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膜生物反应器中分阶段污染模式的研究
来源: | 作者: | 发布时间: 2021-02-04 | 717 次浏览 | 分享到:

  Multistage fouling patterns in membrane bioreactor Jia Hui -一,Wang Jie 一,Wu Yun ,Zhang Yan (1.School ofMaterial Science and Chemical Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China; 2.Key Laboratory ofHollow Fiber ofMembrane Material and Membrane Process ofthe Department ofEducation, TianjinPolytechnic University,Tianjin 300160,China) Abstract:In the membrane bioreactor(MBR),membrane fouling is characterized by muhistage patterns.Based on the fouling theory of gel layer adhering and cake layer covering which derives is a dynamic process and the theory of fouling layer structure which is a static process,it is supposed that describing the two-step fouling characters of MBR by fouling layer constrnction-critical flux breaking can reflect its internal forming causes better.According to the in- ternal relation and characters of transfer membrane pressure(TMP)and membrane fouling development trend,the cake layer construction period model is established.Combining with the experience of treating municipal wastewater by MBR,the effect of the running conditions on the fouling layer construction is analyzed by orthogonal level analysis. The results show that a period of fouling layer construction is 5 to 1 2 d.It is necessary to use proper cleaning measure properly.The order of the affecting degree of the operational parameters on the fouling layer construction period of membrane fouling should be:air-to-water ratio,sludge concentration and on/off ratio. Key words:membrane fouling;membrane bioreactor(MBR);membrane cleaning

 

  了解膜生物反应器(MBR)中膜污染的形成机 理和发展特点是寻找最佳膜污染控制措施的前提。 许多研究发现,MBR中膜污染的发展进程可分为不 同阶段。T.H.Bae等n]通过观察恒压操作下MBR的 膜污染发展特点。认为膜表面经历了溶解性微生物 产物沉积、污泥颗粒沉积和饼层黏附一脱落平衡3 个阶段,提出了“3阶段”膜污染发展模式。S.Ognier 等~2-5 3在恒通量操作条件下,观察并总结了MBR膜 面污染层的发育特点.均认为在次临界通量运行状 态下膜污染会呈现出“缓慢积累”和“急速发展”两个 发展阶段。J.Zhang等( 则根据其研究,提出了“初期 吸附”、“稳定发育”和“快速污染”3种污染方式和阶 段性变化的特点。

  虽然前述研究中对膜污染分阶段的特点都从不 同角度进行了阐述,但目前对于如何将MBR中膜 污染阶段化发展的特征及内部成因与MBR膜污染 控制的工程实践相互衔接的研究还比较少。笔者力 求在对现有研究成果综合分析的基础上。找出膜污 染阶段特征与控制措施的结合点.并对可能影响污 染阶段转化的因素进行评价.以期指导运行工况的 设定及污染控制方式的选择。

  1分阶段污染模式的理论分析 综合国内外对膜污染分阶段现象的研究成果, 可以发现以下一些共同特点:首先。运行均处于次临 界通量操作模式下,这是因为分阶段污染模式是建 立在临界通量理论之上的。一旦运行通量超过临界 通量,膜污染便进人急速发育状态,失去了阶段性的 特征。其次,膜污染阶段性的特点主要体现在污染 速度的变化上,初期污染较为缓慢,而后期的污染快 速。再次,各膜污染阶段周期的长短主要受运行条 件和环境的影响,如操作通量、清洗方式和频率、污 泥混合液的性质及粒径分布状态等。

  B.D.Cho等门州通过研究发现,MBR中膜初期 污染以膜孔堵塞和凝胶层污染为主.膜污染进程缓 慢,优势污染物质为胶体、微生物代谢产物(SMP)、 胞外多聚物(EPS)等,其污染方式包括黏附、电荷作 用、孔内阻塞等:而后期污染则是由于前期膜污染的 积累导致局部点通量超过临界通量.造成以颗粒沉 积污染为主。大量的颗粒沉积进而转变为泥饼层, 宏观上表现为操作压力的迅速升高。从而形成了 “凝胶层黏附一泥饼层覆盖”的二阶段污染模型。这 种污染模式侧重于将污染阶段以不同的污染层来划 分.如图1。

  最近的研究将激光共聚焦扫描显微镜(CLSM) 和数字影像解析技术引入对膜污染的分析中,对膜 面污染层的发育特点及内部结构有了更深入的认 识 “)。U.Metzger等(挖]通过对污染层三维空间结 构的研究发现,与污染层的厚度相比,污染层空隙 率是决定膜通量的首要因素.其大小变化与膜污染 直接关联。U.Metzger等认为可将膜面的污染层划 分为三个层次:最外层的膜阻力最小.多孑L结构明 显,透水能力较强;中间层较外层膜阻力升高,空隙 率降低,呈凝胶态;底污染层紧密覆盖于膜表面,结 构密实,空隙率低,透水能力最小。

  从上述研究可以看出.“凝胶层黏附一泥饼层覆 盖”污染理论着眼于膜外部污染状态的变化.强调不 同阶段膜污染变化的动态划分;而U.Metzger等的 研究则关注的是膜污染的形成内因,实际上是对膜 污染层形成后的静态分析。笔者发现,“凝胶层黏 附一泥饼层覆盖”虽然认为泥饼层覆盖阶段导致膜 污染的突变,但其内因是局部膜污染加剧,点临界通 量被打破所致,这个过程中必然伴随污染物质的“内 移”和膜污染层的密实加厚行为,这与U.Metzger等 的观点是相符的.同时也与S.Ognier等提出膜污染 的“缓慢积累一急速发展”的两阶段模型相类似[2]。 无论是“凝胶层黏附一泥饼层覆盖”模式还是 “缓慢积累一急速发展”模式均体现了MBR中膜面 污染层阶段变化的特点.但从膜污染控制角度,这两 种模式的描述方式还不足以体现膜污染阶段性变化 的本质。尤其不能体现膜污染发展由“缓慢”到“快 速”的内在原因。所以为了更好地体现膜污染这一由 量变到质变的过程,综合前文分析,笔者认为以“污 染层构建一临界通量打破”来描述二阶段的特征更 为恰当:污染层构建为膜污染发展缓慢阶段,这一阶 段多层膜污染结构初步形成,空隙率高,膜通量大, 不可逆污染比例较低;进入第二阶段,膜污染层在过 膜推动力的作用下,结构加厚,空隙率降低,局部点 通量被打破.导致膜污染从量变到质变的变化,此时

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[附件:膜生物反应器中分阶段污染模式的研究.rar]

 

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