D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.03.004 第29卷第3期 北京科技大学学报 Vol.29 No.3 2007年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2007 膜生物反应器处理洗车废水中操作压力及 环境因素对膜过滤性能的影响 林国梁何春茂刘飞白俊智 东北大学资源与土木工程学院，沈阳110004 摘要通过膜生物反应器(MBR)处理某车辆厂洗车废水的实验研究，结合理论计算，分析了操作压力及环境因素对膜过滤 性能的影响·研究结果表明，在低压区，膜本身阻力占主导地位，它与操作条件无关：在中压区，浓差极化阻力占主导地位，它 与其他操作条件关系密切：在高压区，凝胶层阻力占主导地位，操作压力增加对膜通量影响不大，在此阶段膜分离特性还与污 泥浓度、膜面流速等操作条件有关·所以，采用膜反应器处理洗车废水，在MBR中存在一个临界压力，当操作压力高于临界压 力时，膜通量随操作压力变化不大，而膜表面污染却明显加剧，因而设计膜生物反应器时，操作压力是一个重要的参数。此 外，还研究了温度、H值、水力停留时间等环境影响因素对膜过滤性能的影响· 关键词膜生物反应器：操作压力；膜通量：洗车废水；阻力 分类号X703 膜生物反应器MBR(membrane bioreactor)将分 响.此外，还研究了温度、H值、水力停留时间等环 离工程中的膜技术应用于好氧活性污泥处理系统， 境因素对膜过滤性能的影响 由膜组件取代传统生化处理技术中的二次沉淀泥水 1实验装置 分离技术，具有适应性强、降解效率高、水力停留时 间(HRT)和悬浮污泥停留时间(SRT)可分别控制、 膜生物反应器主要由自动控制设备、料液输送 装置紧凑、简洁等优点山，是近年来发展起来的一 设备、膜组件三部分组成.，实验装置如图1所示.人 项高效水处理技术，在膜生物反应器运行中，随着 工配制的实验用水放入调节池中，由进水泵打入过 膜过滤时间的增长，悬浮污泥及混合液中的一部分 滤筛筛网后进入膜生物反应器：出水由液位继电器 物质会吸附在膜表面或内壁，造成膜污染。通过对 和电磁阀控制、出水泵抽吸并经膜组件过滤后出水； 混合液性质及运行条件的适当控制，可以最大限制 膜生物反应实验时的曝气由鼓风机提供，曝气方式 地发挥膜的高效作用，同时减缓膜的污染速度，延长 为穿孔管鼓风曝气：为防止污泥流失，用液位继电器 膜运行周期.了解膜过滤过程在膜生物反应器运行 控制进水泵的启闭：整个系统由自动控制板控制. 过程中发生的规律，对于发挥膜的高效截留作用，减 2实验方法 缓膜的污染具有至关重要的意义， 由于MBR中混合液本身的特性会影响到膜表 实验采用某车辆厂的洗车废水作为实验水样 面的沉积，如MBR上清液中的COD(化学需氧量)、 由于洗车废水中含有阴离子洗涤剂及石油类物质， BOD(生化需氧量)溶解性微生物产物的积累、胞外 所以在进行水样的条件实验时，必须对采集到的水 聚合物分泌情况等都会对膜分离特性产生影响，因 样进行预处理，并调节COD值，预处理工艺流程如 而对MBR运行参数的选择还是非常重要的，MBR 图2所示，在对水样的测试中，为了保证膜各项条 运行参数主要包括操作压力、膜面流速、曝气量、抽 件因素的真实性，每次实验后都要对膜组件进行在 停时比等]，本文通过膜生物反应器处理洗车废水 线药洗和反冲洗，使膜通量恢复到90%以上，污泥 的可行性研究，找出了经济、合理、有效的运行条件， 取自沈阳北部污水处理厂二沉池回流的污泥，活性 较低，进入膜反应器前对污泥进行了驯化，整个驯 结合理论计算，主要分析了操作压力对膜分离的影 化过程持续2周.在驯化的第一周里，每天只加自 收稿日期：2006-09-17修回日期：2006-11-15 备污水（含C0D约600mgL,B0D约300mg· 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50074014), L),取上清液，第二周开始，每天加自备污水和洗 作者简介：林国梁(1956一)，男，副教授 车废水混合液，驯化结束后，污泥进入膜生物反应
膜生物反应器处理洗车废水中操作压力及 环境因素对膜过滤性能的影响 林国梁 何春茂 刘 飞 白俊智 东北大学资源与土木工程学院沈阳110004 摘 要 通过膜生物反应器（MBR）处理某车辆厂洗车废水的实验研究结合理论计算分析了操作压力及环境因素对膜过滤 性能的影响．研究结果表明在低压区膜本身阻力占主导地位它与操作条件无关；在中压区浓差极化阻力占主导地位它 与其他操作条件关系密切；在高压区凝胶层阻力占主导地位操作压力增加对膜通量影响不大在此阶段膜分离特性还与污 泥浓度、膜面流速等操作条件有关．所以采用膜反应器处理洗车废水在 MBR 中存在一个临界压力当操作压力高于临界压 力时膜通量随操作压力变化不大而膜表面污染却明显加剧．因而设计膜生物反应器时操作压力是一个重要的参数．此 外还研究了温度、pH 值、水力停留时间等环境影响因素对膜过滤性能的影响． 