2 膜生物反应器运行的影响因素

　　膜生物反应器由膜分离单元与生物处理单元组成，因此影响MBR稳定运行的因素不仅包括常规生物动力学参数：容积负荷、污泥浓度、污泥负荷等，还包括膜分离的参数：膜的固有性质（膜材料、膜孔径、荷电性等）、滤液的性质、操作方式、反应器的水力学条件等。其中生物动力学参数主要影响MBR的处理效果，膜分离参数主要影响MBR的处理能力。

    2.1 影响MBR稳定运行的生物动力学参数

    2.1.1 有机负荷

　　研究表明：好氧MBR出水受容积负荷与水力停留时间（HRT）的影响较小，而厌氧MBR出水受冲击负荷与HRT的影响较大。李红兵用MBR处理生活污水，在水力停留时间为1.5、5.8h，COD或负荷在高负荷（5.76Kg/(m3.d)与稳态运行新下0.8-1 kg/(m3.d)处理效果基本相同，系统对COD去除率都达到90％以上。吴志超采用好氧MBR处理巴西基酸生产废水发现：容积负荷分别为1.2、2.4、3.6、4.8kg／m3.d)，出水COD浓度变化不大；且HRT对出水水质无明显的影响。而何义亮用厌氧MBR处理高浓度食品废水却发现：当容积负荷从2kg／（m3.d）升高到4.5kg／(m3.d），COD去除率从90％下降至70％；且HRT对处理效果有重要影响。对这些研究的比较发现：在好氧MBR中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化；而在厌氧MBR中，污泥浓度升高缓慢，污泥负荷与容积负荷几乎呈正相关关系，因此厌氧MBR出水水质易受容积负荷的影响。

    李红兵、顾平对MBR处理生活污水的研究表明：冲击负荷对有机物的去除没有显著的影响，但NH3－N受冲击负荷影响明显，出水NH3-N的恶化程度与冲击负荷的大小成正比。这一现象可能是由于膜的拦截作用对NH3－N的去除并无贡献，因此MBR对氮的去除效果易受生物反应器处理效果影响。顾平的研究还发现：在冲击负荷条件下，膜通量衰减幅度是正常COD负荷的数十倍。通过分析冲击负荷期间进水COD和MLSS间的关系，发现反应器内MLSS的变化规律与最大膜通量的降低有类似之处，COD冲击负荷使反应器内活性污泥浓度迅速增加，混合液的粘度增加，从而使液-固分离困难；同时处于对数增长期的污泥活性高、有大量细胞外聚合物存在，增加了膜过滤阻力，导致膜最大出水量降低。

    2.1.2 污泥浓度

　　污泥浓度是MBR系统的重要参数，不仅影响有机物的去除能力，还对膜通量产生影响。许多研究都表明污泥浓度与溶解性微生物产物是影响膜通量的重要参数。表7为MLSS对膜通量、过滤阻力的影响，这些研究成果表明：一定条件下污泥浓度越高，膜通量愈低。顾平在一体式MBR处理生活污水的研究却发现：当曝气强度足够大时（气水比近似100：1），MLSS由10g／L变化到35g/L时，MLSS与膜通量没有明显的相夫性；但如果降低暖气强度，MLSS对膜通量可能产生一定的影响。

　　污泥浓度对膜通量的影响程度与曝气强度，膜面循环流速，水力学条件等密切相关。桂萍应用正交试验的方法对一体式MBR中膜污染速度与污泥浓度、曝气量和膜通量的关系进行考察，研究结果表明：不同污泥浓度均存在一个污泥在膜表面大量沉积的临界膜通量，当膜通量小于临界膜通量，膜污染主要由溶解性有机物在膜面的沉积引起；当膜通量大于临界膜通量，膜污染主要由悬浮污泥在膜面的沉积引起；在污泥浓度较低时，曝气强度对膜的污染影响不大，在中、高污泥浓度条件下，增加曝气强度有利于减缓膜污染；临界膜通量J与污泥浓度MLSS、曝气强度QA有以下关系：QA／J=8.34e0.07MLSS.但该试验中各变量的取值范围较窄。刘锐在桂萍试验的基础上，采用均匀设计法，扩大各变量的取值范围，以膜过滤阻力上升速率K作为膜污染发展速度的表征指数，建立了膜污染发展速度模型：K=8.933*107.△P.MLSS0.532.J0.376ULr-3.047，膜过滤阻力上升速率K随膜通量J与污泥浓度MLSS的增加而增加，随膜间液体上升流速ULr的增加而减小。

