【摘要】： 膜生物反應(yīng)器(MBR)是將膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)器結(jié)合而成的一個新型污水處理工藝。它把膜分離過程與生物降解結(jié)合起來，以膜分離裝置取代普通生物反應(yīng)器中的二沉池，從而取得高效的固液分離效果。MBR作為一種新型高效的水處理技術(shù)，日益受到各國的水處理技術(shù)研究者的關(guān)注。然而，膜污染是當(dāng)前限制MBR廣泛應(yīng)用的主要瓶頸，其導(dǎo)致膜通量下降，增加膜組件更換和清洗的頻率，從而增加MBR的運(yùn)行費(fèi)用。因此，有必要研究膜污染機(jī)理，這對于膜污染的有效控制以及MBR的推廣應(yīng)用具有重要意義。 本研究采用一體式中空纖維膜生物反應(yīng)器，對MBR技術(shù)中膜污染的關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究。主要考察了活性污泥性質(zhì)和反應(yīng)器操作條件對膜污染的影響機(jī)理，同時，借助分形理論和圖像分析儀研究了膜污染的微觀機(jī)理。本研究包括： (1)采用統(tǒng)計分析方法研究了16種不同性質(zhì)活性污泥混合液對MBR膜污染的影響機(jī)理。結(jié)果表明：污泥濃度與膜污染阻力呈指數(shù)增加關(guān)系；污泥粒徑(PSD)、胞外聚合物(EPS)、溶解性有機(jī)物(SMP)、上清液膠體顆粒(SS_s)、污泥混合液粘度(μ)、相對疏水性(RH)、Zeta電位均對MBR膜滲透性能有顯著的影響作用，其與膜污染阻力的皮爾遜相關(guān)系數(shù)r_p分別為：-0.730、0.898、0.757、0.810、0.691、0.837、-0.881；同時發(fā)現(xiàn)，胞外聚合物是影響活性污泥中溶解性有機(jī)物含量(r_p=0.725)、污泥粘度大小(r_p=0.633)、上清液膠體顆粒含量(r_p=0.783)、Zeta電位(r_p=-0.953)及相對疏水性大小(r_p=0.877)的主要因素；在活性污泥性質(zhì)中污泥濃度、胞外聚合物、污泥粒徑是影響膜污染的根本原因，是膜生物反應(yīng)器膜污染的重要影響因素。經(jīng)過多元回歸，得到了用于預(yù)測污泥濃度、污泥粒徑及胞外聚合物對膜污染阻力影響的數(shù)學(xué)模型。該預(yù)測模型為： R_f=2.250e~(MLSS~*9×10~(-5))+0.111EPS-1.99×10~(-2)PSD-3.201 (2)采用短期過濾方式考察了絲狀菌濃度或絲狀菌生長指數(shù)對膜污染的影響機(jī)理。本部分研究主要從活性污泥性質(zhì)和污泥絮體形態(tài)學(xué)的角度對絲狀菌的膜污染機(jī)理進(jìn)行了解釋。研究表明：缺少絲狀菌的污泥混合液會導(dǎo)致嚴(yán)重的膜孔堵塞污染，而絲狀菌的過度繁殖會導(dǎo)致形成厚大、密實(shí)的濾餅層；絲狀菌的過量繁殖會使得胞外聚合物和相對疏水性增大，污泥絮體Zeta電位下降，從而惡化膜過濾過程；另外，絲狀菌的過度繁殖會導(dǎo)致污泥絮體周界分形維數(shù)和三維縱橫比增大、污泥絮體圓度減小，說明絲狀菌的過度繁殖使得污泥絮體變得不規(guī)則、松散，而不規(guī)則的污泥絮體會沉積并纏繞在膜絲表面，起到固定膜表面污染物的作用；因此，在MBR運(yùn)行過程中，應(yīng)采取適當(dāng)措施控制絲狀菌的生長情況以減緩膜污染。 (3)采用3個平行運(yùn)行反應(yīng)器，系統(tǒng)研究了不同反應(yīng)器負(fù)荷(OLR=0.7-0.8 kgCOD／m~3d，OLR=1.1-1.4 kgCOD／m~3d，OLR=1.7-2.1 kgCOD／m~3d)對膜污染的影響機(jī)理。考察了OLR對膜過濾性能、膜污染、污泥性質(zhì)(污泥活性SOUR、絲狀菌濃度、胞外聚合物、污泥粒徑、污泥濃度、污泥粘度)的影響，并分析了反應(yīng)器內(nèi)污泥混合液的水力學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)：隨著OLR的增大，反應(yīng)器COD去除率僅有輕微下降，但污泥活性和污泥混合液溶解氧明顯減�。辉贠LR=1.1-1.4 kgCOD／m~3d和OLR=1.7-2.1 kgCOD／m~3d的反應(yīng)器內(nèi)，發(fā)生嚴(yán)重的絲狀菌過度繁殖，并導(dǎo)致胞外聚合物和污泥粘度迅速增大，進(jìn)而加劇膜污染；高的反應(yīng)器負(fù)荷會導(dǎo)致污泥濃度MLSS顯著增大；最后，研究發(fā)現(xiàn)污泥粘度是決定反應(yīng)器水力學(xué)特性的重要原因，當(dāng)污泥粘度小于2.0 mPa s時，污泥粘度對反應(yīng)器氣液上升流速基本沒有影響，而當(dāng)污泥粘度大于2.0 mPa s時，氣液上升流速急劇下降，其不能有效吹脫膜表面污染物；同時，隨著污泥粘度的增大，反應(yīng)器內(nèi)污泥混合液的雷諾數(shù)迅速下降。 (4)從活性污泥性質(zhì)變化和濾餅層形成兩個角度，研究了3個不同曝氣強(qiáng)度(150 L／h，400 L／h，800 L／h)對膜污染的影響。研究結(jié)果表明：過大或過小的曝氣均不利于膜污染的減緩，過小的曝氣強(qiáng)度不能有效去除膜表面污染物，而過大的曝氣強(qiáng)度會導(dǎo)致污泥絮體破壞，產(chǎn)生大量的膠體粒子和大分子有機(jī)物，使得膜通量下降；在大的曝氣強(qiáng)度下，膠體粒子和溶解性有機(jī)物在膜表面及膜孔的沉積吸附是產(chǎn)生膜污染的根本原因；曝氣強(qiáng)度為400 L／h時，在膜面形成了自生動態(tài)膜，其起到截留或降解小顆粒物和溶解性有機(jī)物、減緩膜污染的作用。 (5)考察了不同MBR工藝中污泥混合液的膜過濾性能，并對比研究了污泥混合液的性質(zhì)。借助共聚焦激光掃描電鏡(CLSM)、傅里葉紅外光譜儀(FTIR)、X射線熒光光譜儀(XRF)等技術(shù)表征了膜污染物的主要成分，并分析了膜表面污染物的形成機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：A~2／O-MBR中活性污泥的膜污染行為最嚴(yán)重，A／O-MBR和傳統(tǒng)MBR(CMBR)的膜污染行為次之，序批式MBR(SMBR)的膜污染最輕；發(fā)現(xiàn)絲狀菌過度繁殖、結(jié)合態(tài)EPS、溶解性EPS、芳香性化合物(以SUV_(254)表征)等是影響膜污染的重要因素；污泥絮體、多糖和蛋白質(zhì)在膜表面大量沉積，導(dǎo)致MBR生物污染和有機(jī)污染。Ca、Mg、Al、Si、Fe等元素的沉積是造成膜無機(jī)污染的主要原因；在膜污染過程中，無機(jī)鹽的沉淀物、胞外聚合物、微生物等相互結(jié)合，沉積并吸附在膜表面，形成粘附性極強(qiáng)、限制膜通量的濾餅層。 (6)在膜生物反應(yīng)器中，活性污泥在膜表面沉積形成濾餅層是造成膜污染的主要因素。采用掃描電鏡和自動圖像分析技術(shù)研究了膜過濾濾餅層的微觀結(jié)構(gòu)，并以分形理論和Darcy定律為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出用于預(yù)測膜污染濾餅層滲透性能的數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了該滲透模型的可靠性，并利用該滲透模型進(jìn)行了膜生物反應(yīng)器中污泥濃度對濾餅層滲透性能影響的研究。結(jié)果表明：活性污泥顆粒沉積形成的柔性濾餅層具有明顯的多孔結(jié)構(gòu)，并且具有很好的分形特征；膜污染濾餅層的分形維數(shù)能夠真實(shí)反映濾餅層的孔隙率大小；用該滲透模型得到的滲透系數(shù)K’可以預(yù)測濾餅層滲透性能；濾餅層滲透系數(shù)K隨污泥濃度的增大而遞減，污泥濃度低于10000 mg／L時，K’的變化趨勢較小，污泥濃度達(dá)到10000mg／L以上時，K’急劇下降；污泥粒徑和胞外聚合物是影響濾餅層滲透性能的重要因素，小粒徑的污泥顆�；虬饩酆衔锶菀自跒V餅孔隙內(nèi)沉積，導(dǎo)致濾餅比阻增大，因此，污泥粒徑減小或胞外聚合物濃度增大均會使得濾餅層滲透性能嚴(yán)重下降。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：X703
【圖文】：

