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變Ｊｌ＾东乂《ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５、ｉｉ工程硕±学位论文内口■，口９ＷＩ，【ｄｌ】Ｋ￥５１９ａ护１圓１１】。国领域：环境工程作者姓备周楠楠指导教师；删平何凤华：ｍ企业导师＇、Ｉ■．．．’Ｉ．：．．？、；寺１：－＃天津大学硏究生院；麟２０１５年５月－＇冷货彩按；－，：巧午－？穿巧 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加标淫和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育化构的学化或证书而使用过的材料一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作。与我＇了明确的说明并表示了谢意。？■＾学位论文作者签名；签字日期：心／年各月立７日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。Ｉ恃授权天津大学可Ｕ将学化论义的今部或部分内容编入有关数据库巧行怜秦，并采巧影印■、缩印或扫描等复制手段保存、汇编ｙ供查阅和借巧。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）：：学位论文作者签名导师签名／桶讀锦巧＾＜＾：年：签字日期月日签宇日期年月ｉ日＞１ｉ：５５］ 摇动载体对膜生物反应器膜污染影响研究StudyontheInfluenceofAcryl-fiber-biofringeonMembraneFoulinginaSubmergedMembraneBioreactoer领域：环境工程研究生：周楠楠指导教师：邢国平企业导师：何凤华天津大学环境科学与工程学院2015年5月 摘要膜污染是限制膜生物反应器（MBR）在城市污水回用领域推广应用的主要问题。本论文的主要目的是通过改变膜生物反应器中混合液的性能来减缓膜污染，解决膜寿命短的问题。具体办法是在膜生物反应器中投加摇动载体，与常规MBR进行比较，考察投加摇动载体对膜污染状况和混合液性质的影响。为保证试验结果不受膜性能差异的影响，使用天津膜天和永新立升生产的两种PVDF膜，用来进行对比试验。通过清水通量试验、临界通量试验和两周的试2运行确定了实验的运行条件。膜天膜通量为21L/(m·h)；立升膜运行通量为23212L/(m·h)；污泥浓度保持在12g/L左右；曝气强度为109m/(m·h)；污泥停留时间SRT为6-12d；水力停留时间HRT为6h。长期运行试验比较了放入摇动载体前后两种膜的跨膜压差(TMP)的变化。在放入摇动载体之后，膜天膜的跨膜压差从30.39kPa下降到25.85kPa，下降了13%，立升膜的跨膜压差从49.16kPa下降到46.81kPa，下降了5%。这表明，在放入载体后，膜的污染状况有所缓解。考查了放入载体前后料液过滤性能的变化。试验结果表明，放入摇动载体之后，污泥过滤阻力的上升斜率（KR）值平均值从4.47下降到3.27，料液的过滤性提高了27%。这表示在放入载体之后，混合液的过滤性能有所改善，从而使得膜污染的发生和发展更加缓慢。总有机碳（TOC）与胶体有机物（COC）值在总体上有所下降。TOC在加入载体后从67.44mg/L下降到47.70mg/L，下降了29%；COC从29.76mg/L下降到19.50mg/L，下降了34%。由于TOC与COC是膜污染的重要原因，所以改变TOC与COC可能是摇动载体对于膜污染控制作用的原理之一。污泥颗粒的粒径逐渐提高，放入载体之后污泥体积平均径由36.21mm提高到42.32mm。污泥的粒径增大，使得易致污颗粒的含量降低，起到了减缓膜污染的作用。污泥表面的Zeta电位值从-6.07mV到-19.19mV之间不等，但是Zeta电位值随时间的延长没有明显的规律。可见投加摇动载体对于混合液Zeta电位的影响不大。由试验结果证明，摇动载体可以改良过滤料液的性质，从而减缓膜表面的污染。而与传统的MBR工艺相比，投加摇动载体并不增加能耗，所以这一技术具有向工程实际推广的价值。关键词：膜生物反应器；膜污染；摇动载体；临界通量；曝气 AbstractThemembranefoulingisthemainproblemofMembraneBioreactoerinsewagetreatmentfield.Inthisthesis,novelacryl-fiber-biofringewasfixedintheMBRtochangethemixture,andtheimpactonmembranefoulingandthemixturewasinspected.Tosomeextent,itcouldconquerthemembranefoulingandsolvetheproblemsofshortlifeofmembrane.TwokindsofPVDFmembranethatproducedinTianjinmotianandYongxinlishengwereusedforacomparisonexperimenttoensurethefareness.Theoperatingconditionwassettledthroughthewaterfluxtest,criticalfluxtestand2weeks’pilotrun:thefluxofMotianmembraneandLishengmembranewas22individually21L/(m·h)and12L/(m·h).SSstayedaround12g/L,aerationintensity32was109m/(m·h),SRTwas6-12d,HRTwas6h.Thelong-runningtrialcomparedthechangesofTMPbeforeandafterthenovelacryl-fiber-biofringewasfixedintotheMBR.Afteritwasfixed,theTMPofMotianmembranechangedfrom30.39kPato25.85kPa,adecreaseof13%.ThefigureofLishengmembrangwas49.16kPato46.81kPa,adecreaseof5%.Itshowedtheslowupofmembranefouling.Thethesisalsofocusedonthechangingoftheliquidfiltration.Theresultsshowedthatafterthenovelacryl-fiber-biofringewasfixedin,theaverageofKRchangedfrom4.47to3.27,andthefiltrationofliquidincreased27%.Itmeanttheacryl-fiber-biofringecouldimprovethefiltrationandslowdownthetheoccurrenceanddevelopmentofmembranepollution.Ingeneral,TOCandCOCdecreased.Whentheacryl-fiber-biofrinwasfixed,TOCchangedfrom67.44mg/Lto47.70mg/L,adecreaseof29%,COCchangedfrom29.76mg/Lto19.50mg/L,adecreaseof34%.Itshowsthatthenovelacryl-fiber-biofringecancontrolmembranefouling.Afteritwasfixed,thesludgeparticlessizeincreasedgradually,D(4.3)changedfrom36.21mmto42.32mm.Itmakedtheleveloftheparticlethatcouldeasilycausepollutionlower,thusplayedaroleinslowingfouling.TheZetapotentialvalueonthesurfaceofsludgedifferentedfrom-6.07mVto-19.19mV,butastheextensionoftime,therewasnoclearlawsamongZetapotentialvalue.Soitcanbeconcludedthatthefixingofthenovelacryl-fiber-biofringehadlittleimpactontheZetapotentialvalueofthemixture.Theresultsshowedthatthenovelacryl-fiber-biofringecouldimprovethefiltrationofthemixture,thusslowedupmembranefouling.Moreover,therewasnoextraenergycomsumpsion,sothistechnologyhadthepotentialofpracticaluse.Keywords:MBR；membranefouling；acryl-fiber-biofringe；criticalflux；aeration 目录第一章概述.......................................................11.1膜生物反应器的构成及分类....................................11.2膜生物反应器发展现状........................................31.2.1国外研究发展概况......................................31.2.2国内研究发展概况......................................61.3膜生物反应器的特点..........................................71.4膜生物反应器中的膜污染问题..................................81.4.1膜污染概念............................................91.4.2膜污染的种类..........................................91.4.3膜污染的数学表达.....................................101.4.4膜污染的影响因素.....................................131.4.5膜的清洗.............................................181.5膜生物反应中的载体.........................................191.6小结.......................................................20第二章研究内容与研究方法..........................................222.1技术路线...................................................222.2一体式膜生物反应器的设计与构建.............................222.2.1试验室现有设备.......................................222.2.2试验装置的改进.......................................242.2.3试验用膜.............................................26第三章膜生物反应器清水通量试验....................................273.1测压系统...................................................273.2不同膜的纯膜阻力测试.......................................283.3小结.......................................................29第四章膜生物反应器临界通量试验....................................314.1不同工况对通量的影响.......................................324.1.1污泥浓度为3g/L时曝气条件对通量的影响................324.1.2污泥浓度为6g/L时曝气条件对通量的影响................344.1.3污泥浓度为9g/L时曝气条件对通量的影响................364.1.4污泥浓度为12g/L时曝气条件对通量的影响...............384.1.5污泥浓度为15g/L时曝气条件对通量的影响...............404.2不同工况对临界通量的影响...................................434.2.1曝气强度对临界通量的影响.............................431 4.2.2污泥浓度对临界通量的影响.............................444.3小结.......................................................45第五章长期运行影响因素研究........................................465.1长期运行中TMP的监测.......................................465.2混合液性质研究.............................................475.2.1上清液总有机物、胶体有机物、溶解性有机物浓度.........475.2.2过滤性...............................................495.2.3粒径分布.............................................535.2.4Zeta电位............................................545.2.5载体挂载生物量.......................................555.2.6其它常规监测数据.....................................575.3小结.......................................................59第六章结论与建议..................................................606.1结论.......................................................606.2建议.......................................................61参考文献...........................................................62致谢...........................................................672 第一章概述第一章概述近百年来，伴随着世界工业水平的巨大进步，以及人口数量的成倍增长，水资源已经日益短缺。而伴随着世界环境的恶化，水环境也同样日趋恶化，人类经济社会发展已经受到了极大的负面影响。由于世界经济的飞速发展导致水污染的日益加剧，人类将不得不面临水资源日益短缺的严重形势。据统计国务院办公厅2012年发布的《国务院办公厅关于加快发展海水淡化产业的意见》公布的数据，33截止到2012年中国人均淡水资源占有量仅为2100m，仅为世界人均水平7500m3的28%。而在中国北方大部分地区，城市人口的人均水资源占有量不足500m，不足世界人均水平的1/15。通过对松花江水系、辽河水系、海河水系、淮河水系、黄河水系、长江水系、珠江水系这全国七大水系进行断面监测，获得的数据显示低于三类水质的占到70.5%，其中劣五类水质竟高达四成以上，仅有不到三成可以进入自来水厂。由此可见，污水已占中国总供水量的大部分，对其进行处理使用，无可避免的成为我国水资源利用中最为关键的环节。面对如此严峻的形式，全世界的水处理行业工作者们开拓创新，研发出各种水处理工艺。其中膜生物反应器(MBR)技术作为一种新型高效的污水处理回用工艺特点非常鲜明，其具备系统出水水质好，整套设施相对于其他系统体积小，系统处理后剩余的污泥量相对少和整套系统控制方便易于实现自动化控制等优点，赢得了全社会乃至全世界广泛的关注和广大污水处理行业业内人士的广泛的认可。膜生物反应器工艺中取消了传统处理技术末端二沉池，改为利用高效分离膜组件进行过滤，并在系统内添加了生物处理单元，组合成了新型水处理技术。虽然该技术具备诸多优势，但MBR工艺也存在着运行成本高的缺点，其中膜污染是高运行成本重要因素，因此对于膜污染控制的研究是当前研究与应用的重点。