MBR平板膜阻力的测定

MBR平板膜阻力的测定

6.4.2.1 膜阻力的测定方法一

封莉、张立秋等[26]对膜污染堵塞机理进行了深入的研究，对膜阻力进行了测定，得出实验所用超滤膜组件的自身阻力 Rm为5.44X1012m-1，膜污染产生的总阻力R为1.988X1013m-，R，约是Rm的3.6倍，是导致膜通量下降的主要因素。根据 Darcy定律过滤模型，膜通量可用下式表示:

式中，Jv为膜通量，m/(m·s);AP 为膜两侧的压力差，Pa;从为溶液的黏度Pa·s;Rm为膜组件本身的阻力，m-1;R为膜污染产生的总阻力，包括浓差极化、膜表面和膜孔内污染、内腔的生物堵塞等产生的阻力，m-1

上式表明，在温度一定，即溶液黏度从为定值的条件下，膜通量 J 与膜两侧的压力差AP 成正比，与膜总阻力 (Rm十R) 成反比。为了求得 Rm 与R，的大小，组装了一体式膜生物反应器实验装置，膜组件置于反应器之中，生活污水贮存在高位水箱中，通过平衡水箱向反应器内进水。膜组件的出水由水射器引水后，依靠反应器液面与出水管的位置高差自流出水，改变出水管的高度，相当于改变了膜两侧的压力差 AP，即可调整膜通量。装置安装完成后，首先在温度为 24C的清水中对新膜进行了实验，考察了新膜在不同压力差 AP 条件下膜通量的变化情况，此时，可认为膜污染产生的总阻力 R，为0在温度为24C时，从水=9.186X10-4Pa·s，为一常数，膜组件自身的阻力 Rm也为一常数，根据式(6-10)知，膜通量J 与压力差P 线性相关。将清水实验数据进行线性回归，得到如下形式方程:

方程斜率1/(uRm)-2X10-10，将u=9.186X10-4Pa·s代人，即可求得膜自身的阻力Rm为5.44X1012m-1

为了进一步求得膜污染产生的总阻力 R，，利用上面的装置来进行处理生活污水的实验首先在生物反应器内接种活性污泥，然后连续进出水，进行污泥的培养驯化。当反应器内的污泥培养成熟之后 (此时反应器内的污泥浓度 MLSS 为3600mg/L)，将前述清水实验所用的新膜放入反应器中，连续运行。发现膜组件连续工作 15d 后，便受到了较为严重的污染，膜通量下降近 80%。此时，仍在水温 24C条件下，改变膜两侧的压力差AP，测定膜通量的变化情况。同样，将污水实验数据线性回归，得到如下方程:

方程斜率1/[u(R+R)]=4.3X10-11，将9186X10-4Pa·s代入，得膜的总阻力(Rm+R)为2.532X1013m-1，从而得出由于膜污染产生的总阻力R为1.988X1013m~!。对比膜自身的阻力 Rm 与膜污染总阻力 R得出，R是 Rm 的3.6 倍，是影响膜通量的主要因素。

膜阻力的测定方法二

孙振龙、陈绍伟、吴志超等[27]以抗生素发酵废水为处理对象，对一体式平片膜生物反应器在运行过程中膜的性能进行了研究。该试验装置由生物反应器、一体式膜组件、膜抽吸系统及自动控制等系统组成，其中生物反应器为活性污泥鼓风曝气反应池，有效容积为47L，反应器中间有一隔板，一侧放膜组件，组件下方设有穿孔管曝气，在供给微生物分解废水中有机物所需氧气的同时，在平片膜表面形成循环流速以减轻膜面污染。抽吸系统采用型号 BTO1-100 兰格蠕动泵，对浸没于反应器的膜组件进行抽吸。自动控制部分采用时间控制器对抽吸泵及进水泵进行控制。一体式 MBR 中的处理水经蠕动泵抽吸进入净水池，净水池的水作为膜冲洗备用。试验用水为上海某制药厂抗生素废水，稀释后的废水，进水经 100目筛网过滤后进入反应器。试验用膜为平片膜，由中科院上海原子核研究所膜分离技术研究开发中心提供，膜组件自行研制，平片膜材质为 PVDF (聚偏氟乙烯)，截留分子量为 14万，膜有效面积为0.05m2

