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3‚J 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·