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5 结果与分析
51 通量及阻力的变化
压力为100kPa下膜通量和总阻力变化见图3。
从图3看出，膜通量在最初的几分钟内急剧衰减，相应地过滤总阻力不断上升，符合式(1)膜通量和膜阻力的关系。
不同压力下膜相对通量的变化见图4。
由图4可知：①不论在何种压力下过滤，通量经过2min就急剧衰减至稳定值；②压力越低，相对通量值越高，在低压(60～100kPa)过滤时随着压力的升高，其稳定通量值下降，而在高压140～180kPa过滤下，随着压力的升高其稳定通量值基本相同。
图4中Jt/J0随过滤时间的衰减趋势可通过式(15)来表示：
Jt/J0=Atm (15)
式中 A——系数
m——通量衰减指数(为负值)
对图4中不同压力下的过滤曲线按上式进行回归，可得到m值(见表1)。
表1 不同压力下的m值和相关系数
| 压力(kPa) |
60 |
100 |
140 |
180 |
220 |
| m |
-0.5143 |
-0.508 |
-0.514 |
-0.4957 |
-0.5572 |
| R2 |
0.9570 |
0.9836 |
0.9756 |
0.9745 |
0.9855 |
由表1看出，衰减系数随压力的变化规律较差。膜通量的变化规律需通过阻力分布和污染过程的模拟来说明。
5.2 膜过滤阻力分布
膜过滤阻力分布见表2
表2 膜过滤阻力分布
| 压力（kPa) |
Rm |
Rp |
Ref |
Rc(Rp+Ref) |
Rif |
R |
| 100 |
1.39E+11(7.60) |
1.63E+12(89.23) |
4.04E+10(2.21) |
1.67E+12(91.44) |
1.76E+10(0.96) |
1.83E+12(100) |
| 180 |
1.15E+11(3.72) |
2.89E+(12(93.10) |
9.03E+10)(2.91) |
2.98E+10(2.91) |
8.30E+09(0.27) |
3.10E+12(100) |
| 注：括号内为占总阻力的百分比(%)。 |
由表2可见，膜过滤活性污泥的过程中，最大的阻力来自凝胶极化阻力，即沉积层阻力占总阻力的90%以上，且压力越大其比例也越大；而内部污染所占比例最小。可见，膜过滤过程 中沉积层的形成是污染的主要来源。
5.3 膜污染过程的数学表达
通过考察不同压力下t～t/V和V～t/V关系，以确定标准堵塞过滤定律和沉积过滤定律对污染过程的控制作用，结果如图5、6所示。
由图5可知，在过滤最初的几分钟内t～t/V并不成直线关系，因此不符合堵塞过滤定律，这与最初的预测不同。结合表2可知，尽管存在膜孔的堵塞，但在过滤初期并不受其控制，而堵塞阻力与沉积阻力相比几乎可以忽略，因此沉积层的形成是控制膜过滤的主要污染因素。从图6可以看出，不同压力下的膜过滤过程完全符合沉积过滤定律，通过式(10) 或式(14)进行拟合得到不同压力下的V～t/V表达式及其相关系数(R2)如表3所示 。
表3 不同压力下的V～t/V表达式及其相关系数
| 压力(kPa) |
V～t/V表达式 |
R2 |
| 60 |
t/V=1 050 673 140 312.02 V+1 530 815.73 |
0 .999 4 |
| 100 |
t/V=930 141 199 375.34V+2 201 821.04 |
0.999 6 |
| 140 |
t/V=800 040 597 031.33V+2 227 983.62 |
0.999 6 |
| 180 |
t/V=744 923 225 536.51 V+2 914 479.01 |
0.999 2 |
| 220 |
t/V=732 373 422 287.18 V+1 689 344.23 |
0.999 5 |
5.4 污泥的压密性
由表3所得V～t/V表达式的斜率和相应膜过滤参数(Am=0.00332m2，μ=8.53×10-4 Pa·s，污泥浓度Cb=5.46 kg/m3)通过式(15)可求得不同压力下 的污泥比阻α，见表4。
表4 不同压力下的污泥比阻α
| 压力(kPa) |
60 |
100 |
140 |
180 |
220 |
| α(m/kg) |
3.023E+14 |
4.461E+14 |
5.371E+14 |
6.43E +14 |
7.727E+14 |
由lnα和lnΔP关系图可求得污泥比阻α为0.7015，见图7。
6 结论
①污泥终端过滤的阻力分布表明，沉积层阻力占总阻力的90%以上，并随压力的升高而增大，而内部污染阻力所占比例最小。
②污泥的终端过滤过程严格符合沉积过滤定律，即便在过滤初期也不受堵塞过滤的控制，这与阻力分布的结果相对应。
③污泥在终端过滤过程中，膜的相对通量随过滤时间呈指数衰减趋势，并在几分钟内就达到相对稳定值，且低压对应较高的相对通量，但通量衰减指数和压力之间没有相关性。
④焦化污泥的压密指数为0.7015。
参考文献：
［1］ Choo K-H,Lee C-H.Membrane fouling mechanisms in the membrane-coupled anaerobic b ioreactor［J］.Wat Res，1996,30(8):1771-1780.
［2］ G B Van den berg.Flux decline in ultrafiltration processs［J］.Desali nation,1990,77:101-133.
［3］ Robert H Davis.Modeling of fouling of crossflow microfiltration membranes［J］.Separation and Purification Methods，1992,21(2):75-126.
［4］ Hodgson P H.Cake resistance and solute rejection in bacterial microfiltration:the role of the extracelluar matrix［J］.Journal of Membrane Science,19 93,79:35-53.
［5］李春杰.错流膜生物反应器水力清洗特性研究［J］.环境科学，1999，20(2) :57-60.
［6］ Hermia J.Constant pressure blocking filtration lawsapplication to powerlaw nonnewtonia fluids［J］.Trans IchemE ,1982,60:183-187.
作者简介：李春杰(1971-)，男，陕西米脂人，博士，上海交通大学讲师，主要从事废水生物处理方面的研究。
电 话：(021)54742817 54745634
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