(1)水通量的测定 水通量的测定由下式得出:

式中，J。为0C下所测定的实际膜通量;Ve为0C下在时间内实际过滤液体积;A为平片膜有效面积。

在测定膜水通量时，为了便于比较试验的不同阶段水温所带来的差异，该试验将不同温度测得的数据换算成 20C下的通量值，换算公式为:

式中，J20为换算成20C时的通量;w20为 20C下纯水的黏度;nw为0C时纯水的黏度

(2)阳力分析方法 

膜污染可以分为物理污染、化学污染及生物污染，对于不同的反应器形式、生物的不同生长阶段、不同的组件形式及不同的运行方式，占主导地位的污染形式不同。为了有效地测定膜污染阻力，膜阻力可以分为三部分:一部分为膜固有的阻力 Rm;部分为泥饼阻力 R.，包括浓差极化、膜表面的吸附及沉积等形成的阻力，可以采用水冲洗海绵擦洗等方法将其除去;另一部分为膜孔的吸附及堵塞阻力 Rf，这部分阻力可以采用化学清洗等方法全部或部分去除。通过试验测定的有关通量数据，用 RIS (resistance-inseries)阻力模型计算出各部分阻力及其所占比例。表达式如下:

式中，uo为纯水在20C时的黏度 (uo=1.0050X10-3Pa·s)

(3)测定过程

在不同的抽吸压力下，用新膜对纯水过滤，通过公式 (6-16) 计算出膜固有阻力。 用该膜对反应器混合液进行过滤，利用公式 (6-15)可以得出运行过程中膜总阻力的瞬时值。

3一定时间后，把膜组件从反应器中取出，清水无压力清洗，并用柔软的海绵擦去膜面吸附物，然后对纯水过滤，由公式 (6-17) 得到膜孔吸附及堵塞阻力。

4由公式 (6-18) 可得膜表面的泥饼阻力。用前述工艺流程和试验方法，使用该制药厂的废水处理站的污泥接种半个月后，直接把PVDF平片膜浸没于反应器中以4+6 的周期运行，即抽吸4min停抽6min。

在此运行过程中反应器中 MLSS 的质量浓度经过一段时间后基本维持在 15g/L 左右出水CODc;去除率为86%。可见，水中悬浮和溶解的 COD并没有在 MBR 中累积。但运行至1月中旬膜出水 CODc,与上清液 COD,相比，并没有多大差别，由此可知，PVDF 膜所起的作用主要是截留水中悬浮物，使 MLSS 维持在较高浓度，从而达到高效降解水中有机物的目的。

(4) 过滤过程中的阻力分析膜固有阻力的测定。新膜黏结后，放入纯水中浸泡 24h 以消除环境对膜性能的影响调节抽吸压力，连续测定 5次对应压力下的通量，取其平均值，由公式 (6-16) 可以得出，

膜固有阻力Rm为1082X1012m-12 PVDF 膜放入反应器后总阻力的变化。为了考察 PVDF 膜在尽量长时间内运行中阳力的变化，把膜组件在设定压力 30kPa、MLSS 密度为 13.8g/L、曝气量为 1.45m3/h 的条件下放入反应器中进行连续抽吸运行，总阻力经大约 25min 渐趋稳定，从开始 2.81X10:m-1逐渐上升至5.29X1012m-1。也就是，膜固有的阻力从开始占总阻力的98.6%逐渐降低至52.4%。可见，尽管反应器曝气冲刷对减弱悬浮固体向膜面吸附迁移有一定作用，由于很高的悬浮固体浓度，导致较高的黏度(实测黏度高达 6.3X10-3Pa·s)，膜污染随时间加剧。