关键词 膜生物反应器；操作压力；膜通量；洗车废水；阻力 分类号 X703 收稿日期：20060917 修回日期：20061115 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50074014）． 作者简介：林国梁（1956—）男副教授 膜生物反应器 MBR（membrane bioreactor）将分 离工程中的膜技术应用于好氧活性污泥处理系统 由膜组件取代传统生化处理技术中的二次沉淀泥水 分离技术具有适应性强、降解效率高、水力停留时 间（HRT）和悬浮污泥停留时间（SRT ）可分别控制、 装置紧凑、简洁等优点［1］是近年来发展起来的一 项高效水处理技术．在膜生物反应器运行中随着 膜过滤时间的增长悬浮污泥及混合液中的一部分 物质会吸附在膜表面或内壁造成膜污染．通过对 混合液性质及运行条件的适当控制可以最大限制 地发挥膜的高效作用同时减缓膜的污染速度延长 膜运行周期．了解膜过滤过程在膜生物反应器运行 过程中发生的规律对于发挥膜的高效截留作用减 缓膜的污染具有至关重要的意义． 由于 MBR 中混合液本身的特性会影响到膜表 面的沉积如 MBR 上清液中的 COD（化学需氧量）、 BOD（生化需氧量）溶解性微生物产物的积累、胞外 聚合物分泌情况等都会对膜分离特性产生影响因 而对 MBR 运行参数的选择还是非常重要的．MBR 运行参数主要包括操作压力、膜面流速、曝气量、抽 停时比等［2］．本文通过膜生物反应器处理洗车废水 的可行性研究找出了经济、合理、有效的运行条件 结合理论计算主要分析了操作压力对膜分离的影 响．此外还研究了温度、pH 值、水力停留时间等环 境因素对膜过滤性能的影响． 1 实验装置 膜生物反应器主要由自动控制设备、料液输送 设备、膜组件三部分组成．实验装置如图1所示．人 工配制的实验用水放入调节池中由进水泵打入过 滤筛筛网后进入膜生物反应器；出水由液位继电器 和电磁阀控制、出水泵抽吸并经膜组件过滤后出水； 膜生物反应实验时的曝气由鼓风机提供曝气方式 为穿孔管鼓风曝气；为防止污泥流失用液位继电器 控制进水泵的启闭；整个系统由自动控制板控制． 2 实验方法 实验采用某车辆厂的洗车废水作为实验水样． 由于洗车废水中含有阴离子洗涤剂及石油类物质 所以在进行水样的条件实验时必须对采集到的水 样进行预处理并调节 COD 值．预处理工艺流程如 图2所示．在对水样的测试中为了保证膜各项条 件因素的真实性每次实验后都要对膜组件进行在 线药洗和反冲洗使膜通量恢复到90％以上．污泥 取自沈阳北部污水处理厂二沉池回流的污泥活性 较低．进入膜反应器前对污泥进行了驯化整个驯 化过程持续2周．在驯化的第一周里每天只加自 备污水（含 COD 约600mg·L —1BOD 约300mg· L —1）取上清液．第二周开始每天加自备污水和洗 车废水混合液．驯化结束后污泥进入膜生物反应 第29卷 第3期 2007年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．3 Mar．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．03．004
.262 北京科技大学学报 第29卷 器中，连续进水、持续曝气24h,实验时，水力停留 影响 时间HRT以10h为主，观察HRT对出水水质的 自动控制板 进水 电磁阀 出水 水泵 液位断电器 膜组件 8 隔板 调节池 穿孔管鼓风要气 鼓风机 图1膜生物反应器实验装置 Fig.1 Experimental configuration of a membrane bioreactor [你水油注凝汇淀-MR题反应器 成膜的不可逆污染，缩短膜的使用寿命， 图2洗车废水预处理工艺流程 70 Fig.2 Techniques of wastewater pretreatment from a vehicle plant 604 废水中颗粒较大的悬浮物及油类等漂浮物经隔 50 油池得到去除，然后经均匀调质后进行混凝沉淀· 40 在混凝剂作用下，废水中的胶体脱稳，生成微小絮粒 互相凝聚、桥联、吸附，形成粗大矾花后沉降分离，上 清液进入生化处理系统， 20 +在清水中 10F ·一在活性污泥中 3操作压力对膜通量的影响实验 060.010.020.030.040.050.060.07 膜组件的操作压力是指膜组件内外压力之差 操作压力MPa (△P)·膜通量J是指单位时间、单位膜面积上滤过 水的体积，Lm2h1.实验时，控制不同的膜组件 图3操作压力与膜通量的关系曲线 Fig.3 Effect of pressure on the membrane flux 内外压力差△P为0.01,0.02,0.03,0.04,0.05， 0.O6MPa,分别在清水和活性污泥混合液中测试膜 4 实验结果分析 通量，实验表明，操作压力不同，单位膜面积的过滤 速度不一样，操作压力影响膜通量的实验结果见 根据图3，整体考虑，膜通量理论计算公式[3] 图3.