部污染和外部污染。内部污染指由于可利用的膜孔面积减少或者开放孔的数量减少导致膜通量下降;外部污染则指由于胶体性物质附着在膜表面形成滤饼层，增大了水力阻力，导致膜通量下降。Xu等［6］报道，在微滤和超滤中，废水中的可溶性溶质吸附、聚集到膜上，导致膜污染。

本工作通过理论模型的计算进行定量分析，采用通量阶式递增法测定自制聚醚砜平板膜的临界通量，研究通量衰减规律，进而确定膜污染的类型。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚醚砜平板膜:采用相转化法自制，表面未改性，编号091015C，孔径0.3μm，有效过滤面积0.025 2 m2。实验用模拟废水(质量浓度，mg/L):葡萄糖522.5，(NH4)2SO4188.5，Na2CO3207.5，KH2PO435.0，蛋白胨100.0，豆奶粉50.0。实验用活性污泥取自南京某污水处理厂的曝气池，MLSS为6 000～12 000 mg/L。

1.2 实验装置及方法

实验装置为浸没式膜生物反应器，有效容积14 L，膜组件为平板膜组件，下设曝气管，提供气体冲刷膜面的动力和微生物所需要的氧气。模拟废水经平板膜错流过滤后由蠕动泵负压抽吸后出水。每15 min增加蠕动泵转速1 r/min。通过逐步增加蠕动泵的转速，逐渐增大TMP。每间隔一定时间，测量出水体积，计算膜通量。当TMP超过50 kPa时，膜污染严重，终止实验对膜进行清洗。

2 结果与讨论

2.1 膜通量与TMP的关系

膜通量与TMP的关系见图1。

图1 膜通量与TMP的关系

由图1可见:当膜通量低于16.5 L/(m2·h)时，TMP稳定在较低的值，小于2 kPa;当控制膜通量低于23.8 L/(m2·h)时，TMP仍较低，变化不大;当膜通量由23.8 L/(m2·h)升至30.7 L/ (m2·h)时，TMP急速上升;继续提高蠕动泵转速，TMP继续增大，膜通量不仅没有增加，反而下降。此时膜污染已较为严重，系统不宜继续运行，应当采取措施减缓污染。实际运行中采取反冲洗、空曝气、离线化学清洗等措施可减缓膜污染。由此可见，聚醚砜平板膜的临界通量为23.8 L/(m2·h)。在低于此临界通量下运行时，膜通量与TMP正相关;在超过临界通量运行时，膜通量并不与TMP正相关。

2.2 过滤阻力的计算

该浸没式膜生物反应器的运行过程符合压力驱动模型，可根据达西公式计算过滤阻力(R，m－1)，见式(1)。

式中:J为膜通量，L/(m2·h);ΔP为TMP，kPa;μ为水黏度系数，Pa·s。

过滤阻力随运行时间的变化见图2。由图2可见，随运行时间的延长，过滤阻力逐渐增加。膜过滤的机制是筛滤作用，即小于膜孔径的能通过，大于膜孔径的被截留。一些小分子物质进入膜孔后吸附在膜孔内或嵌入膜骨架，造成孔堵塞或孔径变小，增大了过滤阻力。此外，反应器内的活性污泥在蠕动泵负压抽吸作用下也会吸附到膜表面形成滤饼层，并且由于微生物的新陈代谢活动分泌的一些多糖类物质、蛋白质等使得污泥具有一定的胶黏性，加剧了膜污染。

图2 过滤阻力随运行时间的变化

目前，关于膜的污染机制主要有孔堵塞、浓差极化形成的滤饼层污染、生物污染导致的凝胶层污染。过滤阻力可表示为膜阻力、孔堵塞阻力与滤饼层阻力的和。膜阻力为膜投入运行前在清水中测得，16℃时清水的黏度系数为1.15×10－3Pa·s;孔堵塞阻力为运行过程中达到临界通量时的过滤阻力减去膜本身的阻力;滤饼层阻力为污染严重时的过滤阻力减去临界通量时的过滤阻力。由此计算得到的过滤阻力分布见图3。由图3可见，孔堵塞阻力、滤饼层阻力分别占过滤阻力的61.96%和36.64%，而膜阻力只占1.40%。由此可见，该膜的污染机制以孔堵塞为主。