Fig.1.1DiagramofbiomassseParationmembranebioreactor:(a)extemalmembranebioreactor，(b) submergedmembranebioreactor根據(jù)膜組件與生物反應(yīng)器的組合方式，可將MBR分為分置式和一體式(圖1.1)。分置式是指膜組件與生物反應(yīng)器分開設(shè)置，膜的壓力驅(qū)動依靠加壓泵;一體式是將膜組件置入反應(yīng)器內(nèi)，壓力驅(qū)動靠水頭壓差，或用真空泵抽吸。為減少膜面污染，延長運(yùn)行周期，一

圖1.2膜生物反應(yīng)器技術(shù)在歐洲的應(yīng)用情況[8]Fig.1.2G即hshowingtne紅。叭hoftheMBRm毗etinEuropels]進(jìn)入MBR90年代中后期，膜組件的公司有:MBR在國外己進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段[9]。加拿大Zenon公司、日本Kubota公司國際上知名的生、日本Qrelis和

Fig.2.1Seanrnngeleetronmierographsofthemembrane本實(shí)驗(yàn)采用己被廣泛的聚乙烯中空纖維膜。由日本三菱公司制造，膜孔徑0.1產(chǎn)m，膜絲內(nèi)徑270娜，過濾面積0.lm“(具體參數(shù)見表2.1)。圖2.1是膜表面和膜截面的電鏡照片，可以看出膜結(jié)構(gòu)為類似于海綿狀的開放網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，孔隙率高，比表面積大。反應(yīng)器進(jìn)水為模擬生活污水(見表2.2)。表2.1實(shí)驗(yàn)用膜組件的參數(shù) Table2.1SPeeifieationsofthehollowfibermembranes項目參數(shù)說明制造廠商膜材料膜孔徑切m)膜絲外徑(~)膜絲內(nèi)徑(~)膜絲長度(~)膜面積(m，)固有阻力(m一‘)日本三菱公司聚乙烯 0.1 0.370 0.270160 0.1 1.05x1011

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號：2792918