不管是在清水中，还是在活性污泥混合液中， 为： 操作压力的增大，膜通量将增大，在膜生物反应器 (1) 中存在着一个临界压力，当操作压力低于此临界压 端 力时，膜通量会随着操作压力的增大而增大，成正比 式中，J为膜通量，？为膜的过滤总阻力，μ为动力 变化，同时不会对膜造成污染；当操作压力高于临界 黏度系数，△P为膜组件的操作压力 压力时，膜通量随操作压力的变化不大，而膜表面的 在膜生物反应器中： 污染情况会明显加剧，且这种污染后的膜不会因减 Rr=Rm十Rg十Re十Br (2) 压而恢复原有的通水量，为获得较高的膜通量不能 式中，Rm为膜本身的阻力，Rg为凝胶层的阻力，R。 只是简单地提高操作压力，一方面，为获得高压力 为沉积层的阻力，B:为膜污染阻力 必须耗费更多的动力，增加运行成本；另一方面，较 在过滤过程中，固体颗粒在过滤渗透流的作用 高的操作压力会显著导致膜浓差极化现象，加快浓 下，会在膜表面形成沉积层，沉积层累计阻力R。由 差极化厚度层的形成，引起透膜阻力的增大，从而造 下式表示：
器中连续进水、持续曝气24h．实验时水力停留 时间 HRT 以10h 为主观察 HRT 对出水水质的 影响． 图1 膜生物反应器实验装置 Fig．1 Experimental configuration of a membrane bioreactor 图2 洗车废水预处理工艺流程 Fig．2 Techniques of wastewater pretreatment from a vehicle plant 废水中颗粒较大的悬浮物及油类等漂浮物经隔 油池得到去除然后经均匀调质后进行混凝沉淀． 在混凝剂作用下废水中的胶体脱稳生成微小絮粒 互相凝聚、桥联、吸附形成粗大矾花后沉降分离上 清液进入生化处理系统． 3 操作压力对膜通量的影响实验 膜组件的操作压力是指膜组件内外压力之差 （ΔP）．膜通量 J 是指单位时间、单位膜面积上滤过 水的体积L·m —2·h —1．实验时控制不同的膜组件 内外压力差 ΔP 为0∙010∙020∙030∙040∙05 0∙06MPa分别在清水和活性污泥混合液中测试膜 通量．实验表明操作压力不同单位膜面积的过滤 速度不一样．操作压力影响膜通量的实验结果见 图3．不管是在清水中还是在活性污泥混合液中 操作压力的增大膜通量将增大．在膜生物反应器 中存在着一个临界压力当操作压力低于此临界压 力时膜通量会随着操作压力的增大而增大成正比 变化同时不会对膜造成污染；当操作压力高于临界 压力时膜通量随操作压力的变化不大而膜表面的 污染情况会明显加剧且这种污染后的膜不会因减 压而恢复原有的通水量．为获得较高的膜通量不能 只是简单地提高操作压力．一方面为获得高压力 必须耗费更多的动力增加运行成本；另一方面较 高的操作压力会显著导致膜浓差极化现象加快浓 差极化厚度层的形成引起透膜阻力的增大从而造 成膜的不可逆污染缩短膜的使用寿命． 图3 操作压力与膜通量的关系曲线 Fig．3 Effect of pressure on the membrane flux 4 实验结果分析 根据图3整体考虑膜通量理论计算公式［3］ 为： J＝ ΔP μRT （1） 式中J 为膜通量RT 为膜的过滤总阻力μ为动力 黏度系数ΔP 为膜组件的操作压力． 在膜生物反应器中： RT＝ Rm＋ Rg＋ Rc＋ Rf （2） 式中Rm 为膜本身的阻力Rg 为凝胶层的阻力Rc 为沉积层的阻力Rf 为膜污染阻力． 在过滤过程中固体颗粒在过滤渗透流的作用 下会在膜表面形成沉积层．沉积层累计阻力 Rc 由 下式表示： ·262· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第3期 林国梁等：膜生物反应器处理洗车废水中操作压力及环境因素对膜过滤性能的影响 .263. Re le re (3) 膜通量比在清水中的膜通量要低，其原因是活性污 式中，。为沉积层的厚度，。为沉积层比阻力， 泥液体的黏度比清水高，当操作压力增加，膜表面 比阻力通常可以由Kozeny一Carman关系式表 处液体浓度上升，导致渗透压上升，凝胶层变厚，变 达： 密实；同理，操作压力增大，固体沉积层变厚，变致 180(1-e)2 密，导致阻力上升，因此，压力的增大会部分被抵 Te= d (4) 消，同时还导致膜污染的增大，影响膜的使用寿命， 式中，为沉积层的空隙率，d.为固体颗粒的粒径， 膜本身固有阻力Rm与操作条件无关，只与膜本身 由式(4)可知，固体颗粒粒径越小，沉积层越密 的特性有关；膜污染阻力R:与膜材料、膜结构、料 实，沉积层比阻力越大 液特性等有关，与操作条件无关，因而，在某一时间 沉积层膜通量为： 范围内膜过滤总阻力随着操作压力的增大而增大， 最 而膜通量J变化不大， (5) △P对J的影响可分为低压、中压和高压阶段 式中，△P。为固体沉积层两瑞面间的压力 在低压阶段，Rm≥R。十Rg十R,膜本身的阻力比其 △P.