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悬浮载体复合膜生物反应器过滤特性及滤饼层微结构特征
作者:管理员    发布于:2016-03-12 15:58:00    文字:【】【】【

  运行过程中的膜污染问题一直是膜生物反应器(MBR)工艺运行的主要瓶颈,限制了MBR处理工艺的广泛应用。因此,揭示膜污染形成机理及延长膜运行周期,一直是MBR工艺研究的热点。已有研究表明,膜表面滤饼层的形成是膜污染的主要原因1.膜表面微孔及主要污染物的尺寸都在微米或纳米级,故膜表面滤饼层的特征主要表现为其微观结构的差异141.近年来研究发现,膜表面滤饼层具有明显的多孔结构5->1,并且滤饼层的渗透性与滤饼层的微观结构有明显的相关性141.对膜表面滤饼层的特征进行分析有助于深入研究膜污染机理。利用共聚焦显微镜技术对滤饼层微观结构进行深入研究171,可在不破坏微生物结构的前提下对滤饼层表面进行连续光学扫描18,与扫描电镜相比,更能真实反映膜过滤过程中表面膜污染物质的状况。

  本文采用新型悬浮载体复合膜生物反应器,对1及干污染膜睫采用扫描电镜(嫩到相同跨膜压力膜过滤特性进行,采用两套膜生物反应器对比运行。

  单个反应器有效容积为6L,内置中空纤维膜组件(膜材质为聚丙烯,有效过滤面积为0.平均孔径为0.1Mm)。出水采用蠕动泵控制,膜通量为8.L/(m2 h),反应器内水位由液位自控仪控制恒定。其中一套为传统膜生物反应器(CMBR)另一套在曝气池内投加软性聚氨酯多孔填料,构成载体膜生物反应器(SCMBR)。

  1.方法1常规水化学指标的检测溶解氧和pH分别用溶解氧测定仪(YSI 3C,China)测定,MLSS采用量法测定(DGB/20002台式干燥箱),COD分析处理,获取滤饼层微观结构数据。

  2结果和讨论2.1膜过滤性能分析跨膜压力(TMP)的增长速率可用来评价膜过滤性能。为快速观测膜过滤性能,采用恒通量方式连续出水,与CMBR反应器相对比考察SCMBR反应器的TMP随时间的变化情况,如所示。当TMP达到30kPa时,停止操作。对于CMBR系统,TMP的平均上升速率为0. 88kPah当反应器运行35h时,TMP达到30kPa;而对于MCMBR系统,在相同的运行条件下,TMP的平均上升速率为0.33kPa/h,仅为CMBR系统的37.5,TMP达到30kPa时的时间则延长至89h,为CMBR系统的2.6倍。这是因为投加的软性载体挂膜后密度与水接近,曝气条件下在局部范围内不停扰动,增大了混合液的紊动性,并且载体对膜丝表面产生的碰撞摩擦作用,强化了膜丝的振动,不利于悬浮颗粒在膜表面的沉积,缓解了滤饼层的形成。因此,载体颗粒的投加提高了反应器内膜的过滤性能。

  均小于CMBR反应器的膜滤饼阻力。相同运行时间下B点与A点相比,不可逆污染阻力Rf相差不大,分别为2.78X1012m1和3.93X1012m,但B点的滤饼层阻力Rc为0.69X1012mi,远小于A点的8.79X102m,可见膜表面滤饼层的形成是造成膜通量衰减的主要原因。当两反应器TMP均达到30kPa时,SCMBR反应器膜的污染阻力Rf所占比例大于CMBR反应器,这是由于SCMBR反应器的运行时间较长,膜表面微生物的附着生长引起的膜孔阻塞所致。将膜组件取出可以明显观察到CMBR内膜丝紧密黏结在一起,并且表面被一层致密的泥饼包裹,而SCMBR反应器内的膜丝则较为松散,仅在膜丝两端与集水管连接部分有污泥积累。