1.1膜生物反应器的构成及分类膜生物反应器的分类一般按照其使用的膜不同和反应器在污水处理系统中系统中作用的不同进行分类，一般将膜生物反应器为以下几类：固液分离膜生物反应器(Solid-LiquidSeparationMBR)、无泡曝气膜生物反应器(MembraneAerationBioreactor)和萃取膜生物反应器(ExtractiveMembraneBioreactor)。固液分离膜生物反应器：固液分离膜生物反应器是一种新型的污水处理工艺，他将分离工程中的膜分离技术与生物处理技术相结合，实现了传统工艺所无法达到的高效处理。他是水处理行业中研究应用最广的一种膜生物反应器形式。按照反应器的结构不同，将膜生物反应器分为分置式、一体式两种。1 第一章概述分置式膜生物反应器：分置式膜生物反应器是最原始的膜生物反应器，是膜生物反应器的最初状态。其结构如图1-1(a)所示是简单的将膜组件和生物反应器两者串联链接起来，构成膜生物反应器系统。进水经生物反应器后，由循环泵送至膜组件，透过膜的部分称为系统出水，而未透过膜的浓缩液回流的生物反应器内。设备投入使用初期，分离式膜生物反应器的过滤体一般都平行于膜组件表面，这种方式的湍流对滤饼层厚起到了负作用。与此同时，为了减少膜的污染，保证膜的透水率一般需要提高水量，将膜表面的流速提高到大于等于2m/s，这既增加了水的浪费又增高了能源的浪费。更加严重的是，收到泵原理的限制，运转的泵内部一定会有高速部件，高速部件的高速运动必然会对相对脆弱微生物造成毁灭性的影响。虽然上述两点都是分置式膜生物反应器的明显缺点，但分置式膜生物反应器的优点同样明显且为人们所认同，其优点在于运行过程稳定可靠；膜易于清洗、拆卸、更换及改造；而且膜通量普遍便较大。一体式膜生物反应器：单从结构来说，将分置式膜生物反应器的膜组件安装到生物反应器内部，就可以称之为一体式膜生物反应器，当然实际上并不是简单讲两者合而一体这么简单。如图1-1(b)所示，污水进入生物反应器内后，在出水泵产生的负压作用下，将生物膜过滤的滤液排除，而未排除的活性污泥大部分被分解。根据定义，一体式膜生物反应器的膜组件安装在生物反应器内，这样的结构必然导致膜的清洁和更换工作较分置式膜生物反应器更为困难。而且生物反应器内物质较为混杂，将膜安装在反应器内部使得膜表面容易产生污染，导致其通过能力受到影响而降低。但一体式膜生物反应器的这连个缺点却也无法掩盖住这种技术的相对优势，既耗能相对分置式膜生物反应器较低，设备相对分置式膜生物反应器体积小，系统复杂程度相对分置式膜生物反应器低，耗能相对分置式膜生物反应器低。进水浓缩液进水出水膜出水组件曝气膜组件曝气出水泵生物反应器循环泵生物反应器（a）（b）图1-1膜生物反应器的结构特征(a)分置式膜生物反应器结构图(b)一体式膜生物反应器结构图2 第一章概述1.2膜生物反应器发展现状伴随着化学尤其是材料化学等相关学科的研究技术水平的突飞猛进，膜制造技术与上世纪中叶研究初期时相比，已经有了质的飞跃。而人类对膜生物反应器的研究和使用也跟着膜技术的发展，取得了长足的进步。膜生物反应器针对污水净化领域的应用，膜分离技术的基础课题及应用方向研究主要包括以下几项：（1）材料性能（形式、孔径和厚度等）及改变材料件性能对提升分离效果的影响。（2）外部操作条件（如温度、pH、含盐量或分离目标浓度）及改变外部条件对分离效果的影响，既外部操作条件及反应器结构优化设计（3）膜污染机理研究、污染过程的模型建立模拟及分析、膜污染的控制方法内容包括：膜受到污水中污染物成分（如有机物、胶体物质，无机物）污染过程的影响机理；污染成分对膜污染过程的作用分析；膜的污染过程的模拟；对膜的抗污性研究及利用研究成果进一步开发抗污性能更强膜；膜清洗药剂和清洗方法等。（4）膜过滤技术与其它污水处理技术的结合使用，对工艺及外部操作条件的最优化设计，以期拓宽其应用范围。（5）降低能耗，从而降低使用成本，其中最关键点是解决膜的污染和堵塞问题。1.2.1国外研究发展概况一般认为，膜生物反应器技术最初的产生是为了应用于酶制剂工业而设计[1]的。美国Smith1969年首次将膜生物反应器应用于污水处理行业，他设计了整套采用活性污泥法和超滤法处理城市污水的组合方法，一经公开便引起当时社会[2]的广泛关注。次年，Hardt等利用人工废水超滤膜和氧反应处理死端过滤相结合，污水膜生物反应器处理后污泥浓度大幅度的提升，并将COD的去除率提高到传统的活性污泥法无法企及的98%，震动了整个污水处理界。伴随着相关理论技术的进步特别是膜技术的进步，自20世纪70年代末，膜生物反应器逐渐脱离实验环境，开始进入了实际应用阶段。日本，作为全世界的化工技术尤其是有机化学技术的领先者，具备雄厚的技术资源储备，使得其能够[3]在膜生物反应器领域的研究紧跟世界最现今的技术水平快速发展。此阶段为MBR技术的第一代，这一代膜生物反应器属于分体式。当时，第一代分体式膜生物反应器被广泛应用于交叉流膜组件。经过十余年的技术发展，到第二十世纪到80年代后期，zenon公司继承了多尔奥利弗(Dorr-Olive)公司的前期的研究成果，并在其基础上继攻关，使得MBR技术得到了进一步的深化和发展，设计开发出整套的工业废水处理系统，在市场上收到了广泛的欢迎和认可。进入90年3 第一章概述代后，膜生物反应器不仅应用于污水和城市污水处理，处理工业废水的对象也逐渐扩大到石油化工废水，垃圾渗滤液等。以一体式膜生物反应器的出现作为标志，MBR的研究正式进入第二代。进入20世纪90年代后，膜生物反应器的应用范围逐渐扩大，已经进入了废水的脱氮除磷工艺的研究，Hideki与Hidenori各自分别成功完成了了膜生物反应器的高效氨氮硝化与工业废水去除磷酸盐的实验研究。与此同时，法国人Chang[4]J等将用MBR应用范围拓展到给水脱氮处理，经实验测得数据表明，出水的氮浓度被很好地控制在0.1-20mg/L，脱氮效果十分显著。90年代中叶，UrabrainV[5]设计了MBR的处理饮用水系统并展开实验，完成了中试，实验数据显示出水质量很好，证明MBR在去除饮用水中微量的氮、有机物与杀虫剂等物质方面能够达到极佳的效果。自上世纪末至今，伴随着全球化进程的推进以及工业化全球化的发展以及所带来的世界范围内的水资源破坏，全世界范均面临水资源短缺与经济发展间矛盾的日益加剧，推动了对于MBR工艺作为水处理行业的新兴技术的需求，使其研究与应用备受世界瞩目。相关研究工作紧锣密鼓的进行，尤其是对制约MBR推广与应用的瓶颈问题——膜污染的发生机理和防治措施成为世界各方研究的焦点和重心。研究人员通过当时现有的研究手段直接观测并记录相关工艺数据，建立有关膜污染的数学模型等，通过对模型的研究发现了许多膜污染的防治措施如膜材料改性、膜组件结构优化、混合液特性调控、次临界通量运行、充气技术以及膜污染清洗等，并逐步得到研究和应用。自20世纪90年代中后期开始，分离膜生物反应器(Solid-liquidSeparationMBR)被广泛的规模化应用于污水处理行业，与此同时伴随着实践数据的累计有关膜生物反应器的理论研究也被推动进一步的深化。在多年的研究中，研究人员们通过总结分离膜生物反应器在污水领域应用所回传的海量数据并加以分析，在以膜污染机理及高效低耗控制措施、膜生物反应器实际工艺流程模型及其工艺动力过程的研究与反应器内生物相特征研究等诸多重点方向上进行理论结合实践经验的研究，设计并建立了多套理论模型用以描述MBR系统的原理及作用过程。[6][7]Lu、Nagaoka在膜生物反应器的理论研究方向上基于维持系数概念，建立了膜生物反应器的动力学模型，分别建立了包含胞外聚合物(ExtracellularPolymers，简称EPS)和溶解性微生物代谢产物(SolubleMicrobialProducts，简称[8]SMP)这两者的成形与分解的动力学数学模型。RWitzig经多年的研究，并利用了FISH技术观察到一体式膜生物反应器中微生物的相特性，提出了活性污泥处[9,10]于维持状态能够达到污泥零排放的设想。BoranZhang等在实验数据的基础上，对不同类型不同外部条件的膜生物反应器系统中的污泥的各种特性进行详细的比较分析。4 第一章概述MBR工艺投入污水处理使用几十年来，积累了无数实践经验和数据，很多研究者在这些经验和数据的基础上对膜污染的影响因素（膜组件性质、混合液性质以及操作条件）作了大量分析和研究，归纳出了多种降低污染的控制模式，如了恒通量操作模式等诸多有效措施，这些措施大部分都是通过提高膜面流速措施或在线清洗技术，达到降低膜污染速度的效果，实现了降低了膜生物反应器使用围护成本，对于促进膜生物反应器的技术发展和推广应用有着重要意义。[11]YasutoshiShimizu等通过对比试验实验，比较分析了一体式膜生物反应器[12]中不同形式膜组件的过滤特性的共性和区别；CWisniewski等通过实验数据，系统性的分析研究了分置式好氧陶瓷膜生物反应器的膜受污染影响的相关因素[13]及对应对膜污染的控制措施；KHChoo等通过对厌氧膜生物反应器使用数据[14]的总结，对其污染特性进行了深入的研究和分析；TatsukiUeda等通过对一体式好氧膜生物反应器的实验研究，利用实验数据详细的研究分析了膜过滤特性及膜污染控制措施，并加以总结。2002年，AlperNuhoglua等用MBR对饮用水进行脱氮的试验，采集到的实验数据证明使用MBR进行处理可使NH3-N未去除率降低至到1.5%。同一年，ChettiyappanVisanayhafl等为改善反渗透法用于脱盐海水中的维护情况，改进了RO系统的工作情况，收到了较好的效果。2003年一体式膜生物反应器技术被HideakNoma等引进到菲律宾，并于菲律宾一旅游胜地海岛的进行了废水处理的实践。在北美，生活污水处理膜生物反应器已经得到了普遍的应用，其一般规模普3遍为10-200m/d，且分置式管式膜组件居多。MBR已经广泛应用于当地城市污水处理系统对现有污水厂进行升级改造，一般均选用浸没式组件以期提高整套系统的处理能力并同时增加除磷脱氮等功能。而MBR应用在工业废水处理集中，集中用于难以处理的小规模废水，如含油废水等，一般项目的处理规模多在31000m/d以下。卡罗莱纳州的Arapahoe县污水厂扩建工程为其中比较大的项目3之一，该工程采用ZenonGemMBR工艺，工程设计日处理规模达到3800m/d，该工程于1998年建投入使用至今已有服役近20年；新泽西州于2000年底投入3运行的某采用MBR进行渗滤液处理的垃圾填埋场，设计处理能力达到1500m/d。在欧洲，膜生物反应器也已经在生活污水和工业污水处理方向上得到广泛的应用，英、法、德、荷、比等欧洲诸多国家都有很多的实际应用实例。在污水处理的诸多领域，诸如工业废水处理、生活污水处理、垃圾渗滤液以及各种现有污水处理设施改造，各个行业均有诸多采用MBR工艺的案例。1997年，英国Wessex3公司在英国Porlock建立了日处理能力2000m的MBR系统，1999年又在Dorset3的Swanage建成了13000m/d规模的MBR工厂。随后，比利时Schilde地区也3建立了采用MBR工艺的生活污水处理厂，其设计日处理能力达到了10000m/d。5 第一章概述在南非，厌氧超滤消化系统(ADUF)被应用在玉米加工、酿造等行业的废水3处理系统中，规模在80-2610m/d不等。日本在膜生物反应器应用上走在世界的最前列，拥有最多的膜生物反应器工程应用，以大楼废水、粪便污水等作为主要的处理对象。早在四十年前，日本就33投入使用两座日处理能力分别为50m/d和10m/d的MBR技术的污水处理厂。十年内，日本共投入使用39座采用MBR技术的污水处理厂，并已经为100余座高楼配备了独立的MBR污水处理设施，处理后的污水能够达到标准，回用于中水道。在当时，日本最大的采用MBR工艺的污水处理厂日处理能力可达3500m。日本上世纪八十年代中叶，率先在越谷市投入MBR工艺处理粪便污水，十年之后，日本已拥有千余套MBR系统投入粪便污水处理，能够满足4000多万人对污水处理的需求。1.2.2国内研究发展概况国内MBR的研究起步于20世纪90年代初期，在充分吸收国外先进的技术经验后，经我国科研人员的不懈努力，MBR技术现阶段在我国发展迅速。目前国内MBR研究主要是以大学为科研主体配合企业进行相关研究，其中以清华大学、中国科学院生态研究中心，同济大学、哈尔滨工业大学、天津大学、浙江大学等单位的研究工作比较活跃。企业方面则以天津清华德人环境工程有限公司与上海荏原成套工程有限公司最为活跃。当前，国内污水处理界对于MBR系统的研究工作主要在以下几个方面开展：[15]首先，MBR的应用领域不断扩展，由早期MBR工艺只用于的生活污水逐步[16][17][18][19]发展到参与处理石化废水、焦化废水、医药费水、啤酒废水、食品废[20][21][22]水、造纸废水、毛纺印染废水等诸多工业废水的处理中去；其次，MBR工艺与现有污水处理工艺的组合形式的多样化发展，由传统的活性污泥法发展到[23][24,25][26][27]包括生物膜法、生物膜与活性污泥复合式、SBR法、A/O法以及各[28]种厌氧工艺等多种现金的复合工法；第三，对影响MBR系统稳定运行因素的研究不断深入，对膜材质提出了更高的要求，膜的材质得到不断的改进，使得被用作膜材质的包括了聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯睛等都中高分子复合材料，都被用作微滤与超滤膜。与之相配套的膜分离组件也相应发展，有中空纤维束状/帘式膜、平板膜以及无机管式膜。1996年，汪诚文等设计并进行了采用一体式好氧中空纤维膜生物反应器进行了生活污水处理的初试研究，证明了生活污水经该生物反应器处理后，出水水质莫测优异，无臭味。经过对实验数据的研究分析，出水中无大肠杆菌检出，COD<20mg/L，NH3-N<1mg/L，实验出水水质已经达到了建设部颁布的《生活杂用水水质标准》(CJ25.1-89)对于排放水水质的要求。在此之后，邢传宏、桂萍、6 第一章概述顾平、李红兵、邹联沛、张宝杰等人也先后进行了膜生物反应器处理生活污水的实验研究。总的来讲，与国外相比，国内MBR的研究偏重于实际应用，而且更多地考虑到工艺经济性问题，经过近10年的发展，工程化推广应用刚刚开始。目前国内在膜生物反应器的推广应用方面做的工作较多的是天津清华德人环境工程有限公司与上海荏原成套工程有限公司。天津清华德人环境工程有限公司经过多年对MBR工艺的实验研究，在全国率先实现了国家重点科技攻关项目“中空纤维膜生物反应器污水处理系列装置研究”科技成果的产业化开发。迄今为止，该项技术已经具备了实际处理能力，并已配备与于天津市政府大楼、天津第三医院、天津水上村医院、天津开发区泰达会馆等建筑物的污水处理回用系统中加以投入使用。除此之外还利用该技术建成中水洗车点50多处，建成并投入使用的中水冲厕装置已逾200套，除此之外该项技术在印染废水处理、垃圾渗滤液处理中也有工程应用，处理规模在35-500m/d。在天津清华德人环境工程有限公司紧锣密鼓的推广其成套技术的同事，清华永新双益环保公司等也已开始将其拳头产品“一体式中空纤维膜生物反应器”进行推广和工程化应用。2007年5月完成内蒙古昆明卷烟厂废水处理回用工程，3该工程处理卷烟废水，处理量为1000m/d。2007年10月27日，由北京碧水源科技股份有限公司承建的采用MBR技术处水质的“引温济潮”工程在顺义温榆河全线通水。该工程年引水总量3500-3800万立方米，总投资4.26亿元，总建设规模在采用膜生物反应器MBR技术的工程中排名世界第一。1.3膜生物反应器的特点由于膜生物反应器具备了具有高效固液分离性能的膜组件，所以取消了传统污水处理工艺中的活性污泥工艺中的重力沉淀池。因此，膜生物反应器MBR与传统工艺相比有着诸多优势，能够克服传统工艺中的诸多缺点，具有以下特点：（1）占地面积小相对传统污水处理工艺，MBR工艺不需要建造传统工艺中的初沉池和二沉池。将工程量缩减为调节池、MBR和清水池三个构筑物，不受设计场所限制，[29]适于多种场合，且容积负荷同活性污泥法相比要高出许多。（2）出水水质好且出水稳定MBR工艺能够高效的将固液分离，从而使出水悬浮物和浊度接近于零，并[30,31]将细菌和病毒去除率控制在5log以上。MBR工艺膜能够对污泥絮体完全截流，保证了MBR内维持很高的生物量。同时污泥停留时间(SRT)延长，使得对7 第一章概述[32]有机物有分解作用的细菌充分增殖，增加了COD及NH3-N的去除效率。（3）耐冲击负荷能力高膜生物反应器内微生物存量大，浓度高，大大提高了整套系统耐冲击负荷能力，保证系统在冲击负荷下能够正常稳定运行。（4）系统操作简单，便于运行管理MBR中水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)完全分离，保证了整个系统基本不受到受污泥膨胀因素的影响，确保整套系统运行管理简单易行。（5）剩余污泥量少MBR的污泥负荷一般为0.03-0.55kgCOD/(kgMLSS·d)低于传统活性污泥法(0.4-0.8kgCOD/(kgMLSS·d))其产泥量也相对较少。但是，MBR也存在一些不足。主要表现在以下几个方面：（1）膜的价格相对传统处理方法较贵，由此导致膜生物反应器的建设投资[33]居高不下。（2）膜污染的在使用过程中不可避免，给后续使用过程中的围护操作管理带来一定的使用成本的提高，导致了后期运行费用的居高不下。有关膜生物反应器的建造及使用成本，膜组件价格昂贵，反应器运行能耗高是使得MBR运行成本居高不下的直接原因。使用过程中膜污染的无可避免，是引起反应器高能耗这一问题的根本原因。膜受到污染导致膜通量的下降，导致了反应器能耗的大量损耗，同时也导致膜使用寿命得缩短，由此带来了膜组件的更换的器材和人工成本，从整体上古提高了MBR的后期运行围护成本。为了解决膜生物反应器的高成本问题，研究膜污染的影响因素和控制方法、进行膜污染模型分析并最终降低膜污染的速率成为MBR目前的研究热点。