=△P-△Pg-△P一△π (6) 他三种阻力的和大，Rm占主导地位，在这种情况 式中，△P,为凝胶层两端面间的压力；△P为界面 下，式(1)可简单看成J=△P/(Bm),而Rm与操作 层两端面间的压力；△π为膜两端面间的渗透压，其 条件无关，是定值，所以J与△P呈线性关系，J随 大小取决于膜表面处液体浓度C3,而不是混合液主 △P的增大而增大，见图3，增强曝气强度对J无明 体流浓度C1的大小. 显影响，即使在不同的曝气强度或者说不同的膜面 把式(3)和(4)代入式(5)中得： 流速下，J与△P形成的直线斜率都不会改变（前提 △P.de J。=1804.(1-)2 (7) 条件是必须在低压区)，也就是说，如果考虑膜面流 速对膜通量的影响[竹，认为存在一个最小的膜面流 同时考虑凝胶层和边界层的阻力后膜通量为： 速Vmim,以此为分界线，在Vmin以下，可能已处于高 1 C3-C4 压区，大于Vmin则属于低压区， 人=1+△4 -In (8) C1-C4 在中压阶段，R。≥Rm十Rg十R:,浓差极化阻力 K E2Dg 占主导地位，在膜反应器中，R。与其他操作条件关 式中，K为物质迁移系数，K=骨，D为水在边界层 系密切，与膜面流速V的关系：V越大，紊流程度 中的扩散系数，δ为边界层厚度：△lg为凝胶层的厚 越大，能较大程度地冲散浓差极化层，减少。·与 度；2为凝胶层的空隙率；D,为水在凝胶层中的扩 污泥浓度的关系：污泥浓度越大，混合液的黏度越 散系数；C4为透过液中有机物的浓度， 大，越容易形成浓差极化层，所以R。是变化的；增 由于人=，膜通量J可以由下式表示： 加的压力差△P,一部分需抵消增加的Rc,见图3，J △p.d2e 1 与△P呈曲线关系， 4(1-e1)2-1+ C3一C(9) C1-C4 在高压阶段，g≥Rm十R。十B:,凝胶层阻力占 K2Dg 主导地位，R,随增加的压力差△P而增大，因而△P 透过液中有机物的浓度C4很小，则C3近似计算 对J影响不大，此阶段膜分离特性与污泥浓度、膜 为： 面流速等操作条件有关，如果大幅度提高曝气强度， 1 C3-Ciexp △Lg △p.de] 使膜面流速达到一定值，可以冲刷凝胶层，使之成为 e2Dg180Le(1-e1)3 低压区8]， (10) 综上所述，通过膜生物反应器的实验研究，寻找 式(10)综合反映了膜生物反应器中膜分离活性 适合的操作压力具有重要的意义， 污泥混合溶液时固体颗粒的沉积和大分子有机物的 5环境因素的影响 关系，体现了操作条件与活性污泥液体性质的关系， 影响膜分离特性的因素很多，膜分离的操作条件主 系统接种生物污泥稳定后，进行了其他操作条 要包括：操作压力、膜面流速和运行温度等6. 件对膜生物反应器MBR运行效果影响的分析，通 操作压力低于临界压力时，随着操作压力的增 过实验，确定合适的操作压力为0.O3MPa,其他操 大，膜通量线性增加，由图3可知，在活性污泥中的 作条件为：膜面流速3.5ms,曝气量0.8m3h-1
Rc＝ lc rc （3） 式中lc 为沉积层的厚度rc 为沉积层比阻力． 比阻力通常可以由 Kozeny—Carman 关系式表 达［4］： rc＝ 180（1—ε1） 2 d 2 sε3 1 （4） 式中ε1 为沉积层的空隙率ds 为固体颗粒的粒径． 由式（4）可知固体颗粒粒径越小沉积层越密 实沉积层比阻力越大． 沉积层膜通量为： Jc＝ ΔPc μRc （5） 式中ΔPc 为固体沉积层两端面间的压力． ΔPc＝ΔP—ΔPg—ΔPb—Δπ （6） 式中ΔPg 为凝胶层两端面间的压力；ΔPb 为界面 层两端面间的压力；Δπ为膜两端面间的渗透压其 大小取决于膜表面处液体浓度 C3而不是混合液主 体流浓度 C1 的大小． 把式（3）和（4）代入式（5）中得： Jc＝ ΔPc d 2 sε3 1 180μlc（1—ε1） 2 （7） 同时考虑凝胶层和边界层的阻力后膜通量为： Jw＝ 1 1 K ＋ Δlg ε2Dg ln C3—C4 C1—C4 （8） 式中K 为物质迁移系数K＝ D δ D 为水在边界层 中的扩散系数δ为边界层厚度；Δlg 为凝胶层的厚 度；ε2 为凝胶层的空隙率；Dg 为水在凝胶层中的扩 散系数；C4 为透过液中有机物的浓度． 由于 Jw＝Jc膜通量 J 可以由下式表示： J＝ ΔPc d 2 sε3 1 180μlc（1—ε1） 2＝ 1 1 K ＋ Δlg ε2Dg ln C3—C4 C1—C4 （9） 透过液中有机物的浓度 C4 很小则 C3 近似计算 为： C3＝C1exp 1 K ＋ Δlg ε2Dg ΔPc d 2 sε3 1 180μlc（1—ε1） 2 （10） 式（10）综合反映了膜生物反应器中膜分离活性 污泥混合溶液时固体颗粒的沉积和大分子有机物的 关系体现了操作条件与活性污泥液体性质的关系． 影响膜分离特性的因素很多膜分离的操作条件主 要包括：操作压力、膜面流速和运行温度等［6］． 操作压力低于临界压力时随着操作压力的增 大膜通量线性增加．由图3可知在活性污泥中的 膜通量比在清水中的膜通量要低其原因是活性污 泥液体的黏度比清水高．当操作压力增加膜表面 处液体浓度上升导致渗透压上升凝胶层变厚变 密实；同理操作压力增大固体沉积层变厚变致 密导致阻力上升．