图3 过滤阻力分布

2.3 模型计算

根据W iesner等［7］的研究表明，在不同膜污染机制中，膜通量分别满足以下线性关系，见式(2)～式(4)。

式中:J0为初始膜通量，L/(m2·h);t为运行时间，min;km为膜阻力模型参数，m2/L;kp为孔堵塞阻力模型参数，min－1;kc为滤饼层阻力模型参数，m4·h/L2。

在初始膜通量为16.9 L/(m2·h)的条件下，根据膜阻力模型、孔堵塞阻力模型、滤饼层阻力模型拟合的曲线分别见图4、图5和图6。由图4、图5和图6可见:聚醚砜平板膜的通量衰减基本符合上述3个模型。在图4中，膜阻力模型符合整个过程，km为1.11×10－4m2/L。在图5中，孔堵塞阻力模型符合整个过程，随着越来越多的小分子物质进入膜孔，膜通量逐渐衰减，kp为1.59×10－3min－1。随着附着到膜表面的微生物越来越多，表面开始形成生物饼层，饼层内的微生物分泌的大量胞外物质形成凝胶层。胞外物质的主要成分是多糖、蛋白质，还有少量的腐殖酸、脲酸和核酸等，胶黏性大［8］。以凝胶层为核心，饼层逐渐扩大、增厚、密实。在图6中，滤饼层阻力模型符合整个过程，在运行时间内，膜表面的滤饼层处于形成阶段，kc为1.56×10－5m4·h/L2。

图4 膜阻力模型拟合曲线

图5 孔堵塞阻力模型拟合曲线

图6 滤饼层阻力模型拟合曲线

综上所述，在运行过程中的膜污染是由以上几种膜污染机制共同作用的结果，孔堵塞污染和滤饼层污染同时发生。针对不同污染机制造成的膜污染可以分别采取不同的清洗方法恢复通量。对于孔堵塞引起的膜污染可用化学试剂进行离线清洗;对于滤饼层污染则可采用在线反冲洗或者空曝气的方法恢复通量。

3 结论

a)对自制聚醚砜平板膜生物反应器的临界通量进行了研究。该膜的临界通量为23.8 L/(m2·h)，在低于此临界通量下运行时，膜通量与TMP正相关;高于临界通量运行时，膜通量并不与TMP正相关。

b)对运行后的过滤阻力分布进行计算，孔堵塞阻力、滤饼层阻力分别占过滤阻力的61.96%和36.64%，而膜阻力只占1.40%。

c)对自制平板膜生物反应器次临界通量条件运行的通量衰减规律进行研究，通量衰减同时符合膜阻力模型、孔堵塞阻力模型和滤饼层阻力模型;表明孔堵塞污染和滤饼层污染是同时发生的。

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Research on Membrane Fouling in Cross-flow Filtration of Activated Sludge

Wang Yong1，Liu Ying2，Song Yonghui1，Shen Jiazheng2，Hua Yaozu1

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Nanjing University，Nanjing Jiangsu 210046，China; 2.Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao Shandong 266071，China)

The critical flux of the membrane bioreactor with self-made filtration membrane was determined by stepw ise increasing flux method.The experimental results show that the critical flux of themembrane bioreactor is23.8 L/(m2·h).Themembrane fouling behavior in filtration of activated sludge was studied under the condition of subcritical flux.The results of model calculation show that the decrease ofmembrane flux accordswithmembrane resistance lim itmodel，pore blocking resistance model and cake resistancemodel simultaneously.The analysis on filtration resistance distribution of the running membrane shows that the resistances caused by cake-forming and pore-blocking are the main parts of filtration resistance，which are 36.64%and 61.96%of the total resistance respectively，the resistance caused by membrane only accounts for 1.40%.

membrane bioreactor;critical flux;cross-flow filtration;membrane fouling;model; activated sludge;wastewater treatment

X703

A

1006－1878(2011)05－0393－04

2011－02－20;

2011－05－10。

王勇(1970—)，男，福建省邵武市人，硕士，讲师，从事膜材料和膜生物反应器研究。电话 025－89680583，电邮wangyong@nju.edu.cn。

江苏省环保科研计划项目(201011);中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(201112)。

(编辑 王 馨)