錯流過濾活性污泥過程中膜污染的研究

王 勇，劉 鷹，宋永輝，沈加正，華耀祖

(1.南京大學 污染控制與資源化國家重點實驗室，江蘇 南京 210046;2.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071)

錯流過濾活性污泥過程中膜污染的研究

王 勇1，劉 鷹2，宋永輝1，沈加正2，華耀祖1

(1.南京大學 污染控制與資源化國家重點實驗室，江蘇 南京 210046;2.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071)

采用通量階式遞增法對自制未改性濾膜用于膜生物反應器時的臨界通量進行了測定。實驗結果表明該膜生物反應器的臨界通量為23.8 L/(m2·h)。在低于臨界通量的條件下，對膜過濾活性污泥的污染行為進行了研究，通過模型計算，得出膜通量的衰減同時符合膜阻力模型、孔堵塞阻力模型和濾餅層阻力模型。對運行后過濾阻力分布進行分析，結果表明濾餅層阻力和孔堵塞阻力是過濾阻力的主要組成部分，分別占到過濾阻力的36.64%和61.96%，而膜阻力僅占1.40%。

膜生物反應器;臨界通量;錯流過濾;膜污染;模型;活性污泥;廢水處理

膜污染是壓力驅動型膜工藝處理效果的主要影響因素之一。膜污染發生時會引起膜過濾阻力的上升，在恒壓下過濾操作時會導致膜通量下降，在恒通量過濾時會導致跨膜壓差(TMP)的增長。在膜表面會發生不同機制的污染，如大分子吸附、孔堵塞、濾餅層堆積。由于活性污泥由大量的微生物和可溶性膠體物質構成，懸浮固體濃度和胞外聚合物濃度會隨著操作條件的變化而改變。

膜污染分為由濾餅引起的可去除污染、因孔堵塞造成的不可去除污染和不可逆污染［1］。污染顆粒物的尺寸小于膜孔徑，則可能引起孔堵塞;大于膜孔徑，可能附著到膜表面形成濾餅層。此外，一些頑固性的溶解性溶質嵌入到膜骨架上則可能形成不可逆污染。影響膜污染的因素主要有膜材質、操作條件和混合液的性質［2］。Li等［3］和 Wang等［4］認為，操作通量是影響膜污染的最主要因素。

Moshe等［5］將膜污染的機制歸為內部污染和外部污染。內部污染指由于可利用的膜孔面積減少或者開放孔的數量減少導致膜通量下降;外部污染則指由于膠體性物質附著在膜表面形成濾餅層，增大了水力阻力，導致膜通量下降。Xu等［6］報道，在微濾和超濾中，廢水中的可溶性溶質吸附、聚集到膜上，導致膜污染。

本工作通過理論模型的計算進行定量分析，采用通量階式遞增法測定自制聚醚砜平板膜的臨界通量，研究通量衰減規律，進而確定膜污染的類型。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚醚砜平板膜:采用相轉化法自制，表面未改性，編號091015C，孔徑0.3μm，有效過濾面積0.025 2 m2。實驗用模擬廢水(質量濃度，mg/L):葡萄糖522.5，(NH4)2SO4188.5，Na2CO3207.5，KH2PO435.0，蛋白胨100.0，豆奶粉50.0。實驗用活性污泥取自南京某污水處理廠的曝氣池，MLSS為6 000～12 000 mg/L。

1.2 實驗裝置及方法

實驗裝置為浸沒式膜生物反應器，有效容積14 L，膜組件為平板膜組件，下設曝氣管，提供氣體沖刷膜面的動力和微生物所需要的氧氣。模擬廢水經平板膜錯流過濾后由蠕動泵負壓抽吸后出水。每15 min增加蠕動泵轉速1 r/min。通過逐步增加蠕動泵的轉速，逐漸增大TMP。每間隔一定時間，測量出水體積，計算膜通量。當TMP超過50 kPa時，膜污染嚴重，終止實驗對膜進行清洗。

