膜生物反应器次临界通量运行的膜污染特性研究

膜生物反应器（MBR）是将膜分离与生物反应相结合的污水处理新工艺,近年来已引起广泛的关注,但不可避免的膜污染限制其更广泛的应用。临界通量在膜污染控制中是个非常重要的概念。本试验研究平板膜生物反应器在次临界通量运行下的膜污染状况,并结合膜污染模型进一步表征膜表面的污染特性。试验结果表明。该平板膜生物反应器在次临界通量运行的情况下,膜污染可分为膜污染缓慢发展阶段（第Ⅰ阶段）和膜污染迅速发展阶段（第Ⅱ阶段）,可分别用膜孔堵塞模型和泥饼阻力模型表征膜阻力与时间的变化关系。同时,对运行后的膜阻力分布进行分析,表明泥饼阻力和孔道吸附堵塞阻力是膜污染的主要组成部分,分别占到总阻力的73％和24％,而膜本身阻力仅占3％。     

MBR的临界膜通量及其影响研究

采用通量阶梯式递增法测定了MBR的临界膜通量,研究了膜面气液两相流流速对临界膜通量影响,并考察次临界膜通量下MBR处理垃圾渗滤液的运行特性。试验结果表明,膜面气液两相流流速对临界膜通量影响较大,膜面气液两相流流速由0.9 m/s增至1.8 m/s,临界膜通量由12～14 L/(m2·h)增加至16～18 L/(m2·h),两者呈显著正相关关系,相关系数为0.997。次临界膜通量下运行时,膜污染包括不可逆污染和可逆污染2个阶段：不可逆污染阶段以凝胶层污染为主,占总量的72%,而可逆污染阶段以滤饼层形成的阻力为主,占总阻力的68.5%。     

新型膜-生物反应器在不同通量下的膜污染特性研究

选择适当的膜通量是膜-生物反应器控制膜污染的有效手段之一.本文根据膜通量与临界通量的关系选取了5个不同的膜通量,考察在这些通量条件下新型膜-生物反应器膜污染发展特性的变化.试验结果表明,膜通量的变化会影响膜污染的发展特性.当膜通量小于临界通量区时,膜污染发展具有"2阶段"趋势,并且膜通量越小"第1阶段"和"第2阶段"的膜污染发展速率对比越显著.当膜通量在临界通量区通量内时,首先出现短暂的膜污染快速增长期,随后膜污染发展仍呈现"2阶段"现象.当膜通量大于临界通量区通量时,膜操作压力(TMP)从开始运行即迅速上涨直至试验结束.     

曝气对管式MBR膜污染及临界通量影响

采用管式膜微滤高岭土悬浊液,考察了恒通量下曝气对膜污染的影响,并对不同膜面气体流速下跨膜压力和膜污染周期变化进行了研究,此外,采用阶梯通量法对临界通量进行了测定。结果表明,曝气可显著减缓膜污染,延长膜污染周期,同时提高膜的临界通量;随着膜面气体流速由0.067 m·s-1提升至0.251 m·s-1时,膜污染平均速率由0.366 kPa·h-1降低至0.104 kPa·h-1,膜污染周期由8 d延长至31 d,临界通量由8~10 L·（m2·h）-1提高至22~26 L·（m2·h）-1。此外,通过惯性模型分析发现,膜的临界通量与膜面混合流速呈良好的线性关系,R2=0.98;但随着膜面气体流速的增加,悬浊液中高岭土粒径逐渐变小,并且通过膜表面污染阻力构成分析发现,膜表面不可逆污染阻力由13.9%提高至31.6%,这不利于膜污染控制。     