另一方面，膜生物反应器相对高昂的成本阻碍了它的应用，因此，如何降低膜生物反应器的成本，也一直是关注的焦点。近年来，膜工业发展带来的企业间竞争，使得膜组件价格降低，尽管如此，膜组件的成本仍然是MBR不得不考虑的问题。1.4膜生物反应器中的膜污染问题污水处理工艺的广泛应用，其技术可行性并不是唯一决定因素，往往经济可行性起到更大的决定作用。与较为可靠的过滤效果相比，建设和使用成本的居高不下是MBR工艺推广中面对的主要难题。而这两点中膜生物反应器的使用成本高企的问题，从其根源上来说上是取决于膜污染速率的，当膜的污染速率越慢则相同时间内需要清洗更换的次数就越少，使用成本自然越低。通过对实验成果研究，找出膜污染机理并在设计中遵循及相关理论选择合适的膜组件和与之相匹配的操作工艺，均有助于控制膜污染的速率，从而降低膜系统的能耗和损耗，提高系统寿命和过滤能力，相当程度上降低系统的使用成本。8 第一章概述1.4.1膜污染概念膜污染是指在滤过程中的膜被水中的微小颗粒、胶体粒子或大分子溶质在与膜发生相互物理化学作用或在外力作用下而引起的吸附、沉积在膜表面或膜孔内，导致膜孔径变小或被完全堵塞，从而不可逆的降低膜产生透过流量与分离特性。普遍意义上，膜污染的原因由两部分共同组成：不可逆的吸附、堵塞引起的不可逆污染和可逆的浓差极化引起的可逆污染，在膜污染的过程中二者一般同时发生，在二者的共同作用下导致膜通量的衰减。1.4.2膜污染的种类（1）无机污染膜的无机污染主要是指发生在膜的表面由碳酸钙、硫酸钙、硅酸钙等结垢物质阻塞膜通路所导致的污染。一般最为常见的无机污染物的是碳酸钙和硫酸钙[34]，两者由于化学沉降作用导致膜表面导致无机污染。为降低无机污染对对系统的影响，必须在膜生物反应器中保证水的紊流，以期降低无机物在膜表面的沉积速度。（2）浓差极化当溶质不能或只有少量透过膜，而溶剂透过膜发生迁移时，就会产生界面与主体液间的浓度梯度，从而引起溶质从界面向主体液的扩散。这种扩散会引起渗透压增加，导致操作压力降低，从而影响膜通量降低。浓差极化产生的原理决定浓差极化作用是可逆的，所以在正常的操作流程中均会规定有采用增加主体溶液的湍流程度等措施，采取防护措施后可以有效降低系统的浓差极化现象的影响。（3）生物污染生物污染是当微生物通过向膜面的传递而积累在膜面形成的生物膜积累到一定程度引起膜通量的明显下降时所形成的污染。事实上，无论是天然或是合成高分子材料，包括憎水性材料，几乎全部都易于被细菌吸附。在生物膜反应器中，生物降解效果得到了人为的放大了，所以无可避免的也增强了微生物吸附在膜面上这一过程，并使微生物在膜面上进一步生长繁殖形成生物污垢的过程的速度得到加快。而且，由于这些形成生物膜的细菌会产生大量的细胞外聚合物EPS，并将自身细胞体包裹在EPS以内，形成高粘度的水合凝胶层，这种水合凝胶层更加强了污垢在膜上的附着力。一般来说，生物污染的直接后果是膜通量降低。膜通量的降低会导致操作压力升高，增加了系统的能耗，这点与无机污染导致的系统能耗增加原理上是相似。但两种污染的的不同之处在于，无机污染膜通量呈线性下降，而生物污染的膜通量不呈线性下降，初期膜通量下降迅速，随后渐变为缓慢下降，最终稳定在一个9 第一章概述比较低水平上。究其根本原因在于生物污染的主要的结果是对膜的内部结构的破坏而不是对膜表面的附着。细菌和微生物均能直接（发酵形式）或间接（改变溶液性质）的对破坏膜尤其是有机高分子膜。生物降解则主要导致膜的孔道部分或者完全阻塞，使得膜的内部结构发生变化，导致其不再致密。生物降解不但严重影响到膜的通过性能，更严重降低了膜的寿命，这两点均直接导致膜生物反应器系统使用成本的飙升。1.4.3膜污染的数学表达[35]膜透过速率通常用标准达西方程(Darcy’slaw)表示为公式(1-1)：DPJ=mR(1-1)32式中，J为膜通量，单位m/(m·s)；ΔP为膜操作压力，单位Pa；μ为透过液黏-1度，单位Pa·s；R为过滤总阻力，单位m。膜污染研究也是以标准达西方程作为基本理论的。在运行开始时，R只是纯膜阻力；而当运行过程中出现不同种类的膜污染后，R就成为各种污染导致的阻力的总和。对各污染因子重点研究时时，可以对达西方程进行系数修正。由于各种污染同时发生，所以没有准确描述其过程的有意义的数学方程式。在实际研究中，针对系统中的膜和需要过滤的料液特[36,37,38,39]征不同，为了建立相应的模型，不同的研究者对膜污染阻力的理解也各不相同，归纳如下：①对于膜不完全截留R=R+R+R=R+R+R+R=R+R+Rmpfmpefifmcif(1-2)②对于膜完全截留R=R+R+R=R+Rmpefmc(1-3)③根据水力清洗R=R+R=R+R+Rmfmrfirf(1-4)式中Rm——清洁膜固有的阻力；Rp——凝胶极化阻力；Rf——污染阻力，为Ref与Rif之和；Ref——外部污染阻力；Rif——内部污染阻力；Rc——沉积阻力，为Rp与Ref之和；Rrf——可逆污染阻力（包括极化层阻力），能通过水力清洗消除；Rirf——不可逆污染阻力，不能通过水力清洗消除。其中内部污染阻力是指小于膜孔的物质堵塞和吸附在膜孔中的产生的阻力，10 第一章概述外部污染阻力是指固体物质与膜紧密结合成沉积层所产生的阻力，凝胶极化阻力只有在膜过滤过程进行时才得以体现的阻力。由于凝胶极化阻力与外部污染阻力在试验中难以准确区分，因此多数情况下将两者合并作为沉积层阻力。从上述分析中，能够得出现阶段对膜污染阻力无法准确划分，式(1-2)、(1-3)是根据膜污染发生的位置进行划分的，而式(1-4)则是根据水力清洗所产生的效果进行划分。实际上，除了膜本固有特性的阻力，其它膜阻力都能够找到方法根据外部情况进行公式化表达。式(1-2)、(1-3)中的Rc可进一步表述为公式(1-5)：R=a×M=r×dccc(1-5)式中α——污泥比阻，m/kg；-2rc——污泥比阻，m；2M——沉积层密度，kg/m；δc——沉积层厚度，m。根据Carman-Kozeny公式，下式(1-6)：2180(1-ε)1rcα===23ρdεp×ρρpphpp(1-6)式中ε——沉积层孔隙率；3ρp——沉积层颗粒体积质量，kg/m；dp——沉积颗粒平均粒径，m；2Ph——通过沉积层的水力透过性，m。可得到式(7)：沉积层体积mpMδ===c膜面积ρ(1-ε)×Aρpmp(1-7)式中mp——沉积层总干重，kg；2Am——膜面积，m。因此得到式(1-8)：2m2m180×(1-ε)p180×(1-ε)pR=r×δ=×=×=αMccc2323d×ερ(1-ε)Aρd×ε(1-ε)Appmppm(1-8)在膜的不完全截留情况下，膜污染主要形式既包括膜面产生沉积层又有膜孔的堵塞；而膜的完全截留情况下，膜污染主要形式只有膜面产生沉积层。就MBR而言，其所过滤的混合液中必然由多种不同材质，不同大小的物质组成，必然一定然同时存在膜孔的堵塞和形成沉积层这两种膜污染。一般认为：在过滤初期（几分钟以内），污染主要以膜孔被颗粒阻塞为主，之后逐渐转变为沉积层覆盖过滤膜导致。外部压力条件一定的情况下，过滤膜污染过程能准确的通过非牛顿11 第一章概述[40]流体的标准堵塞过滤定律和沉积过滤定律来表达。标准堵塞过滤定律，下式(1-9)：Kstt1==2VQ0(1-9)利用式(1-9)能够对过滤过程是否受堵塞控制加以判断。沉积过滤定律，下式(1-10)：KcVt1=·2VQ0(1-10)利用式(1-10)，可以得出结论：过滤过程是否已经被沉积层控制。研究者普遍同意这种观点，既膜过滤活性污泥的过程中，胞外聚合物(EPS)作为优势污染物存在。通过EPS和细菌的相互粘连，并逐渐形成菌胶团，导致膜过滤过程中污泥沉积层呈蓬松态，呈现出可压密性。污泥被压缩密实后，过滤阻力会大幅度的升高，经过反复的压密，最终形成无法自行清洗去除的不可逆的污染层。所以，通过确定污泥的压密性反映出膜污染的状况并是切实可行的。污泥的压密性可以由压密指数(n)来进行量化描述，如下式(1-11)na=b×(DP)(1-11)式中β——比例系数；ΔP——过滤压力，Pa。在不同压力下的取得污泥样本，并测量污泥比阻，对污泥比阻作lnα和lnΔP便可求得n，其数值范围为零到一质检。实际操作中根据式(1-6)确定α值很不方便，普遍来说α是通过式(1-10)所表示的沉积过滤定律确定的。根据式(1-12)1dVDP×=J=Adfm(R+R)mc(1-12)为了方便求解α，将式(1-8)变形为式(1-13)2mmm180×(1-ε)p180×(1-ε)ppVCbR=αM=×=×=α'=α'c2323ρd×ε(1-ε)Aρd×εAAAppmppmmm(1-13)3式中V——滤液体积，m；3Cb——污泥浓度，kg/m；α′——变换后的污泥比阻，后面仍以α来代替。将式(1-13)代入式(1-12)，通过积分变换，求得沉积过滤定律的完整表达式(1-14)：tmRaCmmb=+()V2VDPAm2AmDP(1-14)12 第一章概述因此图解t/V-V，便可求得α。1.4.4膜污染的影响因素MBR中影响膜污染的受以下三方面因素影响：膜材料及其组件特性、污泥混合液的特性以及系统操作条件。受着三方面因素相互影响，对生物膜反应器系统过滤阻力和膜通量的预测变得错综复杂。（1）膜材料及其组件特性膜材料本身的特性如材质、孔径大小及孔隙率、表面电荷性质及粗糙度、亲疏水性等对膜污染的影响非常直接，而膜组件的构形也是造成膜污染的重要因素。1）膜材质及亲疏水性。膜材质分为无机和有机两大类，有机膜多制成中空纤维和平板式组件，价格相对便宜，但强度低，易污染，寿命短，一般用于SMBR；无机膜多制成管制组件，价格相对较高，但强度高，抗污染能力强，寿命长，一般用于RMBR。有机膜使用的材料可分为疏水性和亲水性材料两种。膜的亲水或疏水性能能够直接影响生物膜反应器系统抗污染性能。由于活性污泥属于有机物质，混合液中的有机污染物特别是蛋白质类污染物不容易与亲水性膜结合，能够非常有效的降低生物类污染物质在膜表面的吸附。亲水膜中最广泛被应用的材料是纤维素及其衍生物如纤维素酯和混合酯；而疏水性膜易受到污染，通常需要通过表面改性技术来增加其透水性，但疏水性材料一般具有良好的化学热稳定性，常见的疏水性膜较多采用有聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯等材料制成。2）膜孔径大小与孔隙率。从满足截流要求提高膜通量的方向考虑，应尽量选孔径大或截流分子量大的膜。但选用较大的膜孔径，混合液中相当数量的胶体会进入膜孔内部从而引起堵塞，反而加速了膜污染；而对于远小于溶质颗粒尺寸[41]的膜孔径，则需要更大的工作压力。Choo等研究厌氧MBR中膜孔径对膜污染的影响发现，不论采用亲水膜或疏水膜，选取孔径范围在0.1μm附近时膜的污[42]染指数最小，吴志超等研究好氧RMBR中不同截流分子量的超滤膜对膜污染的影响时发现，孔径越大的超滤膜，膜通量的到了短期的提高，但在随着使用时间的增加，反而膜表面更易出现浓差极化现象，导致清洗周期缩短。总之，对于某一特定的过滤液和膜过滤的水利条件，存在最佳膜孔径，实际应用的微滤膜孔径一般在0.1-0.4μm之间。孔隙率越大能获得的膜通量就越大，但对膜的机械强度会产生不利影响，实际应用的微滤膜孔隙率一般不高于80%。3）膜表面电荷性质。对料液中正负离子的吸附和排斥是由膜表面电荷性质直接决定的，因此膜表面电荷性质对膜污染是有影响的。一般情况下水溶液中胶体离子表面带负电，若果膜表面基团表现出正电性时，胶体杂质会在带电粒子相互作用下被吸附到膜的表面，时间长了变会逐渐沉积在膜表面形成膜污染；相反，13 第一章概述如果膜表面基团与胶体粒子带相同的正电荷，则会彼此相互排斥，不容易出现沉积作用形成污染。所以实际应用过程中一般都通过对生物过滤膜的表面改性，改变膜表面使其带正电荷性，达到降低膜污染概率的目标。4）膜表面粗糙度。膜的比表面积随着膜表面粗糙度的增大而增大，增加膜表面粗糙度能够加强膜表面吸附污染物的能力，但同时又会加剧了水流扰动程度对膜表面的影响，对污染物在膜表面的沉积起到控制作。由于两个作用相互间可以抵消，所以膜表面粗糙度对膜污染的影响是不稳定的，是受这两方面合作用而决定的。在技术条件允许时，应当尝试在系统中增设动态膜，以改善膜表面的粗糙度，一般来说能够很好的控制膜污染的发展速率，达到降低使用成本的效果。5）膜组件结构形式。膜组件结构形式，能够决定膜表面的流动状态，从而对MBR的抗污染性能及生产能力起到决定作用。其中膜组件的高径比是一个关键参数，能够影响沿膜丝长度方向上的膜通量，决定了TMP分布的均匀性：MBR运行一段时间后，膜丝靠近出水端部分由于膜通量和TMP较大首先受到污染，此处膜通量也随之降低，随后这种膜通量和TMP的变化沿膜丝长度方向传递。膜的装填密度是另一个关键因素，能够对膜的物质转移效率起到调节。装填密度低必然导致物质转移效率低；但盲目增加装填密度会急剧加大膜污染趋势。（2）污泥混合液的特性污泥混合液是膜污染的物质来源，污泥混合液的污泥浓度、粒径分布、混合液组成以及微生物代谢产物等性质直接决定污染物的性质，关乎到膜污染的发展速度。1）污泥浓度。较高的污泥浓度是MBR系统的主要特点，正常情况下污泥[43]的浓度范围为3-20g/L。Hong等的研究表明中低污染浓度(3.6-8.4g/L)范围对膜污染没有明显的影响。但在高浓度(>15g/L)条件下，膜污染明显加重，稳定运行[44]膜通量降低。与中低浓度活性污泥相比，高浓度活性污泥中不仅絮体等大颗粒物质含量高，而且会产生更多的EPS，溶解性大分子物质及胶体等小颗粒物质的含量也会同时增大，这些颗粒均会使膜受到污染，加快污染速度。目前没有准确的实验结果能够证明MLSS浓度的变化对膜过滤性能能够产生影响影响。大部分[45]相关研究人员认同MLSS的增大会导致膜的阻力的增大。Zoh等采用分置式膜生物反应器进行试验，通过对MLVSS介于0.2到0.8g/L之间的反应液进行过滤，验证了这一结论。Zoh的研究有两方面的问题，一是大颗粒絮体在分置式膜生物反应器系统内，经过循环泵时受外力影响而破碎，另外由于悬浮颗粒浓度较低，微生物间距离较大，难以发生微生物相互碰撞，导致絮体结构形成困难，可见在该浓度范围内，膜的污染速率受悬浮固体颗粒(大部分为游离的分散细菌)浓度的[46]影响，并随之增加而加剧。Negaoka等通过进一步研究，通过实验数据证明粘度升高会直接导致MLSS上升，所以粘度变化是引起膜过滤性能降低的主要因素14 第一章概述[47]之一，Magara等的研究认为膜通量与MLSS的对数之间存在直接的负相关性。2）EPS与表面电荷、亲疏水性。近年来，对EPS浓度的关注日益增加，主要原因集中在EPS浓度对膜污染的影响上。有关研究认为EPS浓度高对絮凝有很大的促进作用，同时EPS中还具有能与二价阳离子结合的阴离子基团，相互之间形成一种空间立体形状，既能够维持絮体完整，同时增强膜对污泥的过滤性能。但也有相反声音，Nagaoka等指出EPS通过增加混合液粘度，在膜表面积累，最终1617导致膜过滤阻力的增加，还计算得到EPS的比阻量级为10-10m/kg。但一般认为他的研究结果不准确，从推断过程看是无视了MLSS对粘度的影响。EPS总量的升高是由于MLSS增大而引起的可能性很大，而MLSS与粘度的相关性已得到很多研究者的证实，因此单纯认为粘度上升是由EPS引起的说法是不准确的。然而，EPS可以维持絮体完整，而粘度正是液体维持絮体完整能力的反映，由此推测，EPS与粘度之间应该存在相关关系。另外，在EPS比阻计算过程中，Nagaoka直接将膜过滤阻力作为分母，将膜表面泥饼层中EPS含量作为分子，这种做法亦有待推敲，由于造成污染层阻力的污染物中，EPS只是其中一种，实际上是忽略了其他污染物。虽然结果经不起推敲，Nagaoka的研究过程中间结果仍不乏正确之处，如证明混合液和污染层中EPS存在动态平衡关系，并且推演了污染层阻力[48]对EPS之间存在直接相关性。除此之外，Houghton等的理论中，强调了必然存在一个最佳EPS浓度，能够使生物反应膜系统污泥过滤性能达到最佳。3）胶体稳定性。关于该膜生物反应器的胶体稳定性，是一个相对较小的研究方向，而其对膜的污染影响尚未见报道。与此相关的信息有平板膜错流过滤胶体悬浮液，文章认为稳定的胶体，不容易引膜污染反应，但胶体会转变产生不稳定的混合物，这两种胶体开始沉积在膜表面，会造成膜污染。但是从另一个角度来看，胶体不稳定可能发生絮凝，絮凝能有效降低上清液胶体的浓度，并在同一时间展示颗粒明矾，使得粒径增加，胶态不稳定也可能减少膜污染的可能性。但这只是理论上的推测，没有任何证据。[49]4）粒径分布。Shimizu等建立模型，通过广泛的数据收集，比较计算，研究和分析活性污泥颗粒粒径对膜生物反应器膜通量的影响，研究结果表明粒径范围在8〜15μm的颗粒对流量控制起到了至关重要的作用。奥野在Shimizu等的模型的基础上对一体式膜生物反应器中膜组件的污染情况进行了模拟计算，结果表明，在膜表面沉积主要是微小粒子，其中粒径为10μm的悬浮颗粒沉积现象最为明显。二者的共同点是，通过理论计算，得出由于大的絮状物在形成的过程中，[50]滤饼层会出现较大的间隙，从而导致阻力较小的污染层的形成。Mikkelsen等展开了对活性污泥中的双峰颗粒尺寸分布的研究：初级颗粒（0.5-5μm）和絮状物（0.025-1mm）。在过滤过程中，该初级颗粒可能堵塞滤饼层和媒体，导致过[51]滤性能降低。Choo等在厌氧膜生物反应器的研究过程中，发现在污泥粒径变15 第一章概述化和通量变化之间一个非常良好的相关性：混合物的循环剪切破坏了厌氧微生物絮体，从而导致固体颗粒的粒径的不断减小，所以膜过滤初期膜通量表现出指数衰减。随着絮状物尺寸的减小，絮状物向膜表面净迁移率增加，使更多的絮状物沉积在膜表面。同时，试验还表明，随着絮状物尺寸的减小，沉积层会由于运行时间延长导致压实。