一体式膜——生物反应器中膜面污泥沉积速率及其影响因

孙友峰、刘锐、黄霞
（清华大学环境科学与工程系，北京，100084）

　　曝气量、膜通量和污泥浓度是影响一体式膜-生物反应器中膜面污泥沉积的重要设计参数。本研究首先通过均匀设计试验建立了基于这三个重要参数的膜间液体上升流速和膜面污泥沉积速率模型，并通过此模型对不同操作条件下膜污染发展速率进行了预测。

1. 前言

　　膜污染是影响膜-生物反应器稳定运行的关键因素。膜面污泥的沉积是造成膜污染的主要构成部分。而污泥颗粒在膜面的沉积与否与膜面液体错流流速、膜通透量、污泥浓度和污泥粒径等密切相关。这些操作条件决定着膜面污泥沉积速率的大小，进而对膜污染发展速率有着重要影响。综合研究曝气量、膜通量和污泥浓度对膜面污泥沉积速率的影响，针对不同的污泥浓度，选择适宜的曝气量和膜通量，对减缓膜污染，降低膜-生物反应器的运行能耗具有重要意义，但有关这方面的系统研究尚未见有报道。本研究将以一体式膜-生物反应器为研究对象，通过均匀设计试验，研究膜面污泥沉积速率与操作条件之间的关系，并建立有关数学模型，为一体式膜-生物反应器的优化运行提供依据。

2. 试验装置与方法

　　2.1试验装置
　　试验中使用两套相同的一体式膜-生物反应器装置同时运行。生物反应器有效容积为180L，被两块挡板分割成一个升流区和两个降流区。采用的膜组件是中空纤维微滤膜，孔径为0.4μm， 膜面积为3m²，置于升流区内，膜下设有穿孔管鼓风曝气。膜组件的运行采用间歇操作模式，抽吸出水15min，停抽5min。
　　2.2试验设计
　　为建立膜间液体上升流速及膜面污泥沉积速率的数学计算模型，本试验采用均匀设计的试验方法，对曝气量（G）、膜通量（J）和污泥浓度（X）分别取10个水平（G：10～100m3/(m2.h)；J：4.5～27 L/(m2.h)；X：2～20 g/L），然后按照均匀设计表U11（1110）安排10次试验，在每次试验中考察膜间液体上升流速和膜过滤阻力上升速率。膜间液体上升流速采用LS45型旋杯流速仪测定。

3. 结果与讨论

　　3.1膜间液体上升流速模型
　　通过均匀设计试验，建立了适于活性污泥混合液（非牛顿流体）条件下的膜间液体上升流速模型：

U_sr=1.311·U_Lr^1.226·e^-0.0105x

　　式中，Usr和ULr分别为活性污泥混合液中和清水中的膜间液体上升流速。清水中的膜间液体上升流速ULr与曝气强度密切相关，随曝气强度的增加而增大。混合液污泥浓度对膜间液体上升流速起着负面影响。
　　3.2膜面污泥沉积速率模型
　　通过均匀设计试验，测定了不同操作条件下膜过滤阻力的变化（图1为示例）。由该图可知，膜过滤阻力基本上随时间线性增加。因此，可以通过直线拟和，求出膜过滤阻力上升速率(K)，并建立K与操作条件的关系式，如下：

K=(8.933×10⁷)·X^0.532·J^0.376·U_Lr^-3.047　　　　　(2)

　　由此模型可知，污泥浓度及膜通量对污泥沉积速率均有正影响，而膜面流速则表现出显著的负影响。
　　3.3不同条件下膜污染发展速率的预测
　　利用式（2），可以对不同运行条件下的膜过滤阻力的变化，即污染发展速率进行预测。由图2可见，膜过滤阻力上升速率K随膜通量J的增大而增加，随膜间液体流速（即曝气强度）ULr的增大而减小。各污泥浓度下，K随J和ULr的变化曲面形状非常相似：都存在一条J～ULr临界曲线，当实际采用的J、ULr组合值在该临界曲线以左时，Ｋ值缓慢增长且随J、ULr的变化不大；反之，Ｋ值迅速增长且受J、ULr的影响极大。

4. 结论

　　(1) 通过均匀设计试验，得到了适用于活性污泥流体的膜间液体上升流速计算模型；
　　(2) 考察了膜通量、曝气强度（膜间液体流速）和污泥浓度对膜过滤阻力上升速率的影响，并建立了膜污染发展速度模型。利用该模型可以预测不同条件下的膜污染发展速率，并指导操作运行条件的优化。