因此压力的增大会部分被抵 消同时还导致膜污染的增大影响膜的使用寿命． 膜本身固有阻力 Rm 与操作条件无关只与膜本身 的特性有关；膜污染阻力 Rf 与膜材料、膜结构、料 液特性等有关与操作条件无关．因而在某一时间 范围内膜过滤总阻力随着操作压力的增大而增大 而膜通量 J 变化不大． ΔP 对 J 的影响可分为低压、中压和高压阶段． 在低压阶段Rm≥ Rc＋ Rg＋ Rf膜本身的阻力比其 他三种阻力的和大Rm 占主导地位．在这种情况 下式（1）可简单看成 J＝ΔP／（μRm）而 Rm 与操作 条件无关是定值所以 J 与ΔP 呈线性关系J 随 ΔP 的增大而增大见图3．增强曝气强度对 J 无明 显影响即使在不同的曝气强度或者说不同的膜面 流速下J 与ΔP 形成的直线斜率都不会改变（前提 条件是必须在低压区）．也就是说如果考虑膜面流 速对膜通量的影响［7］认为存在一个最小的膜面流 速 V min以此为分界线在 V min以下可能已处于高 压区大于 V min则属于低压区． 在中压阶段Rc≥ Rm＋ Rg＋ Rf浓差极化阻力 占主导地位．在膜反应器中Rc 与其他操作条件关 系密切．与膜面流速 V 的关系：V 越大紊流程度 越大能较大程度地冲散浓差极化层减少 Rc．与 污泥浓度的关系：污泥浓度越大混合液的黏度越 大越容易形成浓差极化层所以 Rc 是变化的；增 加的压力差ΔP一部分需抵消增加的 RC见图3J 与ΔP 呈曲线关系． 在高压阶段Rg≥ Rm＋ Rc＋ Rf凝胶层阻力占 主导地位Rg 随增加的压力差ΔP 而增大因而ΔP 对 J 影响不大．此阶段膜分离特性与污泥浓度、膜 面流速等操作条件有关如果大幅度提高曝气强度 使膜面流速达到一定值可以冲刷凝胶层使之成为 低压区［8］． 综上所述通过膜生物反应器的实验研究寻找 适合的操作压力具有重要的意义． 5 环境因素的影响 系统接种生物污泥稳定后进行了其他操作条 件对膜生物反应器 MBR 运行效果影响的分析．通 过实验确定合适的操作压力为0∙03MPa．其他操 作条件为：膜面流速3∙5m·s —1曝气量0∙8m 3·h —1． 第3期 林国梁等： 膜生物反应器处理洗车废水中操作压力及环境因素对膜过滤性能的影响 ·263·
.264 北京科技大学学报 第29卷 实验所用的污泥为活性污泥，影响膜过滤性能的环 B0D就可产生0.3mg的碱度.对于污泥龄较长的 境因素包括温度、H值、营养物质、有毒物质和溶解 生物处理系统，可根据出水的pH值变化情况初步 氧(DO),本实验只对温度、pH值和水力停留时间 判断系统对有机污染物的去除情况 HRT三种环境因素进行研究， 5.1温度对COD去除率的影响 研究温度对膜生物反应器去除有机物污染物的 影响时，MBR系统采用的运行条件是：DO值控制 6 在3.0mgL-以上，进水pH值7.08.5，HRT为 10h.初期系统温度为16~17℃；10d以后，在膜分 离单元内放入加热器，将水温控制在24~26℃. 1015202530 时间d 从表1知，在前10d里，温度控制在16~17℃， 生物反应器对C0D的去除率为70%.因为初期系 图4BR内pH值随时间变化曲线 统的污泥浓度偏低，致使C0D的去除率较低：10d Fig-4 Variation of pH in MBR with time 以后，温度控制在24~26℃，膜生物反应器对C0D 在本工艺系统生物反应器部分采用的是一体式 的去除率均在80%以上.另外，10d以后，MBR系 膜组件工艺，实验期间，除取样外，未进行排泥操 统内的污泥浓度随着污泥体系的建立也略有上升， 作.有研究表明山)，在碳源B0D5的氧化过程中产 可见在温度变化的分界点(10d),C0D去除率变化 生一定的碱度，是系统pH值上升的一个原因，此 最明显，在此分界点上，温度是影响COD去除效果 外，在曝气量较大的情况下，可以吹脱微生物氧化有 的重要指标，随着温度的升高，MBR系统对COD的 机物产生的CO2,使C02十H20一HCO3ˉ+H的电 去除增加，当温度超过25℃时，出水C0D稳定在 离平衡向右进行的趋势减弱 30mgL左右，温度对C0D的影响不再明显. 为了研究pH值对膜生物反应器去除COD的 表1COD去除率随时间（温度）变化实验结果 影响，系统采用的运行条件为：D0值控制在 Table 1 Change of COD removal rate with operation time 3.0mgL-以上，温度15~20℃，HRT为10h时， 时间/d13571013151720 结果如图5. C0D去除率/%707271738283828482 140 120 ◆一上清液COD 温度的高低还直接影响微生物的活性，同时， 100 ■-出水COD 水温越高，水的黏度越小，对膜分离越有利，温度对 80- 膜通量的影响主要是通过影响混合液的黏度来间接 w)0 ■ 60 影响膜通量[9.