同时，也考察了PVDF膜在设定周期，抽吸4min停抽6min 下运行，其间不进行任何清洗。间歇运行27d，阻力达到5.34X1012m-。把连续抽吸的25min 内阻力变化延长至27d，充分体现了一体式膜生物反应器中间歇运行中曝气冲刷膜面的效果。

3膜水力清洗及海绵擦洗后的阻力比较。长期运行过程中，泥饼阻力是导致膜通量下降的主要因素。在1d的连续运行过程中，泥饼阻力占总阻力的比例从开始的 35.87%上至94.01%。新开发的PVDF 平片膜组件其优点在于能够通过简单便捷的在线海绵擦洗的方法，消除泥饼阻力，从而使水通量迅速恢复接近初始通量。在一体式 MBR 中，泥水混合液处于循环流动状态，在运行过程中，膜表面泥饼层处于一

种动态的相对稳定状态，形成膜过滤的主要阻力，素也具有累积效应;而且，由于化学清洗价格昂贵、操作复杂且不可能完全恢复膜通量。因此，海绵定期在线擦洗对于膜通量的增强非常有利。从长期运行的角度来看，在线擦洗至少可以减弱各种阻力因素的累积，从而具有积极的实践意义。王志伟等[28]采用正交试验法分析评价浸没式平板膜-生物反应器操作运行条件对膜污染的影响，测定了各部分膜阻力的分布情况，膜污染是由于小于膜孔的物质在膜孔中的堵塞与吸附和浓差极化以及固体物质通过物化作用与膜紧密结合形成沉积层引起的。膜阻力的测定表明，外部阻力，主要是泥饼层或凝胶层形成的阻力是膜污染的重要组成部分[29]。第一组膜生物反应器污泥浓度较低，膜生物反应器内部累积的有机物质较多，膜表面主要形成了一层致密的凝胶层而使外部阻力占较大部分，而由于凝胶层孔隙较小，小分子物质在凝胶层形成后难以进入膜内部，所以其内部阻力较小。第二组膜生物反应器污泥浓度有所提高，在膜表面形成了一定厚度的泥饼层，但仍然小于凝胶层的污染阻力，泥饼层的孔隙相对于第一组膜生物反应器凝胶层的孔隙大，小分子物质可以通过泥饼层进入膜内部内部阻力有所上升。第三组膜生物反应器由于污泥浓度很高，形成的泥饼层较厚，外部阻力也较大，使小分子物质通过泥饼层进人膜内部较为困难，内部阻力比第二组膜生物反应器有所降低。

试验选择的曝气强度的三个水平，均满足去除泥饼所需要的剪切冲刷力，因而再增大曝气强度对膜污染的改善作用不大。随着抽停比的减少，即停抽时间的增加，在停抽阶段，由于曝气存在的冲刷力可以使泥饼得以去除，因而减轻了膜污染。

同时存在一个最佳污泥浓度，污泥浓度过低，膜生物反应器中单位体积的活性污泥中含有较多的有机物质，在膜表面会形成一层致密的凝胶层，不易通过曝气产生的剪切冲刷而去除，使膜阻力上升较快。污泥浓度高，可以在膜表面形成泥饼层，可有效地阻止细小颗粒(有机物或胶体物质) 等的进入，一定程度上缓解了膜污染。在停抽阶段，泥饼层可以通过曝气冲刷而较好地去除，但是污泥浓度提高过多，会形成较厚的泥饼层而使阻力显著增加结果表明，外部阻力是膜阻力的主要组成部分，因而设法减轻泥饼层或凝胶层的沉积是减轻膜污染的重要手段。膜性能指标有压力与通量两个变量，运用 RIS 阻力模型可以统一两者因此，在研究膜生物反应器中膜性能时，用阻力这个指标分析是可行的。