2 結果與討論

2.1 膜通量與TMP的關系

膜通量與TMP的關系見圖1。

圖1 膜通量與TMP的關系

由圖1可見:當膜通量低于16.5 L/(m2·h)時，TMP穩定在較低的值，小于2 kPa;當控制膜通量低于23.8 L/(m2·h)時，TMP仍較低，變化不大;當膜通量由23.8 L/(m2·h)升至30.7 L/ (m2·h)時，TMP急速上升;繼續提高蠕動泵轉速，TMP繼續增大，膜通量不僅沒有增加，反而下降。此時膜污染已較為嚴重，系統不宜繼續運行，應當采取措施減緩污染。實際運行中采取反沖洗、空曝氣、離線化學清洗等措施可減緩膜污染。由此可見，聚醚砜平板膜的臨界通量為23.8 L/(m2·h)。在低于此臨界通量下運行時，膜通量與TMP正相關;在超過臨界通量運行時，膜通量并不與TMP正相關。

2.2 過濾阻力的計算

該浸沒式膜生物反應器的運行過程符合壓力驅動模型，可根據達西公式計算過濾阻力(R，m－1)，見式(1)。

式中:J為膜通量，L/(m2·h);ΔP為TMP，kPa;μ為水黏度系數，Pa·s。

過濾阻力隨運行時間的變化見圖2。由圖2可見，隨運行時間的延長，過濾阻力逐漸增加。膜過濾的機制是篩濾作用，即小于膜孔徑的能通過，大于膜孔徑的被截留。一些小分子物質進入膜孔后吸附在膜孔內或嵌入膜骨架，造成孔堵塞或孔徑變小，增大了過濾阻力。此外，反應器內的活性污泥在蠕動泵負壓抽吸作用下也會吸附到膜表面形成濾餅層，并且由于微生物的新陳代謝活動分泌的一些多糖類物質、蛋白質等使得污泥具有一定的膠黏性，加劇了膜污染。

圖2 過濾阻力隨運行時間的變化

目前，關于膜的污染機制主要有孔堵塞、濃差極化形成的濾餅層污染、生物污染導致的凝膠層污染。過濾阻力可表示為膜阻力、孔堵塞阻力與濾餅層阻力的和。膜阻力為膜投入運行前在清水中測得，16℃時清水的黏度系數為1.15×10－3Pa·s;孔堵塞阻力為運行過程中達到臨界通量時的過濾阻力減去膜本身的阻力;濾餅層阻力為污染嚴重時的過濾阻力減去臨界通量時的過濾阻力。由此計算得到的過濾阻力分布見圖3。由圖3可見，孔堵塞阻力、濾餅層阻力分別占過濾阻力的61.96%和36.64%，而膜阻力只占1.40%。由此可見，該膜的污染機制以孔堵塞為主。

圖3 過濾阻力分布

2.3 模型計算

根據W iesner等［7］的研究表明，在不同膜污染機制中，膜通量分別滿足以下線性關系，見式(2)～式(4)。

式中:J0為初始膜通量，L/(m2·h);t為運行時間，min;km為膜阻力模型參數，m2/L;kp為孔堵塞阻力模型參數，min－1;kc為濾餅層阻力模型參數，m4·h/L2。

在初始膜通量為16.9 L/(m2·h)的條件下，根據膜阻力模型、孔堵塞阻力模型、濾餅層阻力模型擬合的曲線分別見圖4、圖5和圖6。由圖4、圖5和圖6可見:聚醚砜平板膜的通量衰減基本符合上述3個模型。在圖4中，膜阻力模型符合整個過程，km為1.11×10－4m2/L。在圖5中，孔堵塞阻力模型符合整個過程，隨著越來越多的小分子物質進入膜孔，膜通量逐漸衰減，kp為1.59×10－3min－1。隨著附著到膜表面的微生物越來越多，表面開始形成生物餅層，餅層內的微生物分泌的大量胞外物質形成凝膠層。胞外物質的主要成分是多糖、蛋白質，還有少量的腐殖酸、脲酸和核酸等，膠黏性大［8］。以凝膠層為核心，餅層逐漸擴大、增厚、密實。在圖6中，濾餅層阻力模型符合整個過程，在運行時間內，膜表面的濾餅層處于形成階段，kc為1.56×10－5m4·h/L2。