新型膜-生物反应器在不同通量下的膜污染特性研究

选择适当的膜通量是膜．生物反应器控制膜污染的有效手段之一。本文根据膜通量与临界通量的关系选取了5个不同的膜通量，考察在这些通量条件下新型膜．生物反应器膜污染发展特性的变化。试验结果表明，膜通量的变化会影响膜污染的发展特性。当膜通量小于临界通量区时，膜污染发展具有“2阶段”趋势，并且膜通量越小“第1阶段”和“第2阶段”的膜污染发展速率对比越显著。当膜通量在临界通量区通量内时，首先出现短暂的膜污染快速增长期，随后膜污染发展仍呈现“2阶段”现象。当膜通量大于临界通量区通量时，膜操作压力(TMP)从开始运行即迅速上涨直至试验结束。     

次临界操作下的膜污染机理研究

临界通量在膜污染控制的水动力学条件优化中是一个非常有意义的概念。本研究用一种新型的中空纤维膜组件过滤活性污泥混合液，采用通量阶式递增法对临界通量进行测定，实验表明，气水二相流是一个提高临界通量非常有效的方法，而且临界通量随着曝气强度的增大而增大，根据测定结果，可以得出膜生物反应器(MBR)的3个水动力学操作区：超临界区、临界区和次临界区。次临界操作可以防止颗粒物质在膜面上沉积引起的可逆污染，在次临界操作下，膜污染分为两个阶段，第一阶段为不可逆污染发展阶段，跨膜压力(TMP)发展缓慢；第一阶段膜的不可逆污染导致膜丝点通量不断的重分配，一旦出现膜丝上某一点的通量大于临界通量时，颗粒物质就以此点为突破口，不断沉积到膜丝表面，发生可逆污染，膜污染进入第二阶段，TMP急剧增加。     

厌氧膜生物反应器处理酒厂废水运行特性研究

在一体式平板厌氧膜生物反应器处理酒厂废水的试验中,研究了污染物的去除效果和平板膜组件的运行、污染情况.试验结果表明,COD容积负荷为3～7 kg/(m3·d)、水力停留时间(HRT)为16 h时,平均COD去除率达94.2%;在膜通量为4.6 L/(m2·h)、上升流速为2.5 m/h的条件下,平板膜组件能够连续运行18～20 d;在该试验中临界通量和临界上升流速分别为10～15 L/(m2·h)和5.0m/h,平板膜组件应该在这两个临界值之下运行.膜过滤阻力分析测试结果表明,泥饼层阻力是总阻力的最大组成部分.     

高膜通量厌氧微网生物反应器处理生活污水的研究

将动态膜技术与厌氧膜生物反应器相结合,形成一体式厌氧微网生物反应器(AnFBR),用于城市生活污水的处理,研究了在高膜通量条件下,AnFBR的运行情况和对生活污水的处理效果。结果表明,AnFBR在膜通量为72 L/(m2.h)条件下可连续稳定运行40 d;系统对COD平均去除率为58.4%,对TN和NH3-N有一定的去除效果;出水SS最高为15.0 mg/L,出水中污染物粒径在10μm以下;微网动态膜对小分子物质的截留量不高,但对分子量大于1 000 kU的物质有明显的截留效果,进水中的大部分大分子物质被转化为小分子物质;AnFBR在保留了泥水分离特点的情况下还具有结构简单、膜通量高、微网过滤周期长等优点。     

复合式膜生物反应器膜污染机理研究

通过在膜生物反应器中添加填料,在保持良好出水水质的前提下可有效降低悬浮污泥浓度,从而减轻膜表面的污泥沉积,减轻膜污染。在处理生活污水的试验中,膜表面泥饼层阻力在总阻力中的比例下降到10％,而膜孔吸附阻力中由溶解性有机物所造成的阻力占到83．3％,这表明由于膜表面的污泥沉积降低,膜组件对溶解性有机物的吸附增加,因而应当选择合适的污泥浓度以得到最佳的综合效果。     