接着，研究小组通过过滤得到的生物颗粒的平均粒径为12.2μm和4.05μm两种生物颗粒，为了进一步证实絮体粒径分布的变化对通量的影响，通过膜生物反应器运行这两种颗粒，4.05μm颗粒的运行通量先急剧下降后达到稳定，没有出现指数衰减。5）环境条件。环境条件的变化会通过影响混合液其它性质间接影响膜污染。环境条件指标主要考察DO和pH这两项。生物群落特征、粒径分布、污泥活性等性质均受DO影响；pH波动则会改变絮体表面EPS含量，影响膜的疏水性、膜表面电荷、活性物质絮凝性和污泥活性等特性，除此之外pH变化还能改变膜表面性质，从而使污染物质与膜之间的作用受到影响。在对DO的研究中，出现几种[52]截然不同的结果：Choi等认为，DO在混合液中的浓度升高，对膜通量的下降[53]影响较小，但是却对出水水质能够产生较大影响；而Kang等的结论截然相反，[54]认为DO浓度越大膜污染发展就越缓慢；Ognier等通过建立模型，观察膜生物反应器脱氮效果，得出如下结论：pH值对于膜得污染影响极大，当pH大于某个临界值后，膜污染会迅速发展，而温度的上升会降低pH临界值。[55]6）污泥活性。Lee等使用3个不同SRT的膜生物反应器，观察了混合液的EPSUV254、污泥活性等物理、化学和生物学性质对膜污染所造成的影响，总结[56]出污泥活性与混合液的过滤性存在良好的相关性这一现象。Han等的研究也支持这一结论，即SRT越长，活性越差，膜污染情况越严重。虽然污泥活性与膜污染之间存在一定的相关性，但到目前为止没有证据能够证明两者之间存在直接的因果关系。7）生物相。目前对生物相与膜污染间相关性的研究甚少，一些研究表明生物相变化对过滤阻力有很大影响。当生物相为低级原生动物时，过滤阻力起点较高；生物相变为较高级的原生动物，会导致过滤阻力起点降低并且增长速度减缓。这些变化是由于不同的生物相组成的污泥中微生物特性各不相同，所以在膜表面形成的泥饼层结构也会有所不同。即使在基本相同的过滤条件下，由于生物相的区别，系统中存在的过滤阻力也有所不同。例如：当污泥主要为柄钟虫且含有少量轮虫、票页体虫时，污泥的絮体大而密实，混合液可过滤性好；若生物相中轮虫占据优势，则污泥絮体会被的轮虫咬碎，絮体无法成型会导致膜表面形成的泥饼层结构松散，容易密实，严重降低透水性，使得膜阻力快速增长。一般来说，高强度的曝气，能够对膜表面起到冲刷作用，在一定程度上降低沉降；但若操作不当，则可能引起轮虫的过度繁殖，反而会导致膜对混合液的过滤性能变差。而16 第一章概述此时，若污泥絮体中存在适量轮虫，能够使混合液中的COD降低，反而会有利于[57]过滤的进行。除此之外，Wang等在试验室发现，当混合液中丝状菌污泥膨胀时，会导致中空纤维膜污染加剧，随着丝状菌大量生长时，在过滤起始阶段TMP缓慢上升，但后期增速明显加快，降低过滤膜使用追。这种现象的主要原因是污泥的膨胀能够导致混合液粘度升高，这与丝状菌在膜表面的穿透附着度有关。研究中还发现，021N型丝状菌过度繁殖是在使用膜生物反应器处理生活污水的过程中，导致丝状菌污泥膨胀主要原因。（3）操作条件在MBR的实际运行中，水力特性、膜通量和压力、HRT、SRT、过滤方式等操作条件均对膜污染有重要影响。1）水力特性。膜生物反应器设计初期，均为死端过滤(Dead-endFiltration)，即通过水压或抽吸完成的简单过滤。死端过滤膜污染速度一般较快。为了减缓膜污染的情况，设计人员将膜生物反应器改进为错流过滤(CrossflowFiltration)。错流过滤是在泵的推动下料液平行于膜面流动，与死端过滤（dead-endflowfiltration）不同的是料液流经膜面时产生的剪切力把膜面上滞留的颗粒带走，这种区别有助于降低污染层厚度并保持。设计膜生物反应器时，必须选择适当的水力操作条件。这样才能在过滤操作的基础上，有效的控制膜污染。是控制膜污染比较理想的办法。研究表明，利用曝气产生的大量气泡以较高的速度穿过膜组件，以及气体夹带的水流来冲刷膜面，虽然预期能够提高膜面流速，从而控制膜污染，但是曝气过大也会使污泥絮体破碎，加剧膜表面沉积的颗粒粒径减小，既膜孔容易堵塞，滤饼也会更加密实，从而又加剧了膜污染。不同的污泥浓度下存在不同的最佳曝气强度，我们称之为经济曝气强度，即膜过滤压差上升速率最慢的曝气强度。大量实验结果显示，随着污泥浓度的增加，经济曝气强度呈指数递增。[58]MBR的出水水质，对膜污染存在影响。马莉等用修改后的Flundlich等温吸附方程来表示膜污染（将污染物质视为吸附质，膜为吸附物），如公式(1-15)所示：Xaceq==eAn(1-15)22式中，qe为吸附容量，g/m；X为吸附量，单位g；A为膜面积，单位m；a和1/n为相关常数，ce为吸附质在溶液中的平衡浓度。2）膜通量与操作压力。MBR内部存在恒通量运行和恒压力运行两种方式。对于恒通量运行方式，膜通量的选择对膜污染速率有直接的影响。对于特定的[59]MBR，存在临界通量(criticalflux)，Defrance等验证了临界通量的存在，当采用的临界通量大于该值时，膜过滤压力迅速上升，膜污染急剧发展。狭义的临界通量指不发生颗粒沉淀的恒定的最大膜通量；广义临界通量指使膜阻力随时间不会明显升高的最大通量。同样的，对于恒压力运行方式，存在一个临界操作压力。17 第一章概述MBR工作在临界操作压力以上时，膜污染急剧发展。因而在实际运行中应保证操作压力低于临界压力。3）膜过滤方式。间歇式出水的操作模式有利于膜污染的控制，这是因为停止出水阶段对于膜表面沉积颗粒物的剥离非常有效。膜表面的颗粒物在操作过程中受到两个方向的反作用力：一个是由于渗透水产生的向膜表面运动的拖拽力；另一个是由于错剪切力、浓差极化产生的浓度梯度以及紊流等产生的离开膜表面的反作用力，当停止渗透出水后，向膜表面的沉积作用力消失，因此在反向作用力下，部分沉积污染物能被有效地从膜表面剥离。4）HRT和SRT。影响膜污染的直接因素并非是HRT和SRT，但是二者的变化对反应器中污泥混合液特性有一定的影响，从而间接影响膜污染特性。过短的HRT会导致系统内溶解性有机物（SMP）的积累，从而吸附在膜表面产生污染，进而引起膜通量的下降。较长的HRT将直接增大反应器的容积，但是膜污染减轻。SRT的大小决定了反应器中的污泥负荷、微生物的生长状态以及污泥的浓度。适当延长SRT虽然会增加污泥浓度，但EPS呈逐渐下降趋势，有减缓膜污染的作用。较长的SRT，一方面容易导致污泥浓度过高，加重膜污染；另一方面，在较长SRT下微生物内源呼吸造成细胞自溶，导致微生物大量死亡，由此产生出大量的细胞碎片和溶解性代谢产物，从而加剧膜污染。1.4.5膜的清洗对膜的清洗，我们主要采取以下两种方法：水力清洗和化学清洗。其中水力清洗包括水外洗和反冲洗，而化学清洗则包括碱洗和酸洗。水外洗能通过水冲洗膜的表面，洗去膜表面附着的污泥和黏附性较差的沉积物；反冲洗是通过向膜施加反向压力扩张膜孔，用水反向冲洗从而将膜孔中堵塞物和膜表面沉积层去除。化学清洗中碱洗法针对除膜面的有机污染物进行清除，酸洗则能够溶解膜面的无[60]机水垢。在处理生活污水的MBR，碱洗效果明显强于酸洗。在选择清洗方式时，必须考虑到化学清洗存在一定的不足：化学清洗既消耗一定的化学药剂，又可能对水质造成二次污染，还有可能使微生物活性受到化学药剂的影响，更有甚者可能对膜组件造成不可逆的损伤。所以在实际操作中，多采用组合方式对膜进行清洗，一般流程为：先水洗、后碱洗、再酸洗、最后水洗，经实践证明，按照[61]方法清洗后膜通量一般可恢复到100%，其中根据污、废水的各种性质差异，各清洗方式对膜通量恢复的效果有很大的区别。现今，也出现采用其他高科技方法对膜进行清洗的先例，其中超声波清洗是一种很好的清洗方法，得到了较好的[62]清洗效果。膜的清洗对于保证MBR出水的稳定起到了极大的保证作用。但是，对于具体清洗周期如何确定，至今没有定论，研究报告也相对较少。可以肯定的18 第一章概述是，不同的操作条件能够决定膜所需要的清洗周期，尤其是通量的选择，对膜的清洗周期影响最为明显。1.5膜生物反应中的载体填料载体的诸多性状中，形状、水力性能、比表面积等对其挂膜性能起到重要的作用。而另外一些其他性状，诸如填料载体的表面特征（如电荷性、粗糙度、亲水性）等，也会影响微生物附着的动力学过程，对膜生物反应效果起到直接影[63]响。所以一般来说，设计膜生物反应，必须对于填料的大小、孔隙率、均匀性和浸润性等诸多的力学特征、化学特征和生物稳定性等性能都有严格的要求，并且对填料的表面特征也要做出规定。选择良好的填料，必须既具备优良的性能，同时也要兼顾到填料的使用经济性，应兼具廉价、耐磨损和易装卸等经济特点。（1）优良的稳定性生物反应器中发生的污染物转化过程，并不是一个单一反应，其根本是一个复杂的多元体系，过程中涉及的物理、化学、生物等能量传递的过程错综复杂。面对如此错综复杂的反映环境，必须保证选定的浮填料的材料不会参与反应，必须具备足够的理化稳定性，防止填料自身溶解或参与各种反应而导致填料的消耗。填料材料的稳定性主要主包括：生物稳定性，化学稳定性以及热力学稳定性等几个主要方面。首先，填料材料要保证生物稳定性，填料材料自身不能参与生物反应，且必须具有抗生物腐蚀及不可生物降解的特性；其次，填料材料必须是化学惰性的，能够抵抗反应器内的化学腐蚀；最后，填料材料必须具有耐温度变化的性能。在废水处理过程中，废水的温度一般在常温范围，但不排除特殊情况下水温可能升高到40℃以上，若填料材料不具备良好的热稳定性，则可能出现因其软化而导致微生物与载体的结合受到影响。实践中常用的填料材料包括聚丙烯、聚乙烯等聚烯烃类材料，都能满足对于填料材料的要求。（2）对微生物无毒生物反应器中包含多种微生物，均能参与到生物反应中，并在某些反应中起到重要作用。所以生物反应器填料必须考虑到对微生物无毒。由细菌、霉菌、酵母菌、藻类等微生物和一些原生动物（如盖纤虫、变形虫等）和小型后生动物（如[64]小口钟虫、等枝虫、轮虫、线虫等）构成的生物膜网状结构，对有机物有很强的吸附和氧化分解能力。其中细菌只有少量为游离态，大部分以菌胶团的形式存在。菌胶团有很强的吸附能力和分解有机物的能力，它对有机物的吸附和分解为菌胶团原生物及丝状细菌提供了栖息和生活场所。菌胶团中的细菌具有很强的分解有机物的能力，且由于菌胶团细菌藏在胶体物质内，一方面对动物的吞噬起保护作用，同时也增强了它对不良环境的抵抗能力。该工艺中细菌类群随污水成分的变化而表现出不同的优势菌群，如菌胶团属、假单孢菌属、螺菌属、芽孢杆菌19 第一章概述属等。而污水中的丝状细菌如球衣细菌、放线菌、白硫细菌属、球衣细菌等附着在菌胶团上或菌胶团交织在一起，成为菌胶团的骨架。其中球衣细菌在有机物较含量较低的污水中，表现出对有机物很强的分解能力。（3）良好的表面带电特性由于部分微生物表面带电荷，需要靠电荷引力吸附在填料表面，所以填料表面的带电特性必须有利于微生物的固定化过程。在一般的固话过程中，微生物的pH值在7左右，这种情况下微生物表面带负电荷，为满足微生物固话要求，只有表面带有正电荷的材料作载体才可行。载体表面带正电荷，既能够与微生物相互吸引，利于附/或固定化过程的快速完成，又利于提高微生物和填料间的结合强度。但是考虑到填料对其他性能的要求，实际选型的填料多为PE、PP等材料，这些材料表面倾向于带负电，不能满足提高固化过程的速度和微生物辅助强度的要求。如按照需要，对这些材料进行适当的表面处理（如化学氧化，低温等离子转型等），能够达到改变其表面带电性质的效果，使其表面由带负电变为带有正电荷，则可相应的提高固定化速率和结合强度。（4）具有一定的亲水性在生物膜反应器中，为了提高微生物的挂膜性能及挂膜后生物膜的性能，必须选择的亲水性的填料。提高填料的亲水性，能够直接提高其污水好氧处理效率，加强抵抗气流的冲击能力，增加挂膜牢固程度，从而保证生物膜不易脱落，保证反应器内保持更高的生物量，最终保证生物膜反应器的去除效果受到外界影响所[65]产生的波动更少。试验所选用的柔性填料载体采用亲水性丙烯酸酯纤维制成而成，由中心支撑线和固定在中心支撑线上的的直径3mm的细丝构成。其中中心支撑线为四股细线密织而成,细丝固定在支撑线上，密度约为每米填料上200根细丝。细丝表面分布着毛刺纤维，这些毛刺纤维增加了填料的比表面积，使填料载体更加便于微生物挂膜。且柔性载体挂膜后的载体在曝气形成的水流推动下，在反应器中随水流摆动，这种摆动能够实现现不结团、不堵塞，从而降低膜通量的损失，加速表面老化膜的更新速度。这种载体，我们形象的称之为“摇动载体”。1.6小结随着国内外对于膜生物反应器的理论研究进一步的深化，对膜污染机理及高效低耗控制措施、膜生物反应器工艺模型及其动力学研究与生物相特性研究已经成为目前研究的重点。这些研究工作推动着MBR工艺日趋成熟，并开始规模化工程应用。但是任何工艺的广泛应用都不单取决于技术自身的可行性，经济可行性也是推广的重中之重。现阶段，MBR较高的运行费用已经成为阻碍其推广应用的主要问题。膜生物反应器运行中的消耗问题实质上就是膜污染问题，已经成20 第一章概述为限制MBR在城市污水回用领域推广应用的主要瓶颈。对于膜污染控制的思路，主要包括膜材料的改进，水力条件的优化，以及过滤料液的改性。而其中过滤料液改性的研究有待深化。由于载体技术在传统的活性污泥法中的应用已经比较成熟，而在MBR中投加载体来改善过滤料液性质的研究目前还并不完善。本论文的研究目的在于通过进行在MBR中投加摇动载体的实验，讨论改变过滤料液性质控制膜污染的可行性。21 第二章研究内容与研究方法第二章研究内容与研究方法本论文主要包括三部分研究：首先是试验装置的设计与构建，这一部分主要是在试验室原有设备的基础上设计和布置挡流板以及膜组件和曝气管一体式结构；第二部分是试验运行参数的确定，包括清水通量试验和临界通量试验，主要测试膜组件性能参数和水力学参数，用以确定长期试验的运行条件；第三部分是长期运行试，包括未投加载体长期运行试验和投加载体长期运行试验两部分，在两组长期运行试验中全过程监测混合液性质、跨膜压差、环境条件等指标，用以对比投加载体前后混合液性质和膜污染状况的变化，来评价载体对于混合液调质以及没污染控制的作用。由于本试验需监测的指标项目较多且方法不一，所以具体的试验方法将在后面的章节进行详述。2.1技术路线该试验的技术路线图如图2-1所示。2.2一体式膜生物反应器的设计与构建2.2.1试验室现有设备试验设备总体布局如图2-2所示。进出水管路以及曝气管路均使用PVC材质的管。（1）进水系统试验用原水取自清河城市污水厂曝气沉砂池出水，水中大颗粒物质及毛发等纤维状物质含量很高，非常不利于反应器的运行。为此我们在系统中加入一个平流式初次沉淀池来，通过沉淀池预处理去除这些杂质。沉淀池设计为长×宽×高3=4000×1000×1650mm的长方形结构，有效容积为4.6m，设计处理能力达到34m/h。初次沉淀池出水靠重力流进入中间水箱（长×宽×高=1000×1000×800mm）。中间水箱内设进水泵（选用浙江新界泵业有限公司生产的潜污泵），进水系统多余进水由中间水箱溢流管直接排入污水厂下水道。（2）MBR主体结构MBR反应器主体为不锈钢长方体结构(长×宽×高=1000×800×2800mm)，外带两层平台及爬梯、护栏、膜组件提升设备，顶层平台为操作平台。有效水深32400mm，有效容积1.8m。22 第二章研究内容与研究方法试验装置设计与构建反应器挡板设计膜组件布置结构结构优化膜性能测试立升膜清水试验膜天膜混合液实验运行参数的确定长期对比实验投加摇动未投加摇运行效果及工艺参数载体动载体投加填料的可行性参数整理结果分析图2-1技术路线图U液位控制器膜组件气型体流管曝气头量计载体载体进水箱进水泵鼓风机出水图2-2装有载体的膜生物反应器示意图（3）出水系统出水泵使用抽吸泵与膜组件相连，出水泵现有两台。其中一台接一片三菱膜，23 第二章研究内容与研究方法另一台接两片膜天膜。由于该研究拟采用恒通量运行，所以在膜组件与抽吸泵之间的管路上设置流量计。（4）曝气系统室外置鼓风机一台，为试验室内的多台反应器供气。曝气管可使气体均匀的分布在升流区，在膜表面形成水力冲刷，减缓膜污染。同时可使升流区形成上升流，在反应器内形成循环流态。曝气管与需设计的导流板为一体式结构，设计为PVC材质的穿孔管，管径20mm，孔径为4mm。在曝气管与鼓风机之间的管路中设置气体流量计，以观测进气量。（5）配电控制系统采用控制电路自动控制进水流量。采用时间继电器控制反应器正常运行时进水泵间隔，按照预设的固定时间开启和关闭进水泵，通过改变启动和关闭泵的时间来控制反应器的进水流量。在反应器内安装液位计，通过其控制进水泵，保证最低液位高于膜组，从而实现对模组的保护。采用时间继电器控制抽吸泵，预设运行13分钟、停止2分钟，从而实现膜组间歇出水。通过改变抽吸泵入口阀门的开度，控制出水量，保证恒通量操作。（6）摇动载体试验所选用的柔性填料载体采用亲水性丙烯酸酯纤维制成而成，由中心支撑线和固定在中心支撑线上的的直径3mm的细丝构成。其中中心支撑线为四股细线密织而成,细丝固定在支撑线上，密度约为每米填料上200根细丝。细丝表面分布着毛刺纤维，这些毛刺纤维增加了填料的比表面积，使填料载体更加便于微生物挂膜。且柔性载体挂膜后的载体在曝气形成的水流推动下，在反应器中随水流摆动，这种摆动能够实现不结团、不堵塞，从而降低膜通量的损失，加速表面老化膜的更新速度。这种载体，我们形象的称之为“摇动载体”。本试验使用的摇动载体每根长1.5m，用塑料扎带将载体延竖直方向固定在两个金属架上，金属架尺寸如图2-3所示，由于混合液腐蚀性强，在金属架表面涂抹防锈漆。安装载体时，将两金属架分别至于中央升流区两旁的降流区，如图2-4所示。使混合液浸没金属架。载体在金属架上的分布如图2-5所示。