  表1污染后膜阻力构成分布情况1012m1项目膜固有阻力Rm污染阻力Rf滤饼阻力Rc总阻力Rt注:括号内为本项阻力占总阻力的百分数2.3膜表面滤饼层SEM分析当两反应器的TMP达到30kPa时,对膜丝表面污染状况进行扫描电子显微镜研究,对比SCMBR和CMBR反应器的膜污染状况。新膜及污染后的膜从可以看出,与新膜相比,两反应器膜丝表面均覆盖有一层泥饼,SCMBR反应器的膜表面泥饼结构较疏松,表面高低不平,存在大量孔隙,表面较粗糙,污染颗粒相对较大;而CMBR反应器膜表面污染层结构相对致密平整,空隙较小。究其原因可能是由于SCMBR运行时间较长,有利于群集生物大量生长在膜表面形成生物膜,易形成结构较为松散的滤饼层。对膜表面污染物质进行能谱分析,观察到的膜表面污染物质元素的分布情况如所示。

  两反应器内膜C、O含量之和所占比例分别高达83和90(质量分数)无机元素和金属离子所占比例很小,说明膜污染物中无机污染物对其贡献较小,以有机污染物为主。CMBR反应器膜表面污染物质包含无机元素成分更多,而SCMBR膜表面C和O含量相对较高,也说明SCMBR膜表面污染物主要为微生物等有机物质,占滤饼层总质量比例较高,易形成结构松散的滤饼层。

  共聚焦显微镜可以在不破坏微生物结构的前提下对滤饼层表面进行无损伤的连续光学切片,更为直观地揭示了膜污染的对膜过滤性能的改善主要表现在减小了滤饼层阻力,因此实验对操作条件分别为A、B、C(见)的污染膜丝进行共聚焦显微镜拍照并通过ISA3d软件分析滤饼层的微观结构参数,进一步探表2膜表面滤饼层微观结构参数实验点空隙率/滤饼体积/105Fm3平均滤饼厚度/mA大了滤饼"层-孔I隙率MBR内膜表面的滤饼质量相对较小,这是由于载体对膜丝表面产生的碰撞和摩擦作用所致。但SCM-BR的膜表面滤饼层孔隙率(81)大于CMBR的膜表面空隙率(70)。膜丝表面滤饼层由无机颗粒、胶体物质及微生物构成,可能是由于沉积在膜表面的无机颗粒更容易受载体碰撞影响而脱落,导致滤饼总质量减小,因此膜丝表面的生物量占滤饼层总质量的比例相对较高,从而导致膜表面滤饼层孔隙率较大。

  Carman-Kozeny方程可以用来描述滤饼层阻力Rc和微观结构的关系,其关系式为其中:c为滤饼层阻力(m-)a为滤饼比阻(mi;g);m为滤饼质量(kg);m为膜面积(m2);e为滤饼层孔隙率;PP为颗粒密度(kg/m3)为沉积颗粒的平均直径(m)。由式(1)可以看出,对于一定的膜面积Am,滤饼层阻力Rc与颗粒密度PP、沉积颗粒的平均直径dP和滤饼层孔隙率e2成反比,与滤饼质量m成正比。

  根据式(1),如果沉积颗粒的颗粒密度和平均直径变化较小,则滤饼层阻力Rc减小的主要原因为滤饼质量的减小和孔隙率的增大,也就是说载体对膜污染速率的延缓主要表现在减小了滤饼层质量和增厚度、空隙率均大于CMBR反应器,这是因为SCMBR反应器的运行时间较长,积累在膜表面滤饼质量逐渐增大,并且随着运行时间的延长使生长在膜表面的微生物质量占滤饼层总量的比例也随之增大,导致滤饼层空隙率增大,抵消了膜表面滤饼质量增大对膜阻力增大的负面影响,增强了膜过滤性能。

  3结语悬浮载体的存在有利于减缓膜污染。阻力构成分析结果表明,SCMBR滤饼层阻力所占总阻力比率在相同运行时间(15,10kPa 34h)和跨膜SCMBR膜表面污染物主要为微生物等有机物质,占滤饼层总质量比例较高,形成滤饼层结构疏松,孔隙较大,表面较粗糙,有利于提高膜过滤性能。

  使用共聚焦显微镜对滤饼层微观结构的分析表明,与CMBR反应器相比,相同运行时间下,SCMBR滤饼层质量的减小和滤饼层孔隙率的增大,使滤饼层阻力小于CMBR反应器;相同TMP下,SCMBR反应器空隙率大于CMBR反应器,抵消了由于膜表面滤饼质量增大对滤饼层阻力增大的负面影响,增强了膜过滤性能。

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