长泥龄膜生物反应器中活性污泥的膜污染研究

长泥龄膜生物反应器(MBR)内污泥性质与普通活性污泥有显著差异。利用一污泥停留时间长达300 d的膜生物反应器研究了污泥浓度、过膜压力和错流速率对长泥龄活性污泥膜污染特性的影响。研究结果表明,使用0.2 μm微滤膜错流过滤时,浓差极化阻力R_cp和滤饼层阻力R_c是膜污染的主要影响因素,各占总的膜阻力R_t的23%～63%和31%～73%。与之相比,膜内部阻力R_if和膜固有的阻力R_m只占总的膜阻力Rt的0.7%～2.4%和1.2%～6.4%,几乎可以忽略不计。随着污泥浓度,过膜压力的增大和错流速率的减小,膜污染逐渐加剧。因此,降低过膜压力,提高流速,可以有效减缓膜污染,减少清洗频率,延长膜组件的使用寿命,从而节约操作成本,推广应用。     

CFD在平板膜MBR设计及运行优化中的研究

通过Ansys Fluent软件,结合CFD涉及的水力学参数,分别从膜流道平均流速、膜面平均湍流强度及剪切力分布对MBR反应池中的流场特征进行了分析,模拟和优化了平板膜组件的装填密度,并进行了膜面污泥沉降或然率分析。模拟结果显示,4种情景均呈现出膜面平均剪切力在处于反应池中部的膜元件较大,而靠近池壁的膜元件较小的特征。根据反应池流场模拟结果及膜面污泥沉降或然率得出,4种膜组件从劣到优依次为:净间距4 mm的膜组件< 净间距8 mm的膜组件< 净间距11 mm的膜组件< 净间距6 mm的膜组件,即装填密度可在原始规格的膜组件基础上增加40%。但4种情景曝气均匀性均不是特别理想,都存在着一定程度的膜面颗粒沉降。     

微通道湍流促进器强化平板MBR的CFD数值模拟

采用CFD中的Standard k-ε湍流模型模拟微通道湍流促进器在平板膜生物反应器中的5种不同放置位置及其6种不同形状对膜生物反应器流体动力学性能的影响,通过定性和定量分析附加微通道湍流促进器后平板膜生物反应器中的流体速度、静压、湍流动能、湍流耗散率和剪切力性能指标的变化。从模拟结果可得出,附加微通道湍流促进器的平板膜生物反应器的流体动力学性能要优于无湍流促进器的流体动力学性能,且梯形微通道湍流促进器双面平行放置于平板膜生物反应器时增加流体速度、湍流动能和剪切力且湍流耗散率和静压增加幅度较小,并在微通道湍流促进器附近有涡的产生,从而有效抑制膜表面滤饼层的形成,减缓浓差极化和减轻膜污染。     

混合添加剂对PVDF平板疏水膜结构及性能的影响

以不同添加剂采用浸没沉淀相转换法制备基于无纺布支撑的聚偏氟乙烯(PVDF)平板疏水膜,考察了不同添加剂的加入对膜性能与结构的影响;并利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力学显微镜(AFM)、红外光谱(FTIR)、接触角测量及膜蒸馏实验等对疏水膜的结构及性能进行表征。结果表明,引入混合型添加剂制备的膜具有较高通量和盐截留率,其疏水性最强,而添加剂对聚合物的晶型影响较小。以35 g/L的NaCl盐溶液为进料液对制备的平板膜进行直接接触式膜蒸馏实验,在热侧进水温度为50℃、冷侧温度为20℃的条件下,所制备的疏水膜通量最高可达12.45 kg/(m2.h),截留率为99.99%。     

MBR平板膜中气泡运动的水力特征的数值分析

膜污染是膜生物反应器系统在污水和废水处理应用中最主要的问题之一。针对这一问题,通过计算流体动力学(CFD)仿真模拟,研究了单个气泡以及气泡群在平板膜中的水力学特征,包括气泡速度和膜表面剪切应力等,以达到优化膜组件几何特征和运行条件的目的。模拟结果表明,对于单个气泡而言,随着气泡尺寸的增加,气泡上升速度开始随着直径的增加而升高,在气泡直径为4 mm时,其可达到最大值,随后随着直径的增加反而降低。此外,对于直径为4 mm的气泡,随着膜间隙距离的增加,气泡上升速度明显呈升高的趋势,而剪切应力呈现下降趋势。考虑到实际运行中的膜堵塞问题,建议在平板膜组件中使用7 mm的膜间距,以适当增强膜表面剪切应力。气泡群的模拟结果表明,当膜间液相上升流速较大时,气相和液相所产生的剪切应力相当。而当膜间液相上升流速较小时,气相产生的剪切应力占主导。以上研究结果可为膜生物反应器的设计及运行提供参考。     