温度越高，混合液的黏度就会越低， 20 在中空纤维膜面上越易形成紊流，冲散浓差极化层， 8 9 10 从而减小膜过滤阻力，促进膜通量的提高，实验中 pH值 发现，当进水的COD变化较大时，上清液（膜过滤前 的溶液)中的COD也随之发生较大波动，但膜过滤 图5pH值对COD的影响 后溶液的C0D可稳定在30mgL以下.可见，膜 Fig.5 Effect of pH value on COD 对整个系统的稳定运行起着重要的作用，为系统提 实验中，pH值控制在5.5~9.5范围内，从图5 供了较强的抗冲击负荷能力 可以看出，pH值在一定范围内变化对膜出水的 5.2pH值的影响及其分析 COD影响不明显，pH值在6.5~9时，C0D去除效 进水pH值为6.1~7.5、系统温度为25℃左 果都非常好；pH=8时，出水COD达到最低；pH> 右、D0为1.0~2.0mgL,对膜分离单元的pH 9.5时，上清液中的C0D迅速上升，但由于膜的截 值变化进行了测试，随着反应时间的延长，整个系 留作用，膜出水的COD仍然保持最低的水平，可以 统内的pH值呈逐渐上升的趋势，pH的变化曲线见 达到污水综合排放的一级标准.·由于实验用水的 图4所示，有研究表明10]，pH值随BOD5去除率的 pH值主要在6~9之间变化，即为中性偏碱，pH值 增加而增加，在污泥停留时间长的情况下，碳源 的变化在活性污泥的适宜范围内，对MBR系统的 BOD5的氧化可产生碱度，相应地每去除1mg的 冲击较小，且反应器中的活性污泥对废水pH值变
实验所用的污泥为活性污泥影响膜过滤性能的环 境因素包括温度、pH 值、营养物质、有毒物质和溶解 氧（DO）．本实验只对温度、pH 值和水力停留时间 HRT 三种环境因素进行研究． 5∙1 温度对 COD 去除率的影响 研究温度对膜生物反应器去除有机物污染物的 影响时MBR 系统采用的运行条件是：DO 值控制 在3∙0mg·L —1以上进水 pH 值7∙0～8∙5HRT 为 10h．初期系统温度为16～17℃；10d 以后在膜分 离单元内放入加热器将水温控制在24～26℃． 从表1知在前10d 里温度控制在16～17℃ 生物反应器对 COD 的去除率为70％．因为初期系 统的污泥浓度偏低致使 COD 的去除率较低；10d 以后温度控制在24～26℃膜生物反应器对 COD 的去除率均在80％以上．另外10d 以后MBR 系 统内的污泥浓度随着污泥体系的建立也略有上升． 可见在温度变化的分界点（10d）COD 去除率变化 最明显．在此分界点上温度是影响 COD 去除效果 的重要指标随着温度的升高MBR 系统对 COD 的 去除增加当温度超过25℃时出水 COD 稳定在 30mg·L —1左右温度对 COD 的影响不再明显． 表1 COD 去除率随时间（温度）变化实验结果 Table1 Change of COD removal rate with operation time 时间／d 1 3 5 7 10 13 15 17 20 COD 去除率／％ 70 72 71 73 82 83 82 84 82 温度的高低还直接影响微生物的活性．同时 水温越高水的黏度越小对膜分离越有利．温度对 膜通量的影响主要是通过影响混合液的黏度来间接 影响膜通量［9］．温度越高混合液的黏度就会越低 在中空纤维膜面上越易形成紊流冲散浓差极化层 从而减小膜过滤阻力促进膜通量的提高．实验中 发现当进水的 COD 变化较大时上清液（膜过滤前 的溶液）中的 COD 也随之发生较大波动但膜过滤 后溶液的 COD 可稳定在30mg·L —1以下．可见膜 对整个系统的稳定运行起着重要的作用为系统提 供了较强的抗冲击负荷能力． 5∙2 pH 值的影响及其分析 进水 pH 值为6∙1～7∙5、系统温度为25℃左 右、DO 为1∙0～2∙0mg·L —1对膜分离单元的 pH 值变化进行了测试．随着反应时间的延长整个系 统内的 pH 值呈逐渐上升的趋势pH 的变化曲线见 图4所示．有研究表明［10］pH 值随 BOD5 去除率的 增加而增加．在污泥停留时间长的情况下碳源 BOD5的氧化可产生碱度相应地每去除1mg 的 BOD5 就可产生0∙3mg 的碱度．对于污泥龄较长的 生物处理系统可根据出水的 pH 值变化情况初步 判断系统对有机污染物的去除情况． 图4 MBR 内 pH 值随时间变化曲线 Fig．4 Variation of pH in MBR with time 在本工艺系统生物反应器部分采用的是一体式 膜组件工艺．实验期间除取样外未进行排泥操 作．有研究表明［11］在碳源 BOD5 的氧化过程中产 生一定的碱度是系统 pH 值上升的一个原因．此 外在曝气量较大的情况下可以吹脱微生物氧化有 机物产生的 CO2使 CO2＋H2O HCO3 —＋H ＋的电 离平衡向右进行的趋势减弱． 为了研究 pH 值对膜生物反应器去除 COD 的 影响系 统 采 用 的 运 行 条 件 为：DO 值 控 制 在 3∙0mg·L —1以上温度15～20℃HRT 为10h 时 结果如图5． 图5 pH 值对 COD 的影响 Fig．