2.2.2试验装置的改进（1）设计思路1）以膜组件的实际装填尺寸为控制指标，降低维持同样曝气强度的曝气量，尽量减小升流区面积，适当增大降流区面积；24 第二章研究内容与研究方法601018摇动载体金属架1降流区150挡流板升流区水平摇动金属架2降流区支架50支架图2-3金属架尺寸图图2-4金属架安装俯视图图2-5金属架上的载体分布俯视图2）适当提高反应器高度，主要考虑实际工程所能达到的高度；3）降流区面积可以调整，底部通道高度可调节，利于反应器的结构优化。（2）设计参数1）根据原有试验设备尺寸，设计尺寸为（1850×800×240mm）的金属结构。22升流区面积0.11m，降流区面积0.6m。该结构主要由两块(1850×788×10mm)的不锈钢板组成，内部由40×40×4mm的304不锈钢角钢构成框架。框架上设管卡，用于固定膜组件。由于原反应器内空间限制，导流板宽度方向上只有640mm可以用来布置膜帘，因此将膜帘靠近一端放置以留出出水管路的空间。参考以前组件设计经验，设计底部过流通道高300mm，曝气管距底部150mm，直径为20mm的PVC管，开孔直径为4mm。2）材质：304不锈钢3）作用：该装置用以固定膜组件，将MBR反应器内部分成升流区与降流区两部分，从而起到导流板的作用，形成气升式内循环结构。同时，该装置与曝25 第二章研究内容与研究方法气管是一体式结构，可确定曝气管在反应器中的位置。[66]4）反应器处理规模：根据魏春海等在此反应器上长期试验得到的水力停留时间记录可知，因季节与进水水质的波动，该反应器在2003年9月到2006年9月期间，水力停留时间为2.9-6.0h。本次试验的处理规模也随季节和进水水质2产生波动。根据膜生产厂商提供的数据，膜天膜稳定运行通量为12-18L/(m·h)，2立升膜稳定运行通量为15-20L/(m·h)。由此可计算，反应器处理规模在35.76-8.16m/d。2.2.3试验用膜试验用膜一片为天津膜天科技有限公司免费提供，在试验中向厂家反馈膜的运行参数，同时为保证试验结果不受膜性能差异的影响，购买了材质和尺寸与第一种膜相近的北京永新立升技术有限公司生产的PVDF膜，用来进行对比试验。在下面的是试验介绍中将两种膜简称为立升膜和膜天膜。由于两种膜的比较两种中空纤维帘式膜组件的综合性能如表2-1所示。表2-1膜组件性能比较膜组件项目立升膜膜天膜材质PVDFPVDF亲疏水性疏水疏水名义孔径/μm0.220.2膜丝内径/外径(mm)0.7/1.40.6/1.2单片组件长×宽×高1150×540×461065×535×45/mm2单片组件面积/m4102总面积(m)810生产商北京永新立升膜技术有限公司天津膜天膜科技有限公司26 第三章膜生物反应器清水通量试验第三章膜生物反应器清水通量试验膜和膜组件本身的性质是影响膜污染形成和发展的一个重要因素。理论上说使用纯净的水可以在测试膜本身阻力时不对膜造成污染，实际测试时使用成本较低的自来水可以在测试过程中基本不会对膜造成污染。同时在膜性能未知的情况下先采用清水测试可以避免在运行前造成不必要的不可逆污染。采用第二章中设计好的一体式膜生物反应器，注入自来水，测定膜本身的清水通量，通过Darcy定律确定膜本身的阻力。用相同的方法在下一步的混合液试验可计算出一个过滤阻力。用过滤阻力减去膜本身的阻力，就可得到膜污染所造成的阻力，由此可以考察膜的污染状况。3.1测压系统为了准确地计量跨膜压差(transmembmnepressure,TMP)，需要保证测压系统的精确，所用测压系统设置如下：在两个膜组件出水口端设有压力计，用于粗读膜丝外测压力，同时有U型管用于精读TMP；两组膜的出水端分别设置转子流量计，用于测定出水流量；抽吸泵设置在出水管路的末段在泵前和泵后分别设有闸伐，用于控制抽吸压力，并通过控制抽吸压力来控制出水流量。如图3-1所示。35CBDHA△6HBCDHHHAH2741图3-1跨膜压差测量计算原理示意图1-生物反应器2-膜组件3-出水管4-抽吸泵5-玻璃管液位计6-水银压差计7-闸阀通过分析得出，由于忽略了出水管路上的阻力损失，TMP测量值要高于真实值，而这个测量误差的大小与管路中平均流速和从膜组件至压差计接入点间管27 第三章膜生物反应器清水通量试验路的长度和布置复杂程度呈正相关关系。为减小这种误差，一方面可采取限制单根出水管所接纳的膜组件数量和适当放大出水管管径的办法来降低降低管道中的平均流速；另一方面，可采取缩短膜组件至压差计接入点间管路长度和简化管路布置来降低管路的沿程和局部阻力损失系数。[64]纯膜阻力测试方法按如下步骤进行：（1）在反应器内注入清水运行至预定高度。（2）开启反应器抽吸泵后，调整管路阀门使得通量J稳定在第一个预设值，稳定运行10分钟。（3）通过玻璃管液位计和水银压差计记录膜组件内外测压力差。（4）调整管路阀门逐渐增加通量，使J稳定在下一个预设值，记录膜组件内外测压力差。（5）重复步骤（4），逐一记录各组流量和压力值。（6）试验前中后期各记录一次反应器内的水温，取平均值计算清水黏滞系数μ。（7）根据测得数据计算没组建的计算膜组件得JS和Rm。清水比通量JS是指膜组件过虑不造成没污染的清水（本试验中使用自来水），在单位压力下单位膜面积上单位时间内透过的水量。它反映了膜组件的清水透过性能，并可据此计算纯膜阻力。其表达式可由达西定律推倒如下：DPJ=mRmJ1J==sDPmRm(3-1)32式中J为膜通量，单位m/(m·s)；ΔP为膜操作压力在本试验中就是TMP值，单-1位Pa；μ为清水黏滞系数，单位mPa·s；Rm为纯膜阻力，单位m。JS为清水比2通量，单位L/(m·h)/kPa。由式（3-1）可以得出以下结论：当温度为定值时，μ为定值，因而JS也为定值。通过此结论，设计如下步骤：首先通过清水过滤试验测得不同膜通量下的跨膜压差，得到一组二维数组(J，TMP)；之后以TMP为横坐标，J为纵坐标建立坐标系，将实验所得二维数组标注在坐标系上；最后将坐标系上的离散点进行线型拟合，所得连线的斜率即为JS，可由此计算出纯膜阻力。3.2不同膜的纯膜阻力测试清水试验在水温为5℃的条件下分别测定了两种膜的清水通量。如图3-1所示在水温为5℃时，膜天膜的TMP随的清水通量上升而均匀上升，在膜通量为250L/(m·h)时，TMP值为17.2kPa。28 第三章膜生物反应器清水通量试验在水温为5℃时，立升膜的TMP值随膜的清水通量的上升而均匀上升，如2图3-2所示。在膜通量为50L/(m·h)时，膜的TMP达到了78.6kPa。通过清水通量试验可以看出，两种膜的膜通量与跨膜压差均呈现良好的正相关性，在相同通量下，立升膜的跨膜压差明显高于膜天膜。11-1通过纯膜阻力的计算，如表3-1所示，膜天膜的纯膜阻力在8×10m左右，12-1膜天膜的纯膜阻力在4.3×10m左右。6050y=2.9015x+0.6837240R=0.998530J(Lm-2h-1)20通量10膜005101520TMP(KPa)图3-15℃时清水通量变化对膜天膜TMP影响6050y=0.5407x+6.7187240R=0.990630J(Lm-2h-1)20通量10膜0050100TMP(KPa)图3-25℃时清水通量变化对立升膜TMP影响表3-1纯膜阻力计算表清水比通量测量水温清水绝对粘滞系数纯膜阻力膜组件211-1[L/(m·h)/kPa](℃)(MPa·s)(10m)膜天2.901551.51888.16立升0.540751.518843.803.3小结（1）两种膜虽然材质相同，但在清水试验中的运行参数却存在较大差异，立升膜的TMP增长更快，最高TMP值也更高。经计算发现立升膜的纯膜阻力在12-111-14.3×10m左右，比膜天膜的纯膜阻力在8×10m要高出许多。29 第三章膜生物反应器清水通量试验（2）由于温度对于纯膜阻力的影响不大，可以将纯膜阻力认为是一个常量，在后续试验中，可通过纯膜阻力和试验时的温度值反向推倒出纯膜阻力所造成的压差值。该值与实测跨膜压差之间的差值可以用来表示由污染物对于膜污染的作用。30 第四章膜生物反应器临界通量试验第四章膜生物反应器临界通量试验维持膜组件长期稳定运行，必须保证其在次临界通量条件下运行，滤液中颗粒不能在膜表面沉积，没有显著的膜污染产生。一般认为膜面错流速度与临界通量成正比例关系，混合液污泥浓度与临界通量成反比例关系。一般情况下，膜面错流速度对一体式膜生物反应器来说，主要由反应器结构和升流区曝气强度决定。因此，本章测试比较两种膜在不同污泥浓度，不同曝气强度下的临界通量，与厂家提供的运行通量结合，可以决定试验所用通量值。该值理论上应高于厂家提供通量且低于临界通量，使得膜在清洗周期内有明显的通量变化，以便研究污染的发展趋势，为后续长期试验操作参数的优选提供依据。为测定临界通量，通常情况下采用“通量阶式递增法”。该方法通过逐步提高膜通量同时观察跨膜压差的变化来求得临界通量。即在一定的操作条件下，采用恒通量运行方法，使膜工作一个时间段，观测TMP（跨膜压差）的变化，若TMP保持恒定不发生明显变化，则调节出水抽吸泵的功率，增加一个阶量的膜通量，而后继续观测TMP的变化。如此重复，直到出现TMP发生明显的增长，此时的膜通量记为JN+1（N为试验中膜通量阶量的增加次数），于是认为临界通量介于JN与JN+1之间。我们把大于JN+1的通量定义为超临界通量区，小于JN的通量定义为次临界通量区。试验室中△T拟采用120min，根据厂家所提供的运行参数，膜天膜的起始运22行通量均为J=10L/(m·h)，通量增加的步长△J=10L/(m·h)。立升膜的起始运行通22量均为J=5L/(m·h)，通量增加的步长△J=5L/(m·h)。采用“通量阶式递增法”测定临界通量时，通量递增步长不是无极调整的，受试验条件的限制必然存在最小调整步长。因此得到的临界通量值不是绝对准确的，只能能是一个临界通量区。但是判断达到临界通量区的具体量化依据文献中没有明确报道，所以本试验参考的是MBR实际工程应用中的判定标准，同时由于本试验的目的是考察膜污染，所以将判定临界通量的通量递增步长设定为2kPa这个较大的TMP值上，以期在较短时间周期内完成膜的污染过程。为保证每个工况的膜清洁度相同或是相近，在每个工况开始前，均对膜进行清洗，采用物理清洗和在线化学清洗两种。在膜污染程度较低时采用物理清洗，主要是应用空曝气的方法。空曝气是依靠气和水为介质，气水结合的高速射流，强化冲击和振动去除膜表面的沉积污染物。此项清洗技术具有对膜无腐蚀、不堵塞，实用性强等特点。当膜污染程度较高时，物理清洗效果下降，需采用化学清洗。化学清洗是选择一种或多种化学药品使其与膜面有害杂质进行化学反应，产生对膜面无害的产31 第四章膜生物反应器临界通量试验物，从而达到清洗膜的目的。选择化学药品的原则，一是所选化学清洗剂不能与膜及其它系统组件材质发生任何化学反应；二是使用化学药品和其产生的反应产物不能而引起二次污染。最后开启抽吸泵进行反冲洗。本试验使用0.3%(V/V)NaClO溶液(pH=10)在线反冲洗，所使用要计量参考工程上标准，一般32为药剂量(m)：膜面积(m)=2：1。在线清洗时，使用清水自吸泵将药剂内反入膜内，然后静置一段时间，从原理上分析，静置的时间越长清洗效果越好，但是考虑到长时间的厌氧会使污泥的活性下降，所以一般静置5h左右。在化学清洗完成后，首先空曝气一段时间（30min左右），然后再开启抽吸泵正常运行。对结构一定的SMBR来说，曝气强度、污泥浓度和膜组件状态对临界通量起主要影响作用。为考察上述因素对临界通量的影响特性，试验选取了如表4-1所示的运行条件。表4-1临界通量测试的运行条件322膜组件曝气强度[m/m·h]污泥浓度(g/L)膜面积(m)膜天膜73、109、1363、6、9、12、1510立升膜73、109、1363、6、9、12、1584.1不同工况对通量的影响4.1.1污泥浓度为3g/L时曝气条件对通量的影响图4-1和图4-2反映的是当污泥浓度为3g/L时，不同曝气强度下的试验结果，32参考试验基地同类试验，将每种污泥浓度下的曝气强度确定为73m/(m·h)、32322109m/(m·h)、136m/(m·h)。图中的通量J的单位是L/(m·h)。3232如图4-1(a)所示，膜天膜的通量为10m/(m·h)和20m/(m·h)时，TMP在32120min内没有变化，将通量调大到30m/(m·h)时，TMP随时间的延长而产生变化，但变化幅度较小，小于本试验判定临界通量的递增步长2kPa。当通量增大32到40m/(m·h)时，TMP在120min内产生明显的变化，增长了7.2kPa，大于递增步长2kPa，所以可以认为临界通量区在通量为30kPa和40kPa之间。其他的试验结果均在这种方法基础上展开分析。实验结果表明，在污泥浓度为15g/L时，立升膜的起始TMP高于膜天膜，而且相同通量下立升膜的TMP也明显高于膜天膜，但在超临界通量区，立升膜的膜污染速度明显低于膜天膜。2在污泥浓度为3g/L，通量步长△J=10L/(m·h)时，膜天膜在三个曝气强度(73、3222109、136m/(m·h))条件下的临界通量均在30L/(m·h)到40L/(m·h)之间。相邻通2量条件的起始TMP差大约在5kPa左右。通量步长△J=5L/(m·h)的立升膜在三个22曝气强度相同的临界通量均在15L/(m·h)到20L/(m·h)之间。相邻通量条件的起32 第四章膜生物反应器临界通量试验始TMP大约相差10kPa左右。也就是说在污泥浓度为3g/L时，不同的曝气强度对于通量区域的划分影响不明显。25J=10J=2020J=30J=401510TMP(KPa)500306090120150时间(min)(a)25J=10J=2020J=30J=401510TMP(KPa)500306090120150时间(min)(b)25J=10J=2020J=30J=401510TMP(KPa)500306090120150时间(min)(c)图4-1不同曝气强度下，膜天膜TMP随时间的变化323232(a)曝气强度为73m/(m·h)(b)曝气强度为109m/(m·h)(c)曝气强度为136m/(m·h)33 第四章膜生物反应器临界通量试验50403020TMP(KPa)J=10J=15J=201000306090120150时间(min)(a)50403020TMP(KPa)10J=10J=15J=2000306090120150时间(min)(b)50403020TMP(KPa)J=10J=15J=201000306090120150时间(min)(c)图4-2不同曝气强度下，立升膜TMP随时间的变化323232(a)曝气强度为73m/(m·h)(b)曝气强度为109m/(m·h)(c)曝气强度为136m/(m·h)测试结果表明，在污泥浓度为15g/L时，立升膜的起始TMP高于膜天膜，而且相同通量下立升膜的TMP也明显高于膜天膜，但在超临界通量区，立升膜的膜污染速度明显慢于膜天膜。4.1.2污泥浓度为6g/L时曝气条件对通量的影响图4-3和图4-4反映的是当污泥浓度为6g/L时，不同曝气强度下的试验结果。2图中的通量J的单位是L/(m·h)。34 第四章膜生物反应器临界通量试验35J=10J=2030J=30J=40252015TMP(KPa)10500306090120150时间(min)(a)50J=10J=2040J=30J=403020TMP(KPa)1000306090120150时间(min)(b)40J=10J=2030J=30J=4020TMP(KPa)1000306090120150时间(min)(c)图4-3不同曝气强度下，膜天膜TMP随时间的变化323232(a)曝气强度为73m/(m·h)(b)曝气强度为109m/(m·h)(c)曝气强度为136m/(m·h)在污泥浓度为6g/L，通量步长△J=10L/(m2·h)时，膜天膜在三个曝气强度(73、109、136m3/(m2·h))条件下的临界通量分别在20-30L/(m2·h)、30-40L/(m2·h)、30-40L/(m2·h)这三个范围之内。相邻通量条件的起始TMP差大约在5kPa左右。通量步长△J=5L/(m2·h)的立升膜在同样三个曝气强度下的临界通量均在15L/(m2·h)到20L/(m2·h)之间。仍然无法区分出不同曝气强度对临界通量区的影响，因此在通量为15L/(m2·h)和20L/(m2·h)之间增加了17.5L/(m2·h)，使局部步长达到2.5L/(m2·h)，这样立升膜在三个曝气强度下的临界通量分别在15-17.5L/(m2·h)、17.5-20L/(m2·h)17.5-20L/(m2·h)这三个范围之内。相邻通量条件的起始TMP差（不包括后来添加的17.5L/(m2·h)这一条件）约在10kPa～15kPa。测试结表明，在污泥浓度为15g/L时，立升膜的起始TMP高于膜天膜，而且相35 第四章膜生物反应器临界通量试验同通量下立升膜的TMP也明显高于膜天膜，但在超临界通量区，膜天膜的膜污染速度明显快于立升膜。7060504030TMP(KPa)20J=10J=1510J=17.5J=2000306090120150时间(min)(a)60504030TMP(KPa)20J=10J=1510J=17.5J=2000306090120150时间(min)(b)60504030TMP(KPa)20J=10J=1510J=17.5J=2000306090120150时间(min)(c)图4-4不同曝气强度下，立升膜TMP随时间的变化323232(a)曝气强度为73m/(m·h)(b)曝气强度为109m/(m·h)(c)曝气强度为136m/(m·h)4.1.3污泥浓度为9g/L时曝气条件对通量的影响图4-5和图4-6反映的是当污泥浓度为9g/L时，不同曝气强度下的试验结果。2图中的通量J的单位是L/(m·h)。