中水回用中平板膜的污染机理分析

采用间歇式生物反应器,对模拟小区生活污水的人工配水进行了生物处理;然后,在操作压力为0.1 MPa,搅拌速度为300 r/min条件下,选用膜生物反应器中常用的聚醚砜(PES,切割分子量分别为2万、1万和5千)、聚丙烯腈(PAN,切割分子量为20万)、聚偏氟乙烯(PVDF,切割分子量为20万)超滤平板膜和聚醚砜(PES,孔径为0.1μm)、聚丙烯腈(PAN,孔径为0.1μm)、聚偏氟乙烯(PVDF,孔径为0.1μm)微滤平板膜在实验室用死端超滤器上分别对活性污泥悬浮液进行了过滤并探讨了和间歇式生物反应器组合在一起用于中水回用的效果,结果表明:每种组合处理后的出水水质为COD＜50 mg/L,NH3-N＜10 mg/L,SS为0 mg/L,浊度为0 NTU,都达到了中水回用的水质标准(CJ25.1-89),其中生物反应器分别与PES超滤膜(5千、1万、2万)和PAN(20万、0.1μm)膜组合时,对COD的去除率较高,但所有组合对NH3-N、TOC去除率及膜的渗透通量都相差不大.此外,根据恒压堵塞过滤定律对膜的污染机理进行的研究证实:对于微滤膜和PAN(20万)超滤膜而言,由滤饼过滤过渡到完全(标准)堵塞,再到滤饼过滤;但对于PVDF(20万)和PES(2万)超滤膜,则由标准堵塞过渡到完全堵塞,再到滤饼过滤;PES(5千、1万)超滤膜的污染机理相对简单,整个过程以滤饼过滤为主.     

中水回用中平板膜的污染机理分析

采用间歇式生物反应器，对模拟小区生活污水的人工配水进行了生物处理；然后，在操作压力为0．1MPa，搅拌速度为300r／min条件下，选用膜生物反应器中常用的聚醚砜（PES，切割分子量分别为2万、1万和5千）、聚丙烯腈（PAN，切割分子量为20万）、聚偏氟乙烯（PVDF，切割分子量为20万）超滤平板膜和聚醚砜（PES，孔径为0．1μm）、聚丙烯腈（PAN，孔径为0．1μm）、聚偏氟乙烯（PVDF，孔径为0．1μm）微滤平板膜在实验室用死端超滤器上分别对活性污泥悬浮液进行了过滤并探讨了和间歇式生物反应器组合在一起用于中水回用的效果，结果表明：每种组合处理后的出水水质为COD〈50mg／L，NH3-N〈10mg／L，SS为0mg／L，浊度为0NTU，都达到了中水回用的水质标准（CJ25．1．89），其中生物反应器分别与PES超滤膜（5千、1万、2万）和PAN（20万、0．1μm）膜组合时，对COD的去除率较高，但所有组合对NH3-N、TOC去除率及膜的渗透通量都相差不大。此外，根据恒压堵塞过滤定律对膜的污染机理进行的研究证实：对于微滤膜和PAN（20万）超滤膜而言，由滤饼过滤过渡到完全（标准）堵塞，再到滤饼过滤；但对于PVDF（20万）和PES（2万）超滤膜，则由标准堵塞过渡到完全堵塞，再到滤饼过滤；PES（5千、1万）超滤膜的污染机理相对简单，整个过程以滤饼过滤为主。