圖4 膜阻力模型擬合曲線

圖5 孔堵塞阻力模型擬合曲線

圖6 濾餅層阻力模型擬合曲線

綜上所述，在運行過程中的膜污染是由以上幾種膜污染機制共同作用的結果，孔堵塞污染和濾餅層污染同時發生。針對不同污染機制造成的膜污染可以分別采取不同的清洗方法恢復通量。對于孔堵塞引起的膜污染可用化學試劑進行離線清洗;對于濾餅層污染則可采用在線反沖洗或者空曝氣的方法恢復通量。

3 結論

a)對自制聚醚砜平板膜生物反應器的臨界通量進行了研究。該膜的臨界通量為23.8 L/(m2·h)，在低于此臨界通量下運行時，膜通量與TMP正相關;高于臨界通量運行時，膜通量并不與TMP正相關。

b)對運行后的過濾阻力分布進行計算，孔堵塞阻力、濾餅層阻力分別占過濾阻力的61.96%和36.64%，而膜阻力只占1.40%。

c)對自制平板膜生物反應器次臨界通量條件運行的通量衰減規律進行研究，通量衰減同時符合膜阻力模型、孔堵塞阻力模型和濾餅層阻力模型;表明孔堵塞污染和濾餅層污染是同時發生的。

［1］ Meng Fangang，Chae Soryong，Drews Anja，et al.Recent advances in membrane bioreactors(MBRs): Membrane fouling and membrane material［J］.Water Res，2009，43:1489－1512.

［2］ Huyskensa C，Brauns E，Van Hoof E，et al.A new method for the evaluation of the reversible and irreversible fouling propensity of MBR m ixed liquor［J］.JMembr Sci，2008，323:185－192.

［3］ Li Xiaoyan，Wang Xiaomao.Modelling of membrane fouling in a submerged membrane bioreactor［J］.J Membr Sci，2006，278:151－161.

［4］ Wang Zhiwei，Wu Zhichao，Yin Xing.Membrane fouling in a submergedmembrane bioreactor(MBR)under subcritical flux operation:Membrane foulant and gel layer characterization［J］.JMembr Sci，2008，325:238－244.

［5］ Moshe Ben Sasson，Avner Adin.Fouling mechanisms and energy appraisal in m icroflltration pretreated by alum inum-based electroflocculation［J］.JMembr Sci，2010，352:86－94.

［6］ Xu Pei，Bellona C，Drewes JE.Fouling of nanoflltration and reverse osmosis membranes during municipal wastewater reclamation:Membrane autopsy results from pilot-scale investigations［J］.JMembr Sci，2010，353: 111－121.

［7］ Wiesner M R，Veerapaneni S，Brejchova D.Improvement in m icrofiltration using coagulation pretreatment［C］//Klute R，Hahn H H，eds.Proceedings of the Fifth Gothenburg Symposium on Chemical Water and Wastewater Treatment II，Nice，France.New York: Springer，1992:20 40.

［8］ Zhang Guojun，Ji Shulan，Gao Xue，et al.Adsorptive fouling of extracellular polymeric substances with polymeric ultrafiltration membranes［J］.J Membr Sci，2008，309:28－35.

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，碩士，講師，從事膜材料和膜生物反應器研究。電話 025－89680583，電郵wangyong@nju.edu.cn。

江蘇省環保科研計劃項目(201011);中央高校基本科研業務費專項基金資助項目(201112)。

(編輯 王 馨)