36 第四章膜生物反应器临界通量试验3530J=10J=2025J=302015TMP(KPa)10500306090120150时间(min)(a)40J=10J=2030J=3020TMP(KPa)1000306090120150时间(min)(b)3025J=10J=2020J=301510TMP(KPa)500306090120150时间(min)(c)图4-5不同曝气强度下，膜天膜TMP随时间的变化323232(a)曝气强度为73m/(m·h)(b)曝气强度为109m/(m·h)(c)曝气强度为136m/(m·h)37 第四章膜生物反应器临界通量试验6050403020TMP(KPa)J=10J=15J=201000306090120150时间(min)(a)6050403020TMP(KPa)J=10J=15J=201000306090120150时间(min)(b)6050403020TMP(KPa)J=10J=15J=201000306090120150时间(min)(c)图4-6不同曝气强度下，立升膜TMP随时间的变化323232(a)曝气强度为73m/(m·h)(b)曝气强度为109m/(m·h)(c)曝气强度为136m/(m·h)2在污泥浓度为9g/L，通量步长△J=10L/(m·h)时，2h之内膜天膜在三个曝气322强度(73、109、136m/(m·h))条件下临界通量为30L/(m·h)时，通量增长了大约2215kPa，所以判定三个曝气强度下的临界通量均在20L/(m·h)到30L/(m·h)之间。2相邻通量条件的起始TMP差大约在5kPa左右。量步长△J=5L/(m·h)的立升膜在22同样三个曝气强度下的临界通量均在15L/(m·h)到20L/(m·h)之间。相邻通量条件的起始TMP差大约在10kPa左右。研究结果表明，在污泥浓度为15g/L时，立升膜的起始TMP高于膜天膜，而且相同通量下立升膜的TMP也明显高于膜天膜，但在超临界通量区，立升膜的膜污染速度明显慢于膜天膜。4.1.4污泥浓度为12g/L时曝气条件对通量的影响图4-7和图4-8反映的是当污泥浓度为12g/L时，不同曝气强度下的试验结38 第四章膜生物反应器临界通量试验2果。图中的通量J的单位是L/(m·h)。50403020TMP(KPa)10J=10J=20J=3000306090120150时间(min)(a)50403020TMP(KPa)10J=10J=20J=3000306090120150时间(min)(b)60J=10J=2050J=304030TMP(KPa)201000306090120150时间(min)(c)图4-7不同曝气强度下，膜天膜TMP随时间的变化323232(a)曝气强度为73m/(m·h)(b)曝气强度为109m/(m·h)(c)曝气强度为136m/(m·h)39 第四章膜生物反应器临界通量试验7060504030TMP(KPa)20J=10J=15J=201000306090120150时间(min)(a)60504030TMP(KPa)20J=10J=151000306090120150时间(min)(b)60504030TMP(KPa)20J=10J=15J=201000306090120150时间(min)(c)图4-8不同曝气强度下，立升膜TMP随时间的变化323232(a)曝气强度为73m/(m·h)(b)曝气强度为109m/(m·h)(c)曝气强度为136m/(m·h)4.1.5污泥浓度为15g/L时曝气条件对通量的影响图4-9和图4-10反映的是当污泥浓度为15g/L时，不同曝气强度下的试验结2果。图中的通量J的单位是L/(m·h)。40 第四章膜生物反应器临界通量试验50J=10J=2040J=303020TMP(KPa)1000306090120150时间(min)(a)50J=10J=2040J=303020TMP(KPa)1000306090120150时间(min)(b)5040J=10J=20J=303020TMP(KPa)1000306090120150时间(min)(c)图4-9不同曝气强度下，膜天膜TMP随时间的变化323232(a)曝气强度为73m/(m·h)(b)曝气强度为109m/(m·h)(c)曝气强度为136m/(m·h)41 第四章膜生物反应器临界通量试验6050403020TMP(KPa)J=10J=15J=201000306090120150时间(min)(a)6050403020TMP(KPa)J=10J=15J=201000306090120150时间(min)(b)6050403020TMP(KPa)10J=10J=15J=2000306090120150时间(min)(c)图4-10不同曝气强度下，立升膜TMP随时间的变化323232(a)曝气强度为73m/(m·h)(b)曝气强度为109m/(m·h)(c)曝气强度为136m/(m·h)2在污泥浓度为15g/L，通量步长△J=10L/(m·h)时，膜天膜在三个曝气强度(73、3222109、136m/(m·h))条件下的临界通量均在20L/(m·h)到30L/(m·h)之间。与污泥浓度在12g/L的情况下相似，相邻通量下的起始TMP之差明显减小。这一现象在立升膜实验中没有出现，可能与膜本身的性质有关，有待更深入地研究。通量22步长△J=5L/(m·h)的立升膜在同样三个曝气强度下的临界通量均在15L/(m·h)到220L/(m·h)之间。相邻通量条件的起始TMP差大约在10kPa左右。测试结表明，在污泥浓度为15g/L时，立升膜的起始TMP高于膜天膜，而且相同通量下立升膜的TMP也明显高于膜天膜，但在超临界通量区，立升膜的膜污染速度明显慢于膜天膜。42 第四章膜生物反应器临界通量试验4.2不同工况对临界通量的影响4.2.1曝气强度对临界通量的影响气、水二相流是一种复杂的流体，随着曝气强度的增加，气、水二相流的紊动性会不断增大，气、水二相流的流态发展也更加充分。曝气过程中形成的较大气泡，对膜面的冲刷效果更强，加切强度增大，从而使得颗粒不易沉积到膜表面。桂萍曾利用一体式MBR考察膜通量、曝气量和膜污染速度与污泥浓度的关系，测试结果表明：当膜通量处于次临界通量时，膜污染主要由溶液中的大分子物质和颗粒物质吸附到膜表面而引起；当膜通量处于超临界通量时，膜污染主要由污泥絮体在膜表面不断沉积而引起。污泥浓度较低(1g/L)时，曝气强度的提高对膜污染的降低不明显，随着污泥浓度增高（>5g/L）时，增加曝气强度对减缓膜污染有利，并且能提高临界通量。本试验在污泥浓度为6g/L时，将通量递增步长减小，细化通量区间，来研究曝气强度与临界通量之间的关系。如图4-11和图4-12所示，临界通量的范围曲线把整个膜通量区域划分为三个操作区，超临界区、临界区以及次临界区。从图中可以看出，临界通量是随着曝气强度的增大而增大的。25h)]超临界通量区220临界通量区[L/(m15次临界通量区通量膜10739311313332曝气强度[M/(mh)]图4-11不同曝气强度对膜天膜通量区的影响50超临界通量区2h)]40临界通量区30[L/(m次临界通量区20通量10膜0739311313332曝气强度[M/(mh)]图4-12不同曝气强度对立升膜通量区的影响43 第四章膜生物反应器临界通量试验32根据临界通量的判断标准，膜天膜在三个曝气强度(73、109、136m/(m·h))222条件下的临界通量区分别为20-30L/(m·h)、30-40L/(m·h)、30-40L/(m·h)。临界32通量区随曝气强度的增大呈先上升后稳定的现象；曝气强度低于109m/(m·h)时，临界通量区随曝气强度的增大而增大；高于经济曝气强度时，临界区就基本稳定。[66]参考魏春海论文，这是由于反应器内升流区表观流速随曝气强度的增大而增大；高于经济曝气强度时，表观流速达到稳定，而错流流速与临界通量有着良好32的正相关性。因此该试验中就曲线拐点所对应的曝气强度109m/(m·h)作为经济曝气强度。4.2.2污泥浓度对临界通量的影响为考察不同污泥浓度对临界通量的影响，同时也为后续处理城市污水的长期运行提供参数选择的依据，在经济曝气强度下，将不同污泥浓度条件下的临界通量试验进行对比，如图4-13和图4-14所示，临界通量的范围曲线把整个膜通量区划分为三个操作区；超临界区、临界区以及次临界区。50超临界通量区h)h)]40230(L/m临界通量区[L/(m20通量膜通量10次临界通量区膜03691215污泥浓度(g/L)图4-13不同的污泥浓度对膜天膜临界通量区的影响25超临界通量区202h)h)]2临界通量区15(L/m[L/(m10通量次临界通量区膜通量5膜03691215污泥浓度(g/L)图4-14不同的污泥浓度对立升膜临界通量区的影响从图中可以看出，在经济曝气强度下，随着污泥浓度的提高，在某一污泥浓度条件下，临界通量区会下降。膜天膜在6g/L时临界通量区开始下降，立升膜44 第四章膜生物反应器临界通量试验在12g/L时临界通量区开始下降。由于本试验的试验目的是考察膜的污染状况，要求膜的污染速度比较高，而实际MBR工程中多采用的污泥浓度为此在长期运行中将污泥浓度12g/L，将该试验结果与这几项因素综合考虑，决定将长期运行试验的污泥浓度控制在12g/L。4.3小结（1）临界通量的范围曲线可以把整个膜通量区域划分为超临界区、临界区以及次临界区三个操作区域，可作为膜－生物反应器运行时膜通量选择的一个依据。（2）两种膜的性质在临界通量试验中显出较大差异，立升膜的初始TMP值较高，但在在运行过程中比较稳定；膜天膜的初始TMP值较低，但在超临界通量区出现TMP快速增长的现象。（3）随曝气强度增加，气、水二相流的紊动性不断增大，在同一个污泥浓度下，临界通量随曝气强的增大而增加，曝气强度越大，其对应的临界通量越大。32（4）污泥浓度在1～15g/L范围内，当曝气强度为109m/(m·h)时，临界通量随污泥浓度的增大而减小。45 第五章长期运行影响因素研究第五章长期运行影响因素研究与传统的生物处理方法相比，SMBR具有诸多优点，但长期运行中的稳定性一直是影响其推广应用的重要因素，也是SMBR工艺研究中的重点问题。SMBR的长期运行稳定性包括系统处理效果与膜分离两方面。系统处理效果的稳定性主要指抗冲击负荷能力，而膜分离的稳定性主要来自膜污染所导致的单位面积产水量下降的问题。[67]根据吴金玲研究，混合液性质的改变会影响膜污染状况，混合液性质的调控是膜污染控制的一项重要手段，而日本某公司以亲水性丙烯酸酯纤维制成柔性填料，组装时将填料绕中心支撑线旋转为螺旋态，安装在MBR反应器的降流区，在水流推动下填料始终处于摇动状态。料液循环时，降流区混合液流过螺旋态载体时产生旋流，改变了混合液的水力学性质，同时生物膜填料的摇动加速了氧和有机物对生物膜的传质效果。但是目前尚缺乏载体对于混合液性质调控和膜污染影响的定量分析，同时载体对于料液性质改变的机理仍需进一步讨论。因此，本章在之前对SMBR通量特性的中试试验研究的基础上，进一步展开了处理城市污水的长期运行试验。该阶段试验的主要目的是对比装备摇动载体前后膜污染状况和混合液性质变化，来分析摇动载体对于膜污染控制是否起作用，这种作用的机理是什么。根据前面试验所提供的参数，使反应器分别在未安装载体和安装载体的恒通量条件下各运行两个月。长期监测安装载体前后的跨膜压差(TMP)和混合液性质，包括混合液组成性质、功能性质、结构性质、以及环境指标，采样后12h内完成理化性质测定以及待测样品的固定及保存，测试参数与测定频率见表5-1。运行采用恒通量运行，根据第四章临界通量试验的试验结果以及膜生产厂家2提供的运行参数，确定运行膜天膜通量为20L/(m·h)，立升膜运行通量为2215L/(m·h)。经过一周的试运行，最终将膜天膜通量确定为为21L/(m·h)，立升232膜运行通量为12L/(m·h)。污泥浓度保持在12g/L左右，曝气强度为109m/(m·h)。污泥停留时间SRT为6～12d。水力停留时间HRT为6h。膜的清洗方法与临界通量的清洗方法相同。5.1长期运行中TMP的监测当膜生物反应器在恒通量条件下运行时，混合液中的颗粒物质混沉积在没表面造成膜污染，而其中溶解性大分子物质形成的凝胶层对膜污染的贡献较大，使得膜操作阻力TMP不断增大，也就是说TMP的变化可以较直观的反映膜污染状46 第五章长期运行影响因素研究况。本试验中通过观测TMP的变化，来考察膜的污染状况。表5-1混合液性质指标、测定方法及频率研究项目分析方法及仪器测定频率MLSS《水和废水监测分析方法》日上清液总有机物组成性质[68]胶体有机物Bouhabila报道半周溶解性有机物浓度过滤性清华大学膜中心过滤性测试方法周功能性质黏度BrookField黏度仪，DV-1半周SVI《水和废水监测分析方法》周ζ电位BrookHeavenzeta电位仪周结构性质粒径分布马尔文粒度仪，2601LC周环境指标温度温度计日如下图5-1和图5-2所示，每个波峰后面相邻的波谷为膜的清洗使TMP下降所致。波谷到与之相邻的下一个波峰表示测定膜污染的一个运行周期，在图中可以看出在前几个周期出现膜污染在运行周期中段污染速度变缓的情况，这是因为长期运行中污泥浓度不断提高，初期试验每次在运行周期中部放泥，使得污泥浓度不够稳定。在后面的两周期每日放泥一次，该现象明显改观，膜污染呈现均匀增长的情况。在长期试验的第65d放入载体，第76d出现TMP值突然增高现象，这是因为降雨使室外沉淀池内污泥上浮，进水管堵塞，使液位下降，污泥浓度过高所致。第88d时出现断点，这是因为，鼓风机出现故障，所以停止运行一天。而立升膜在第4和第5个周期出现的断点时因为TMP值过高，为防止抽吸压力过大会对膜丝造成损坏而停止运行的缘故。5.2混合液性质研究5.2.1上清液总有机物、胶体有机物、溶解性有机物浓度经许多学者研究证明，膜通量反比于溶解性有机物浓度，尤其是污泥内源呼吸和细胞解体过程中产生的微生物产物的浓度升高，会极大降低膜通量。从多份对凝胶层和泥饼层阻力的研究报道中可以看出，作者通过对实验数据的总结，认为将MBR用于处理常规生活污水的系统中时，凝胶层对膜表面污染层的降低起到了很大的阻力作用，也就是说相比较于悬浮污泥物质，溶解性有机物质和胶体47 第五章长期运行影响因素研究物质对膜污染的影响会更大。当混合液中溶解性物质浓度过高时，MBR经过处理形成凝胶层，还会导致膜孔堵塞，泥饼层内控道也会被阻塞，引起膜过滤阻力的大幅提高。本研究将上清液有机物分为胶体有机物和溶解性有机物两部分进行[68]分析。具体方法根据Bouhabila的报道。取污泥上清液，测定上清液总有机物4035302520TMP(kPa)1510未投加摇动载体投加摇动载体50020406080100120天数(d)图5-1膜天膜TMP随时间的变化60504030TMP(kPa)20未投加摇动载体投加摇动载体100020406080100120天数(d)图5-2立升膜TMP随时间的变化浓度(totalorganiccarbon，TOC)，以及上清液溶解性有机物浓度(dissolvedorganiccarbon，DOC)。TOC和DOC之差则为胶体有机物浓度(colloidalorganiccarbon，COC)。如图5-3所示，在该项指标测定的50d之后，试验进入安装载体阶段。可以看出，总有机物含量(TOC)和溶解性有机物含量(DOC)的变化趋势基本相同，这两项指标主要反映进水水质指标的情况，并且对于膜污染有着较大的贡献。胶体有机物含量(COC)主要与污泥的活性有关，图中COC值一直比较稳定，这也在一定程度上反映了污泥的活性在试验过程中比较稳定。在投加载体之后TOC与COC值在总体上有所下降，由于TOC和COC是膜污染的主要因素。所以这一48 第五章长期运行影响因素研究结果与TMP试验中得出的加入载体之后膜污染减缓这一结论是一致的。100TOC80DOCCOC60(mg/L)40浓度200020406080100120时间(d)图5-3上清夜总机物、胶体有机物、溶解性有机物浓度随时间的变化5.2.2过滤性膜污染直接影响膜阻力，所以通常用污染阻力来表征膜的污染。因此混合液在进行膜过滤过程中膜污染发生的快慢可以由膜阻力上升速率来表征，作为过滤性评价指标进行量化分析。在对混合液样品过滤过程中，测定膜阻力的上升速率。根据膜阻力上升的速率，能够直接反映出该样品引起膜污染发生快慢的能力既该混合液样品的致污能力。这个能力实际上表征了混合液进行膜过滤时的难易程度，即可称为混合液膜过滤性。测过滤性的试验装置如图5-4所示，该抽滤装置有效容积约为3L，内置一2个过滤面积为0.033m的束状聚乙烯中空纤维膜组件（膜孔径为0.4μm）。膜组3件下面放有曝气头进行曝气，曝气量为0.4m/h，以提供一定的膜面错流流速来2减缓污泥层在膜面的沉积。试验过程通常采用恒通量过滤，通量为36Lm/h。混合液经过膜的过滤作用由出水泵抽吸出水。膜出水仍返回到抽滤装置中，采用连续进水方式，通过读取水柱或水银柱高度计算膜过滤压差（压差较小时用水柱压差计；压差超过水柱测量范围改用水银柱压差计）。49 第五章长期运行影响因素研究图5-4过滤性测定试验装置示意图具体测试方法是往抽滤装置中倒入3L清水，用清洁的膜进行抽滤，调整出水泵的转速，使其流量为19.8mL/min，稳定运行5min左右，记录水柱或水银柱的高度，同时用量筒取历时60s的累计出水量测其流量。最后通过计算得到膜的自身阻力Rm。保持出水泵的流量不变，对混合液进行30min左右的抽滤，从开始每隔2min记录一次水柱或水银柱的高度，在第4min、第14min、第24min时分别测其流量以分别作为0～10min、10～20min、20～30min的流量，最后通过计算得膜过滤阻力Rf。选用系统出水流量Q(mL/min)作为膜通量J(m/s)的可观测量，二者之间的关系可用式(5-1)计算:J=Q(mL/min)/(Am×60×1000000)(5-1)22式中Am—过滤膜面积，m，本试验中Am=0.033m-1根据标准的Darcy定律过滤模型，Rf(m)可求得式(5-2)：Rf=TMP/(J×μ)-Rm(5-2)式中TMP—抽滤t时的膜过滤压差，kPa；J—抽滤t时的膜通量J，m/s；μ—过滤液粘度，MPa·s；-1Rm—清洁膜的过滤阻力，m，可通过清洗后的清洁膜进行清水抽滤试验求得。