SMSBR处理焦化废水的膜污染机理研究

2 　膜污染过程的数学表达

　　对于膜的不完全截留，膜污染包括膜孔的堵塞和膜面沉积层的形成；而对于膜的完全截留，则只有膜面沉积层的形成。对于MBR而言，由于所过滤的活性污泥混合液是由不同颗粒范围的物质组成，因此在污染过程中必然同时存在膜孔的堵塞和沉积层的形成，一般的过程为：在过滤初期较短的时间内(几分钟)以膜孔的堵塞为主，之后为沉积层控制膜过滤。笔者采用用于非牛顿流体的标准堵塞过滤定律和沉积过滤定律来表达恒压条件下的终端过滤膜污染过程^［6］。
　　标准堵塞过滤定律：

　　　　K_cV/2=(t/V)-(1/Q₀)　　　　　　(9)

　　利用式(9)可以判断过滤过程是否受堵塞控制。
　　沉积过滤定律：
　　　　KcV/2=t/V-(1/Q0)　　　(10)
　　利用式(10)可以判断过滤过程是否受沉积层的控制。

3　活性污泥的压密性

　　膜过滤活性污泥的过程中，细菌的胞外聚合物(EPS)已被大多数研究者确认为优势污染物，这些物质使细菌相互粘连形成菌胶团，进而使膜过滤过程中污泥沉积层表现出可压密性。污泥的压密使过滤阻力急剧升高，并形成不可逆的污染层且不能通过水力清洗去除。因此，有必要通过确定污泥的压密性来考察膜污染的改善状况。
　　污泥的压密性通过压密指数(n)来衡量：

　　α=β·(ΔP)n　　　(11)

　　式中 β——比例系数
　　　　　ΔP——过滤压力，Pa
　　通过确定不同压力下的污泥比阻，作lnα和lnΔP便可求得n，其值为0～1.0。根据式(6)确定α值很不方便，实际上α是通过式(10)所表示的沉积过滤定律确定的。
　　根据1／A·dV/df=J=ΔP/μ(Rm+Rc) (12)
　　为了方便求解α，将式(8)变形为：

　　式中V——滤液体积，m³
　　　　Cb——污泥浓度，kg/m³
　　　　α′——新定义的污泥比阻，以下仍以α来表示新定义的比阻
　　将式(13)中的Rc代入式(12)，积分得到沉积过滤定律的完整表达式：

　　因此图解t/V～V，便可求得α。

4 　试验概况

4.1 试验装置
　　图1为用于考察膜污染机理的终端过滤装置。
　　终端过滤反应器是容积为350mL的有机玻璃杯式滤器，内设磁力搅拌桨，用于对膜的水力清洗；外加压力通过高压氮气提供；料液从顶部带旋钮的孔中加入；滤液流入电子天平上的容器中，通过检测重力的变化再折算为体积。膜为PVDF平板膜，其直径为6.5 cm，膜面积为0.00332m²，孔径与SMSBR工艺中所用中空纤维膜相似(为0.1～0.2μm)。

4.2 试验方法
　　笔者一方面考察了膜通量和总阻力的变化情况，另一方面根据式(9)、(10)分别做t～t/V和V～t/V关系图来判断堵塞和沉积作用在膜污染过程中的控制情况。试验过程中先用清洁的膜对蒸馏水进行过滤测得初始通量，然后再对一定体积的污泥混合液进行过 滤，从产生滤液开始每15s记取一次滤液质量，过滤时间在40min左右，由所测值可以计算出膜通量。
　　试验中为了便于比较膜通量，不仅需要避免不同膜片所带来的差异，而且需要考虑(不同阶段试验中)料液温度不同所带来的影响，为此需采用相对通量值。相对通量值定义为Jt/J0，其中Jt为t时刻的膜通量，J0为清洁膜的纯水通量，该比值扣除了由不同膜片以及不同过滤温度所带来的差异，因此具有可比性。
4.3 阻力分布
　　根据式(2)对膜过滤活性污泥中的各项污染阻力进行了测定，过程如下：①在一定的压力下先用清洁膜对蒸馏水进行过滤，通过达西方程计算出膜固有阻力Rm；②在相同压力下用该膜对活性污泥进行过滤(过滤过程中不搅拌)，取最初过滤时(第15s)所得瞬时阻力为总阻力R；③将活性污泥从过滤器中取出并加入等量蒸馏水，在不加压的情况下通过 磁力搅拌将膜清洗5min，然后弃掉清洗液再加入等量的蒸馏水，在相同压力下进行过滤试验，所测得的阻力值从总阻力中扣除后即认为是凝胶极化阻力Rp；④再将料液倒掉后取出膜，用脱脂棉擦去膜面沉积物后将膜重新装好，加入等量蒸馏水在相同压力下测过滤阻力，该阻力扣除膜固有的阻力即为内部污染阻力Ri，而将该值从上次所测阻力中扣除即得外部污染阻力Re。该测试过程可以通过图2来反映。

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