膜生物反应器中UF膜过滤阻力影响因素

摘要：针对PAN/PS共混超滤膜组件与活性污泥法组合的污水回用处理工艺，分析了影响超滤膜过滤水通量和过滤阻力的主要因素，并建立了相应的经验计算式，从而为该系统的工艺设计及科学化管理提供了参考依据。

关键词：超滤膜 过滤通量 膜污染 过滤阻力

　　膜—生物反应器(简称UBIS)是以超滤膜过滤代替传统活性污泥系统的二沉池，起到泥水分离和加强系统处理功能的作用。该系统在某些污水处理领域，特别是中水回用处理中的优越性已被大量的研究成果所证实，但系统在运行过程中，由于膜污染而引起的过滤阻力不断增加，膜过滤通量严重衰减的问题，仍是影响该项技术推广应用的关键所在。在UBIS中，作为曝气池混合液中的污泥浓度(MLSS)和残存的有机物浓度(COD)，不仅是影响曝气池处理效果的重要因素，而且还是影响膜过滤性能的主要因素。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置与流程

　　试验装置如图1所示。

　　整个系统由生物反应器和膜组件两部分组成：生物反应器为完全混合式曝气池，微型气泵鼓风充氧，反应器的有效容积为10 L；膜组件为外压管式超滤膜组件，采用PAN/PS超滤膜，膜组件有效长度为1000mm，膜面积为0.0173m²，流道高度为0.2mm。
1.2 试验水质
　试验用原水取自兰州铁道学院22^#家属楼污水排放口，经简单粗滤、沉淀后作为曝气池进水，其水质见表1。

1.3 主要分析项目和方法
　　出水COD用重铬酸钾法测定；MLSS用过滤烘干称重法；COD_BR为活性污泥混合液用滤纸过滤后液体的COD值，用该指标近似表示混合液中有机物的浓度，其测定方法仍为重铬酸钾法。
1.4 试验方法
　　试验用活性污泥取自兰炼污水厂生活污水处理系统，经一定时间的静态培养作为试验用污泥。活性污泥混合液的温度用冷却装置来控制。每组试验结束后，拆除装置，用自来水清洗膜表面，再用0.1%NaOH浸泡一定时间，以消除膜污染的影响。试验中控制膜过滤压力为0.12MPa，膜面流速3.8m/s，曝气池水温25℃，通过改变生物反应器中MLSS的浓度和污泥负荷，来实现生物反应器中COD_BR的改变，从而考察COD_BR及MLSS对膜过滤通量(J_v)的影响。试验数据均以系统运行到稳态时的记录数据为准。

2 试验结果与分析　

　　试验共作了8组，结果见表2。

　　对表2中的数据，以J_v为横坐标，分别以COD_BR和MLSS值作为纵坐标，在双对数坐标下作图，经计算得到：
　　MLSS与J_v关系
　　lgJ_v=1.85252-0.38726lgMLSS　　　(1)
　　相关系数：r=-0.9702
　　CODBR与JV关系
　　lgJ_v=3.06085-0.6886lgCOD_BR　　　(2)
　　相关系数：r=-0.914009
　　由式(1)、(2)可得：
　　Jv=71.2MLSS^-6.00　　　　　　(3)
　　Jv=1150COD_BR^0.60　　　　　　(4)
　　对于运行过程中的污泥浓度MLSS和CODBR的值作线性回归。得到如下方程：
　　COD_BR=71.56+13.77MLSS 　　　　　(5)
　　相关系数：r=0.9632
　　为了综合考察活性污泥混合液的MLSS和COD_BR对膜过滤通量的影响，先将污泥浓度的平均值MLSS=5.9g/L代入式（5），求出对应的COD_BR值，并记作COD_BR=153g/L，并以此作为MLSS和CODBR代入式(3)、(4)中，确定对应的膜通量值，以此作为相应各因素的过滤通量标准值，同时定义实际过滤通量与标准过滤通量的比值为相应因子的过滤通量相关数，分别记作A₁与A₂，所以有：
　　A₁=Jv/Jv（MLSS）=71MLSS^-0.39/（71×5.9^-0.39）
　　A₁=（MLSS/5.9）^-0.39 （6）
　　同理：A₂=（COD_BR/153）^-0.69 （7）
　　另外，由于膜组件操作条件及水温一定的情况下，Jv与MLSS及COD_BR有关，所以进一步假定：
　　Jv=M（A₁A₂） （8）
　　为了求取式（8）中的M值，将表2中有关数据2有关数据代入式（6）、（7）、（8），结果见表3。

　　将表3中A₁A₂与M两组数据进行回归得：
　　lgM=1.55811-0.503625lg(A₁A₂)
　　相关系数：r=-0.9543
　　M=36.15（A1A2）^-0.5 （9）
　　将式（9）代入式（8）得：
　　Jv=36.15(A₁A₂)^0.5 （10）
　　将式（6）、(7)代入式（10）得：
　　Jv=289.83MLSS^-0.195CODBR^-0.345 (11)
　　又由超滤基本方程式可知：
　　Jv=△P/μwR总 （12）
　　式中 Jv——膜渗透通量，m³(m².s)
　　△P—膜两侧压差，Pa
　　μw—滤液的粘度，Pa.s
　　R总—膜过滤总阻力（包括膜本身阻力及污染层的阻力），L/m
　　联立式（11）、（12），并将操作温度T=25℃时的μ、w代入得：
　　R_总=1.396×10⁷△P.MLSS^0.195.CODBR^0.345 （13）
　　式中 R_总——膜过滤总阻力（包括膜本身阻力及污染层的阻力），L/m
　　 △P——膜两侧压差，Pa
　　MLSS——生物反应器中污泥浓度，g/L
　　COD_BR— 生物反应器中残存有机物浓度，mg/L

　　 由式(13)，根据生物反应器中的MLSS、COD_BR及膜组件的操作压力，可以计算出UBIS系统的膜过滤阻力。

3 结论

　　对于以PAN/PS共混超滤膜为组件的UBIS系统，在曝气池混合液温度一定的条件下，混合液中COD_BR对膜过滤阻力和膜过滤通量的影响比MLSS大。所以，曝气池采用高MLSS、低负荷的运转方式将有利于增加膜过滤通量，提高系统的实用性。

参考文献