根据试验发现过滤阻力R在30min内会逐渐增大，30分钟之后由于膜表面泥饼层脱落会出现过滤阻力出现波动的现象，所以试验在过滤阻力出现下降时即停止。采用直线的斜率——过滤阻力的上升速率KR来表征混合液的过滤性。KR值越大，混合液膜过滤性越差，越易引起膜污染。如果在测试过程中过滤阻力R成非线性上升，则用最大阻力减去起始阻力的差值△R除以最大阻力出现的时间，得出的结果来代替KR。如图5-5所示，为未放入载体时的过滤性测试结果。50 第五章长期运行影响因素研究120100)80-1m-3604月11日R(105月12日405月15日205月19日5月26日0051015202530时间(min)图5-5未投加载体时过滤性测试结果如图所示，在未放入摇动载体阶段，污泥过滤阻力的上升斜率KR值在3.4223到4.9945之间不等。数值基本稳定在4.8左右，第一次测定KR值较低，可能是因为污泥性质尚未稳定所至。如图5-6所示，为放入载体时的过滤性测试结果。观察放入载体的过滤性测试结果可以看出，污泥过滤阻力的上升斜率KR值在2.6152到3.9775之间不等。因为污泥浓度较高，有些过滤阻力测试结果不是均匀上升，而是在初期均匀上升，然后在过滤中后期出现污泥过滤阻力突然快速增长的现象。形成一明显的拐点，造成斜率突然变化。此时再用一条直线来线型拟何KR，则该直线不能反映过滤阻力R随时间逐渐增大的过程。但是为了与未投加载体的过滤性测试进行对比，用最大阻力减去起始阻力的差值△R除以最大阻力出现的时间，得出的结果来代替KR。只是此值表征的是在一段时间内，混合液过滤阻力，而不能反映过滤阻力随时间延长而增大的过程。51 第五章长期运行影响因素研究1006月8日806月15日6月24日)7月3日-1607月9日m-37月16日407月30日R(10200051015202530时间(min)图5-6投加载体后过滤性测试结果将不同日期所测的污泥过滤KR值和该点的浓度一起，与按时间排列的测量次序进行比较，如下图5-7所示，在第6个测量点之后是放入载体的试验阶段，KR值的变化与污泥浓度的变化规律基本相同。即混合液浓度与混合液过滤性是正相关的，在其他条件不变的情况下，污泥浓度越高过滤性越差，污泥浓度越低，过滤性越好。这与文献中的结论是一致的。从图中还可以发现，在试验后期放入载体之后，粘度值有明显的下降，但此时污泥浓度与试验初期相比并无明显变化。可以说明，在放入载体之后，混合液粘度值总体上的下降与浓度变化无关。将不同日期所测的污泥过滤KR值和该点的粘度一起，与按时间排列的测量次序进行比较，如下图5-8所示，在第6个测量点之后是放入载体的试验阶段，可以发现，在放入载体之后，KR值总体上明显减小，而且波动幅度减小，更为稳定。这表示在放入载体之后，混合液的过滤性能有所改善，即使膜污染的发生和发展更加缓慢，这一结果与TMP试验中得出的加入载体之后膜污染减缓这一结论是一致的。混合液的粘度总体上也有所下降，并且在后期也比较稳定。在图中还可以发现，在放入在体之后，KR值和粘度均相对稳定的情况下，KR值与粘度之间呈现反相关性。52 第五章长期运行影响因素研究61614512410值38(g/L)KR62浓度4KR值1浓度200020406080100120时间(d)图5-7KR值与浓度随时间的变化68070560450值340KR(mPa.s)30度2粘201KR值10粘度值00020406080100120时间(d)图5-8KR值与粘度随时间的变化5.2.3粒径分布一般认为，粒径小的粒子易沉积在膜表面造成膜污染，其中尤以粒径为0.01mm的颗粒最易发生沉积。相较于小粒径的粒子而言，粒径大的污泥絮体在过滤过程中会在滤饼层中形成较大的空隙，导致形成的污染层阻力较小。所以，以絮体尺寸作为判断标准，絮体尺寸越小，向膜面净迁移速度就会越大，就越易在膜面沉积。采用马尔文粒度仪来测试混合液中污泥颗粒的粒径分布。如图5-9和图5-10所示，除第一次试验粒径出现较大值外，在试验的过程中，污泥的粒径总体上是随着时间的延长而增大的。在试验进入6月，也就是放入载体之后，污泥的体积平均径D(4.3)（是指与该颗粒群的颗粒形状相同，颗粒相同，总体积相同，粒度均匀的一个假想颗粒群的粒度）大于无载体的情况。随着污泥的粒径增大，易致膜污染污颗粒的含量随之降低，减缓了膜污染。53 第五章长期运行影响因素研究104月16日4月23日95月7日5月14日85月21日5月28日76月4日6月11日)％66月18日6月25日(7月2日7月9日5分数4积百3体210050100150200250污泥粒径(µm)图5-9不同日期污泥混合的粒径分布情况60m)µ(40经均平20积体0020406080100时间(d)图5-10污泥体积平均径随时间的变化5.2.4Zeta电位污水处理系统所需处理对的活性污泥均含有多种微生物，细菌占其中的大部分。相对于其他生物细胞，细菌具有独特的细胞壁结构，其由肽聚糖及其它多糖、壁酸、蛋白质、粘多糖等成分构成细胞壁骨架。不同细菌的细胞壁具有各种功能，同时细菌细胞壁这些化学成分也决定了细菌表面带有负电荷，而污水中活性污泥颗粒表面也带有负电荷，在电场作用下发生电泳现象，产生的Zeta电位。由此可见，Zeta电位值正比于带电微粒电泳速度，而带电颗粒的电泳速度又正比于带电量。可以推断出，Zeta电位值正比于微粒所带电荷量，因此能够通过测量细菌Zeta电位值的大小推断细菌所带电荷的量。大部分学者认为：正常情况下，稳定的胶体不易对膜造成污染，只有当混合液中胶体失稳，失稳胶体才会沉积在膜表面上造成膜污染。但还有其他观点支出，54 第五章长期运行影响因素研究胶体失稳絮凝，实际上会降低上清液胶体物质浓度，并形成颗粒矾花增大颗粒粒径，有可能起到减缓膜污染的作用。本试验将对胶体稳定性与膜污染之间的关系进行分析。采用BrookHeavenZeta电位仪测试溶液的ζ电位来反映胶体的稳定性，测试结果如图5-11所示。0-10(mV)位电-20-30020406080100时间(d)图5-11污泥颗粒Zeta电位随时间的变化如图所示污泥表面的Zeta电位值从-6.07到-19.19mV之间不等，但是Zeta电位值随时间的延长没有明显的规律。5.2.5载体挂载生物量在试验结束之后将要动载体提出MBR反应器，观察摇动载体表面特征如图5-12所示，摇动载体表面覆盖了一层污泥层，而且在与水流方向垂直的水平断面中，每根摇动载体的污泥挂载量较均匀。载体顶端和下底部的泥层较厚，中部较薄，顶端污泥内层为黑色，外层为褐色，并且外层颜色随着入水深度的增加而加深，载体的中部和底部均为黑色。55 第五章长期运行影响因素研究(a)(b)图5-12挂泥前后的摇动载体比较(a)挂泥之前(b)挂泥之后由于水平面内挂载污泥分布比较均匀，就将其中一根摇动载体裁剪成若干小段分析不同深度的挂载量情况。由于载体表面粗糙，表面积难以计算，使用单位长度的挂载量来衡量和比较不同段的污泥挂载情况，如图5-13所示，可以看出摇动载体的污泥挂载量随着水深度的增加呈现先减小后增大的规律。将做得到得拟合曲线的方程在水深0.4-1.9m的范围内积分，可得出单根载体上的微生物挂载量为23.3g/L。假设微生物挂在量在水平断面上均匀分布，可以得出挂载在载体上的生物总量约为1kg，约占MBR反应器内总微生物含量的1/20。提高了反应器内的污泥负荷，从而提高了MBR的处理效率。由污泥的颜色变化可以知道，在摇动载体顶部的外层为好氧层，内层为厌氧层，但是由于降流区混合液含氧量随着水深而减小，使得好氧层不断变薄直至消失。在载体中部混合液含氧量下降，好样微生物无发生长，此时附着在载体表面的是兼性厌氧微生物。随着水深的增加，混合液含氧量继续下降，此时厌氧微生物大量繁殖并在载体表面附着，形成致密的黑色挂载层。56 第五章长期运行影响因素研究206543y=97.533x-682.84x+1896.4x-2654.1x(g/m)16+1979.1x2-766.2x+136.072载量R=0.991312挂物生8长度4位单00.40.91.41.9距水面距离(m)图5-13挂载量随深度的变化5.2.6其它常规监测数据（1）MLSS、MLVSS混合液悬浮固体(MLSS)表示的是生长反应器内混合液中的微生物、废水中的有机物和无机物等活性污泥的浓度，单位为mg/L。混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)表示的是混合液悬浮固体中活性污泥有机固体物质的浓度（通常用600℃下的烧灼减量来测定），单位为mg/L。MLVSS相比较于MLSS，能够相对更加确切地表示出污泥中活性部分地质量。而在实际工程应用上，MLVSS也是废水处理厂中常用指标之一。虽然MLSS和MLVSS两者均描述地是活性污泥中微生物地相对值，然而针对单个处理系统来说，MLSS和MLVSS均与活性污泥微生物之间具有相对稳定地关系，且两个指标都容易测量，所以两者均为现实中比较常用的污泥分析指标。由于MBR反应器在高污泥浓度下工作的特性，本试验需要将污泥浓度控制在12g/L左右。（2）黏度黏度是混合液的流变特性，反映了流体抗拒流动的程度，即流体流动的内部阻力。很多研究结论显示，黏度对膜污染的影响极大。部分研究人员指出，当活性污泥浓度很高时，混合液黏度会急速上升，导致膜污染急剧增重。本试验采用BrookFieldDV-1型黏度仪来测试混合液的黏度。如下图5-14所示，反应了粘度和浓度随时间的变化关系，从图中可以看出，运用排泥手段，可将污泥浓度控制在12g/L，所以污泥浓度随时间的延长一直比较稳定。污泥的粘度随着时间变化的波动较大，但是在第65天放入载体之后，粘度值在整体上明显下降。57 第五章长期运行影响因素研究805070粘度浓度40605030(g/L)40(mPa.s)度20浓度30粘2010100003060天数90120图5-14浓度与粘度随时间变化（3）污泥沉降指数(SVI)目前还没有研究证明SVI对于膜污染的影响。但是SVI值与污泥的浓度以及污泥的粒径分布是密切相关的，能较好地反映出活性污泥的松散程度和凝聚沉降性能。但本试验中污泥沉降性在整个试验过程中，绝大多数情况下，污泥静置30分钟内不沉降。这与清河污水处理厂不设初沉池的污水处理工艺有关，使得污泥中毛发等纤维状杂质较多，不利于污泥沉降。同时MBR工艺本身在高污泥浓度下运行的特性会产生较高的污泥粘度，这也是污泥沉降性差的原因。（4）生物相组成污泥的生物相实际上是由多种不同的生物构成，每种特点各不相同。不同微生物自身理化性质的区别决定其在膜表面形成的泥饼层结构也有所不同。这些区别导致外在过滤条件下相同的情况下，不同生物相的过滤阻力也不相同。当活性污泥处于较成熟的状态时，污泥絮体大而密实，混合液过滤性好。若生物相中轮虫占据优势，则污泥絮体会被的轮虫咬碎，絮体无法成型会导致膜表面形成的泥饼层结构松散，容易密实，严重降低透水性，使得膜阻力快速增长。还有研究发现丝状菌污泥膨胀会加剧中空纤维膜污染，丝状菌大量生长时，TMP上升快速上升，过滤周期缩短。这主要与丝状菌在膜表面穿透附着和污泥膨胀引起的混合液粘度升高有关，本试验采用日本Nikon光学显微镜观察。经过观察发现在整个试验过程中反应器中均含有大量的丝状菌，这与反应器的进水水质有关。除丝状菌外，实验初期反映其中存在数量较多的游泳型纤毛虫，以及少量累枝虫。随着实验的进行，累枝虫逐渐占据了优势地位。在加入摇动载体后10d左右，污泥絮体体积明显增大。试验最后阶段发现少量后生动物。58 第五章长期运行影响因素研究5.3小结TMP是膜污染状况比较直观的反应。在放入载体之后，膜天膜和立升膜的TMP值更加稳定，而且每个清洗周期的最高TMP值也有所减小。这表明，在放入载体后，膜的污染状况有所缓解。由此可知：投加摇动载体确实可起到减缓膜污染的作用。由于投加摇动载体并不能改变膜本身的性质，所以摇动载体只能通过改善混合液过滤性等途径对膜污染产生影响。由实验结果可知，KR值总体上明显减小，而且波动幅度减小，更为稳定。这表示投加摇动载体对膜污染的减缓作用是通过改善混合液的过滤性能实现的。本章实验结果说明，投加摇动载体对于混合液过滤性改善的机理主要有两方面：（1）TOC和COC是膜污染的主要因素，对于膜表面凝胶层的形成有重要作用。在投加载体之后，有大量的厌氧微生物与耗氧微生物附着在摇动载体表面，在混合液浓度不变的情况下，增加了反应器内所含微生物的总量，提高了反应效率，能够更快地分解有机物，使得混合液中有机物的含量在总体上有所下降。反映在实验结果上就是TOC与COC值在总体上有所下降。（2）粒径小于10μm的污泥颗粒最易造成膜表面的污染。对于膜表面泥饼层的形成有重要作用。放入载体之后，污泥的粒径高于未放入载体的情况。这是由于在反应器中放入摇动载体后，摇动载体的表面会附着一层生物膜，并且生物膜的厚度会不断增加，但是厚度增加的同时生物膜也不断老化，容易脱落，而摇动载体的摇动特性加速了生物膜的脱落，而后再形成新的生物膜，如此循环。这一循环的结果就是细小的污泥颗粒不断转化为体积更大的脱落层。同时摇动载体可以在竖向水力冲刷下形成旋流，在升流区里的旋流，能够防止水力湍流打散已经形成的团状污泥，有利于形成大粒径污泥颗粒。污泥的粒径增大，使得易致污颗粒的含量降低，起到了减缓膜污染的作用。59 第六章结论与建议第六章结论与建议6.1结论（1）临界通量的范围曲线可以把整个膜通量区域划分为三个操作区域：超临界区、临界区以及次临界区，可作为膜生物反应器运行时膜通量选择的一个依据。（2）随曝气强度增加，气、水二相流的紊动性不断增大。在同一个污泥浓度下，临界通量随曝气强的增大而增加，曝气强度越大，其对应的临界通量越大。32（3）污泥浓度在1～15g/L范围内，当曝气强度为109m/(m·h)时，临界通量随污泥浓度的增大而减小。（4）在放入载体之后，膜天膜和立升膜的TMP值更加稳定，而且每个清洗周期的最高TMP值也有所减小。这表明，在放入载体后，膜的污染状况有所缓解。（5）在放入载体之后，KR值总体上明显减小，而且波动幅度减小，更为稳定。这表示在放入载体之后，混合液的过滤性能有所改善，即膜污染的发生和发展更加缓慢。（6）TOC和COC是膜污染的主要因素，对于膜表面凝胶层的形成有重要作用。在投加载体之后，有大量的厌氧微生物与耗氧微生物附着在摇动载体表面，在混合液浓度不变的情况下，增加了反应器内所含微生物的总量，提高了反应效率，使得混合液中有机物的含量在总体上有所下降。反映在实验结果上就是TOC与COC值在总体上有所下降。（7）放入载体之后，污泥的粒径高于未放入载体的情况。而摇动载体的摇动特性加速了生物膜的脱落，而后再形成新的生物膜，使细小的污泥颗粒不断转化为体积更大的脱落层。同时摇动载体可以在竖向水力冲刷下形成旋流，能够防止水力湍流打散已经形成的团状污泥，有利于形成大粒径污泥颗粒。污泥的粒径增大，使得易致污颗粒的含量降低，起到了减缓膜污染的作用。（8）污泥的粘度随着时间变化的波动较大，放入载体之后，粘度值在整体上明显下降。（9）摇动载体顶部挂膜外层为好氧层，随水深的增加，混合液含氧量逐渐减小，使得好氧层不断变薄直至消失。挂在量随水深增加呈现先减小后增大的趋势。（10）污泥表面的Zeta电位值从-6.07mV到-19.19mV之间不等，但是Zeta电位值随时间的延长没有明显的规律。可见投加摇动载体对于混合液Zeta电位60 第六章结论与建议的影响不大。6.2建议（1）本论文研究了摇动载体可以影响的混合液性质指标，而各指标之间的相互作用还需要运用新的监测手段予以研究。（2）实验用膜性质差异较大，建议在进行同类实验时，将实验用膜的规格标准化，使得实验结果更具代表性。（3）MBR长期运行实验为期4个月，进行对比的两个周期的环境温度有所变化，对实验结果产生影响，建议补充更为长期的对比实验，每个周期至少一年，以进一步消减温度及其他环境因素的变化产生的误差。（4）在膜的清洗过程中，曾经尝试用气反洗，结果发现尽管两种膜的材质都是PVDF，名义孔径也都在0.2μm左右。但在反洗时膜天膜有气泡从膜丝中渗出，而立升膜则没有气泡，这应该与两种膜的微观构造有关。膜的透气性应该与膜的起始TMP和运行TMP存在某种关联，建议进行相关的系统试验。61 参考文献参考文献[1]SmithCV,GregorioDO,TalcottRM.Theuseofultrafiltrationmembranesforthactivatedsludgeseparation[C]Proceedingsofthe24AnnualPurdueIndustrialWasteConference[A].WestLafayeette,Indiana,USA,1969.[2]WintgensT,RosenJ,MelinT,etal.Modellingofamembranebioreactorsystemformunicipalwastewatertreatment[J].JournalofMembraneScience,2003,216(1-2):55-65.[3]KimuraS.Japan’sAquaRenaissance’90project[J].WaterScienceandTechnology,1989(21):43-54.[4]ChangJ.Membranebioprocessesforthedenitrificationofdrinkingwatersupplies[J].JournalofMembraneScience,1993(8):233-239.[5]UrbainV,BenoitR,etal.Membranebioreactor:anewtreatmenttool[J].JournalofAmericanWaterWorksAssociation,1996,88(5):75-86.