5 Effect of pH value on COD 实验中pH 值控制在5∙5～9∙5范围内．从图5 可以看出pH 值在一定范围内变化对膜出水的 COD 影响不明显．pH 值在6∙5～9时COD 去除效 果都非常好；pH＝8时出水 COD 达到最低；pH＞ 9∙5时上清液中的 COD 迅速上升但由于膜的截 留作用膜出水的 COD 仍然保持最低的水平可以 达到污水综合排放的一级标准．由于实验用水的 pH 值主要在6～9之间变化即为中性偏碱pH 值 的变化在活性污泥的适宜范围内对 MBR 系统的 冲击较小且反应器中的活性污泥对废水 pH 值变 ·264· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第3期 林国梁等：膜生物反应器处理洗车废水中操作压力及环境因素对膜过滤性能的影响 .265 化有一定的缓冲作用.因此，实验中H值变化对 关，因而，选择合适的膜通量对减缓膜的污染非常 COD的去除率影响不大. 重要。 5.3HRT对膜过滤压力的影响 系统在比较低的膜通量条件下运行，混合液中 混合液特性会影响膜分离特性，而混合液特性 的组分在膜面积累的速度慢，膜过滤压力可在较长 又与系统的运行条件密切相关2] 的时间内稳定在较低水平，虽然较短的水力停留时 根据HRT确定膜的流量Q(Lh一)，从而调节 间能够提高容积负荷，减少占地面积，但是却加剧了 系统出水流量Q.(mL'min),对应水力停留时间 膜污染，对膜生物反应器的稳定运行是不利的， HRT条件： Q.=10000/60 6 (11) 结论 在各种HRT条件下，记录压差计的压力读数 在膜生物反应器中存在着一个临界压力，本实 P*,膜过滤压力△P用式(12)计算： 验选用的膜组件的操作压力为0.03MPa较为合适， △P=P-R+g(H-△h) (12) 当操作压力低于此临界压力时，膜的通水量会随着 式中，P*为由压力表计算得到的压力读数，Pa;A 操作压力的增大而增大，同时，膜的污染情况不会有 为管路阻力，Pa,此处忽略不计；p为混合液密度， 明显的变化；当操作压力高于临界压力时，膜的通水 kgm3,认为近似等于水的密度1000kgm3;H 量随操作压力的变化不大，而膜表面的污染情况会 为压差计端口距反应器顶部的高度，m;△h为液面 比正常使用有明显的加剧，在一定的操作压力范围 距反应器顶部的距离，m·膜过滤压力△P的变化如 内，操作压力与膜通量成正比，膜通量随操作压力的 图6所示. 增大而增大·超过这一范围，压力越大，膜通量不但 19r 没有增大，膜污染反而更严重，而且即使在成正比的 17 范围内，所谓的正比也只是相对的，R。,Rg随着 △P的增加而增加，即膜总过滤阻力增加，所以设计 13 膜生物反应器时，操作压力的选择是一个很重要的 参数.本实验确定的最佳操作压力为0.03MPa,膜 11 -◆-HRT=6h 一HRT=8h 的出水量为35Lm2h1 ★一HRT=I0h 环境因素对膜过滤性能影响实验表明，在温度 0 8121620 242832 变化的分界点(10d)提高温度至24~26℃，C0D去 运行时间d 除率提高最为明显；再升高温度，对COD的去除影 图6水力停留时间对膜过滤性能影响曲线 响不大pH值变化对COD的去除率影响不大；不同 Fig.6 Effect of HRT on the transmembrane pressure 的HT条件下，膜过滤压力的变化趋势相差很大； 随着HRT的延长，膜过滤压力的上升速率逐渐 从图6可以看到，不同的HRT条件下膜过滤 降低 压力的变化趋势相差很大.在HRT=6h时，膜出水 量为10.8Lh一，膜过滤压力上升很快，运行初始， 参考文献 膜过滤压力为8.5kPa,第10天，膜过滤压力上升到 [1]邵刚膜法水处理技术及工程实例北京：化学工业出版社， 16.8kPa.当HRT=8h时，膜过滤压力从12.3kPa 2002 上升到16.5kPa.可见，随着HRT的延长，膜过滤 [2]刘飞·膜生物反应器处理车辆厂洗车废水的实验研究[学位论 压力的上升速率逐渐降低，说明膜过滤压力与膜通 文]沈阳：东北大学，2004：25 [3]林红，陆晓峰，段伟膜生物反应器中膜过滤特征及膜污染机理 量有关，同时也与混合液中溶解性有机物的沉积有 的研究.环境科学，2006,27(12)：2309 关，在MBR上清液中的COD比较高时，膜表面浓 [4]Simon J.The development in MBR technology.H2O MBR Spec 度边界层的浓度梯度很小，反向扩散比较慢，导致了 2001,12(13).56 浓差极化程度高，随着上清液中COD的下降，边界 [5]Cindy W L.James L B.MBR application will gain in popularity. 层与混合液之间的浓度梯度增大，反向扩散加快，从 H0 MIBR Spec,.2001,12(13):62 [6]Junji N.Modes of flocculation of yeast cells with flocculant pro- 而减缓了浓度极化程度，使过滤压力的上升速率有 下降趋势13].从膜过滤压力的变化曲线图3，也可 duced by aspergillus sojae AJ700.Agri Biol Chem.1996.40(1): 156 说明过滤压力上升与混合液中有机物的积累程度有 [7]郑祥。膜生物反应器处理毛纺废水的中试研究环境科学
