一体式膜--生物反应器中膜面污泥沉积速率及其影响因素
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：
Usr=1.311·ULr1.226·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)·X0.532·J0.376·ULr-3.047
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。