[6]LuSG,T.Imai,M.Ukita,etal.Amodelformembranebioreactorprocessbasedontheconceptofformationanddegradationofsolublemicrobialproducts[J].WaterResearch,2001,35(8):2038-2048.[7]NagaokaS,YamanishiA,Miya.Modelingofbiofoulingbyextracellularpolymersinamembraneseparationactivatedsludgesystem[J].WaterScienceandTechnology,1998,38(4-5):497-504.[8]WitzigR,ManzW,SzewzykU,etal.Microbiologicalaspectsofabioreactorwithsubmergedmembranesforaerobictreatmentofmunicipalwastewater[J].WaterResearch,2002(6):394-402.[9]ZhangB,YamamotoK.Flocsizedistributionandbacterialactivitiesinmembraneseparationactivatedsludgeprocessesforsmall-scalewastewatertreatment/reclamation[J].WaterScienceandTechnology,1997,35(6):37-44.[10]ZhangB,YamamotoK.Seasonalchangeofmicrobialpopulationandactivitiesinabuildingwastewaterreusesystemusingamembraneseparationactivatedsludgeprocess[J].WaterScienceandTechnology,1996,34(5-6):295-302.[11]ShimizuY,OkunoY,UryuK,etal.Filtrationcharacteristicsofhollowfibermicrofiltrationmembranesusedinmembranebioreactorfordomesticwastewatertreatment[J].WaterResearch,1996,30(10):2385-2392.[12]WisniewskiC,GrasmickA,LeonCruzA,etal.Criticalparticlesizeinmembranebioreactors:Caseofadenitrifyingbacterialsuspension[J].JournalofMembraneScience,2000,158(1-2):141-150.62 参考文献[13]ChooKH,LeeCH.Effectofanaerobicdigestionbrothcompositiononmembranepermeability[J].WaterScienceandTechnology,1996,34(9):173-179.[14]UedaT,HataK,KikuokaY.Treatmentofdomesticsewagefromruralsettlementsbyamembranebioreactor[J].WaterScienceandTechnology,1996,34(9):189-196.[15]汪诚文,钱易,刘锐.膜-好氧生物反应器处理生活污水的试验研究[J].给水排水,1996,22(12):18-21.[16]樊耀波,王菊思,姜兆春.膜生物反应器净化石油化工污水的研究[J].环境科学学报,1997,17(1):68-74.[17]李春杰,耿琰,周琪,等.SMSBR去除焦化废水中有机物及氮的特性[J].中国给水排水,2001,17(5):6-11.[18]白晓慧,陈英旭.一体式膜生物反应器处理医药化工废水的试验[J].环境污染与防治,2000,22(6):19-21.[19]张立秋,封莉,吕炳南,等.淹没式MBR处理啤酒废水的净化效能[J].环境科学,2004,25(6):117-122.[20]何义亮,李春杰,吴志超,等.厌氧超滤膜生物反应器截留分子量研究[J].中国给水排水,1999,15(9):10-12.[21]韩怀芬,金漫彤.膜生物反应技术处理造纸废水试验[J].水处理技术,2001,27(2):96-98.[22]郑祥,朱小龙,樊耀波.膜生物反应器处理毛纺废水的中试研究[J].环境科学,2001,22(4):91-94.[23]何圣兵,王宝贞,王琳.生物膜—膜生物反应器生活污水的试验研究[J].给水排水,2002,28(11):21-24.[24]桂萍,黄霞,汪成文,等.膜-复合式生物反应器组合系统操作条件及稳定运行特征[J].环境科学,1998,19(2):35-38.[25]张军,王宝贞,张立秋.复合淹没式中空膜生物反应器脱氮除磷效能研究[J].中国给水排水,1999,15(9):13-16.[26]耿琰,周琪,李春杰,等.浸没式膜-SBR反应器去除焦化废水中氨氮的研究[J].工业用水与废水,2002,33(1):24-26.[27]彭若梦,王艳.A/O膜生物反应器处理炼油废水并回用[J].中国给水排水,2002,18(8):78-80.[28]吴志超,顾国维,何义亮,等.高浓度有机废水厌氧膜生物工艺处理的中试研究[J].环境科学学报,2001,21(1):4-38.[29]Fakhru’l-RaziA.Ultrafiltrationmembraneseparationforanaerobicwastewatertreatment[J].WaterScienceandTechnology,1994,30(12):321-327.63 参考文献[30]BaileyAD,HansfordBS,DoldPL.Theuseofcrossflowmicrofiltrationtoenhancetheperformanceofanactivatedsludgereactor[J].WaterResearch,1994,28(1):297-301.[31]CoteP,BuissonH,PoundC,etal.Immersedmembraneactivatedsludgeforthereuseofmunicipalwastewater[J].Desalination,1997,113(2-3):189-196.[32]ChiemchaisriC,YamamotoK.Enhancementofoxygentransferandnitrogenremovalinamembraneseparationbioreactorfordomesticwastewatertreatment[J].WaterScienceandTechnology,2005.51(10):85-92.[33]张军,王宝贞,聂梅生.MBR污水处理与回用工艺的经济分析和评价[J].给水排水,2001,27(6):9-12.[34]陈俊平,杨昌柱,葛守飞,等.膜生物反应器在污水处理过程中的膜污染控制[J].2005,24(3):38-43.[35]BelfortG,MarxB.ArtificialparticulatefoulingofhyperfiltrationmembranesIIAnalysisprotectionfromfouling[J].Desalination,1979(8):13-30.[36]ChooKH,LeeCH.Membranefoulingmechanismsinthemembrane-coupledanaerobicbioreactor[J].WaterResearch,1996,30(8):1771-1780.[37]VandenbergGB.Fluxdeclineinultrafiltrationprocess[J].Desalination,1990(7):101-133.[38]DavisRH.Modelingoffoulingofcrossflowmicrofiltrationmembranes[J].SeparationandPurificationMethods,1992,21(2):75-126.[39]HodgsonPH.Cakeresistanceandsoluterejectioninbacterialmicrofiltration:theroleoftheextracelluarmatrix[J].JournalofMembraneScience,1993(7):35-53.[40]HermiaJ.Constantpressureblockingfiltrationlaws-applicationtopower-lawnon-newtoniafluids[J].TransIchemE,1982(6):183-187.[41]ChooKH,LeeCH.Hydrodynamicbehaviorofanaerobicbiosolidsduringcrossflowfiltrationinthemembraneanaerobicbioreactor[J].WaterResearch,1998,32(11):3387-3397.[42]吴志超,曾萍,顾国维.截留分子量对污水分置式好氧膜生物反应器处理性能的影响[J].膜科学与技术,2001,21(4):21-24.[43]HongSP,BaeTH,TakTM,eral.Foulingcontrolinactivatedsludgesubmergedhollowfibermembranebioreactors[J].Desalination,2002,143(3):219-228.[44]欧志阳,汤兵,王仲旭.膜生物反应器中的膜污染及其防治[J].污染防治技术,2006,9(5):40-43.[45]ZohKD,Stenstrom,MichaelK.Applicationofamembranebioreactorfortreatingexplosivesprocesswastewater[J].WaterResearch,2002,36(4):1018-1024.64 参考文献[46]NagaokaH,UedaS,MiyaA.Influenceofbacterialextracellularpolymersonthemembraneseparationactivatedsludgeprocess[J].WaterScienceandTechnology,1996,34(9):165-172.[47]MagaraY,ItohM.Theeffectofoperationalfactorsonsolid/liquidseparationbyultramembranefiltrationinabiologicaldenitrificationsystemforcollectedhumanexcretatreatmentplants[J].WaterScienceandTechnology,1991(3):1583-1590.[48]HoughtonJI,QuarmbyJ,StephensonT.Municipalwastewatersludgedewaterabilityandthepresenceofmicrobialextracellularpolymer[J].WaterScienceandTechnology,2001,44(2-3):373-379.[49]ShimizuY.Effectofparticlesizedistributionsofactivatedsludgesoncross-flowmicrofiltrationfluxforsubmergedmembranes[J].JournalofFermentandBioengineering,1997,83(6):583-589.[50]MikkelsenLH,KeidingK.Physicalchemicalcharacteristicsoffullscalesewagesludgewithimplicationstodewatering[J].WaterResearch,2002(6):2451-462.[51]ChooKH,LeeCH.Membranefoulingmechanismsinthemembranecoupledanaerobicbioreactor[J].WaterResearch,1996,30(8):1771-780.[52]ChoiGB,BaeTH,TakTMRandallAA.Thebehaviorofmembranefoulinginitiationonthecross-flowmembranebioreactorsystem[J].JournalofMembraneScience,2002,203(1-2):103-113.[53]KangIJ,LeeCH,KimKJ.Characteristicsofmicrofiltrationmembranesinamembranecoupledsequencingbatchreactorsystem[J].WaterResearch,2003,37(5):1192-1197.[54]OgnierSA,WisniewskiCA,GrasmickA.Characterizationandmodellingoffoulinginmembranebioreactors[J].Desalination,2002,146(1-3):141-147.[55]LeeW,KangS,ShinH.Sludgecharacteristicsandtheircontributiontomicrofiltrationinsubmergedmembranebioreactors[J].JournalofMembraneScience,2003,216(1-2):217-227.[56]HanS.S,BaeTH,JangG,etal.Influenceofsludgeretentiontimeonmembranefoulingandbioactivitiesinmembranebioreactorsystem[J].ProcessBiochemistry,2005,40(7):2393-2400.[57]WangY,HuangX,SunY,etal.Influenceoffilamentousbulkingonmembranefoulinginmembranebioreactor[J].WaterEnvironment-MembraneTechnology,2004(10):7-10.[58]ChangIS,KimSN.WastewaterTreatmentUsingMembraneFiltration-effectofBiosolidsConcentrationonCakeResistance[J].ProcessBiochemistry,2005(4):1307-1314.65 参考文献[59]DefranceL,JaffrinMY.ReversibilityofFoulingFormedinActivatedSludgeFiltration[J].JournalofMembraneScience,1999,157(1):73-84.[60]环国兰.膜污染分析及防治[J].水处理技术,2003,4-7.[61]付婉霞,李蕾.膜生物反应器中膜的清洗方法和机理研究[J].环境污染治理技术与设备,2004,5(8):43-46.[62]迪莉拜尔·苏力坦,莫罹,黄霞.PAC-MBR组合工艺中膜污染及清洗方法的研究[J].给水排水,2003,29(5):1-4.[63]汪晓军,张洁敏,何翠萍.表面亲水性塑料填料在好氧处理中的应用[J].上海环境科学,2003,22(4):269-271.[64]孙华,张菊萍.投加悬浮填料改善活性污泥法处理性能的试验研究[J].重庆环境科学,2001,23(6):37-40.[65]汪晓军,罗芳旭,何翠萍,等.亲水性塑料弹性填料生物膜法处理模拟废水的研究[J].环境污染治理技术与设备,2003,4(4):31-34.[66]魏春海.一体式膜生物反应器水力学与在线清洗的膜污染控制[D].北京:清华大学,2006.[67]吴金玲.膜生物反应器混合液性质及其对膜污染影响和调控研究[D].北京:清华大学,2006.[68]BouhabilaE,BenAimR,BuissonH.Foulingcharacterisationinmembranebioreactor[J].SeparationandPurificationTehnology,2001,22(1-3):123-132.66 致谢致谢本论文的工作是在我的导师邢国平教授的悉心指导下完成的，邢国平教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，为了指导我的毕业论文，他放弃了自己的休息时间，这种无私奉献的精神令我钦佩，在此我向邢国平老师表示诚挚的谢意。在撰写论文期间，天津泰达水业有限公司的何凤华高工对于我的论文提出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感谢。67 Ｉ、吁．．Ｉ＿．’．—Ｉ－．．ｒ－ｓ＇ｒｔ＊■＇Ｉ？１天津大学工程硕±学位论文ｍｍ＊２５１３２１４０６２＊－ＩＭｉ
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