化有一定的缓冲作用．因此实验中 pH 值变化对 COD 的去除率影响不大． 5∙3 HRT 对膜过滤压力的影响 混合液特性会影响膜分离特性而混合液特性 又与系统的运行条件密切相关［12］． 根据 HRT 确定膜的流量 Q（L·h —1）从而调节 系统出水流量 Qn（mL·min —1）对应水力停留时间 HRT 条件： Qn＝1000Q／60 （11） 在各种 HRT 条件下记录压差计的压力读数 P ∗膜过滤压力ΔP 用式（12）计算： ΔP＝P ∗— Rl＋ρg（ H—Δh） （12） 式中P ∗为由压力表计算得到的压力读数Pa；Rl 为管路阻力Pa此处忽略不计；ρ为混合液密度 kg·m —3认为近似等于水的密度1000kg·m —3 ；H 为压差计端口距反应器顶部的高度m；Δh 为液面 距反应器顶部的距离m．膜过滤压力ΔP 的变化如 图6所示． 图6 水力停留时间对膜过滤性能影响曲线 Fig．6 Effect of HRT on the transmembrane pressure 从图6可以看到不同的 HRT 条件下膜过滤 压力的变化趋势相差很大．在 HRT＝6h 时膜出水 量为10∙8L·h —1膜过滤压力上升很快．运行初始 膜过滤压力为8∙5kPa第10天膜过滤压力上升到 16∙8kPa．当 HRT＝8h 时膜过滤压力从12∙3kPa 上升到16∙5kPa．可见随着 HRT 的延长膜过滤 压力的上升速率逐渐降低说明膜过滤压力与膜通 量有关同时也与混合液中溶解性有机物的沉积有 关．在 MBR 上清液中的 COD 比较高时膜表面浓 度边界层的浓度梯度很小反向扩散比较慢导致了 浓差极化程度高随着上清液中 COD 的下降边界 层与混合液之间的浓度梯度增大反向扩散加快从 而减缓了浓度极化程度使过滤压力的上升速率有 下降趋势［13］．从膜过滤压力的变化曲线图3也可 说明过滤压力上升与混合液中有机物的积累程度有 关．因而选择合适的膜通量对减缓膜的污染非常 重要． 系统在比较低的膜通量条件下运行混合液中 的组分在膜面积累的速度慢膜过滤压力可在较长 的时间内稳定在较低水平．虽然较短的水力停留时 间能够提高容积负荷减少占地面积但是却加剧了 膜污染对膜生物反应器的稳定运行是不利的． 6 结论 在膜生物反应器中存在着一个临界压力本实 验选用的膜组件的操作压力为0∙03MPa 较为合适． 当操作压力低于此临界压力时膜的通水量会随着 操作压力的增大而增大同时膜的污染情况不会有 明显的变化；当操作压力高于临界压力时膜的通水 量随操作压力的变化不大而膜表面的污染情况会 比正常使用有明显的加剧．在一定的操作压力范围 内操作压力与膜通量成正比膜通量随操作压力的 增大而增大．超过这一范围压力越大膜通量不但 没有增大膜污染反而更严重而且即使在成正比的 范围内所谓的正比也只是相对的RcRg 随着 ΔP 的增加而增加即膜总过滤阻力增加．所以设计 膜生物反应器时操作压力的选择是一个很重要的 参数．本实验确定的最佳操作压力为0∙03MPa膜 的出水量为35L·m —2·h —1． 环境因素对膜过滤性能影响实验表明在温度 变化的分界点（10d）提高温度至24～26℃COD 去 除率提高最为明显；再升高温度对 COD 的去除影 响不大；pH 值变化对 COD 的去除率影响不大；不同 的 HRT 条件下膜过滤压力的变化趋势相差很大； 随着 HRT 的延长膜过滤压力的上升速率逐渐 降低． 参 考 文 献 ［1］ 邵刚．膜法水处理技术及工程实例．北京：化学工业出版社 2002 ［2］ 刘飞．膜生物反应器处理车辆厂洗车废水的实验研究［学位论 文］．沈阳：东北大学2004：25 ［3］ 林红陆晓峰段伟．膜生物反应器中膜过滤特征及膜污染机理 的研究．环境科学200627（12）：2309 ［4］ Simon J．The development in MBR technology．H2O MBR Spec 200112（13）：56 ［5］ Cindy W LJames L B．MBR application will gain in popularity． H2O MBR Spec200112（13）：62 ［6］ Junji N．Modes of flocculation of yeast cells with flocculant produced by aspergillus sojae AJ700．Agri Biol Chem199640（1）： 156 ［7］ 郑祥．膜生物反应器处理毛纺废水的中试研究．环境科学 第3期 林国梁等： 膜生物反应器处理洗车废水中操作压力及环境因素对膜过滤性能的影响 ·265·