表7  MLSS对膜通量、膜阻力的影响

膜材料	膜型式	MLSS/g.L-1	溶解性COD/mg.L-1	MLSS对膜通量、过滤阻力影响 MLSS/g.L-1,MLSS*/mg.l-1,Jv/m3.m-2.d-1,J/L.m-2.h-1
PS/PAN	分离式	-	-	Jv=-1.82log(MLSS*)+8.68
PAN.PS	分离式	5-15	-	Jv=-1.57log(MLSS*)+7.8
-	一体式	-	-	Jv=-0.42log(MLSS*)+1.68
PAN	分离式	2-20	-	J=-4.2062mlss+126.38
PE	一体式	1-10	70	QA/J=8.34e0.07MLSS
PS	-	-	500-730	Jv=4890(MLSS)-2.66 R=842.7△P.MLSS0.926.COD1.368.η0.326
PS/PAN	分离式	3.6-9	136-203	J=71.2MLSS-0.39 R=1.396 107 △P MLSS0.195  CO0.345
PE	一体式	2-30	-	K=8.933 107 △P MLSS0.532  J0.376 ULr.3.047

     2.2 膜分离的参数

　　在保证出水水质的前提下，膜通量应尽可能大，这样可减少膜的使用面积，降低基建费用与运行费用，因此控制膜污染，保持较高的膜通量，是MBR的研究的重要内容。

    2.2.1 膜的选择

　　现有膜材料可分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜在我国的广泛应用，国内MBR曾遍采用有机膜，常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。分离式MBR通常采用超滤膜组件，截留分子量一般在2—30万。截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜通量未必越大。张洪宇进行无机膜的通量衰减实验表明：0.2μm的膜比0.8μm的膜更适合于MBR。何义亮用PES平板膜组件进行膜通量衰减规律研究发现：在该实验条件下，膜初始通量衰减主要是由于浓差极化引起，膜截留分子量愈小，通量衰减率愈大；膜长期运行的通量衰减主要是由于膜污染引起，膜截留分子量愈大，通量衰减幅度愈大，化学清洗恢复率愈低。

　　对于淹没式MBR，既可用超滤膜，也可使用微滤膜。由于膜表面的凝胶层也起到了过滤作用，在处理生活污水时，微滤膜与超滤膜的出水水质没有明显差别，因此淹没式MBR多采用0.1—0.4μm微滤膜。

    2.2.2 操作方式的优化

　　当膜选定后，真物化性质也就确定了，因此，操作方式就成为影响膜污染的主要因素。为了减缓膜污染，反冲洗是维持分离式MBR稳定运行的重要操作，樊耀波通过数学推导，得出膜的最佳反冲洗周期测定公式 f（t)=(Qf—Qb)/(tb+tf），该方法避免通过试探性实验确定反冲洗周期的作法，为MBR系统自动化控制的实现提供了一个重要途径。针对抽吸淹没式MBR，Ymamoto提出间歇式抽吸方式可有效减缓膜污染。桂萍通过研究进一步指出：缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染，抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量其次。

　　不仅污泥浓度、混合液粘度等影响膜通量，混合液本身的过滤性能，如活性污泥性状、生物相也影响膜通量的衰减。有研究表明：粉末活性炭（PAC）与絮凝剂的加入有助于改善泥水分离性能，形成体积更大、粘性更小的污泥絮体，减少了膜堵塞的机会。但絮凝剂的过量加人会造成污泥活性受到限制，影响反应器的处理能力和处理效果。

    2.2.3 水力学特性的改善

　　改善膜面附近料液的流体力学条件，如提高流体的进水流速，减少浓差极化，使被截留的溶质及时被带走。黄霞、何义亮分别采用PAN平板式超滤膜、PAN/PS管式膜组件考察不同膜面循环流速下污泥浓度对膜通量的影响，发现MLSS对膜通量的影响程度与膜面循环流速有夫。大量试验表明：污泥过膜流态为层流远比紊流的易于堵塞，因此从理论上确定不同污泥浓度下紊流发生的最小膜面流速（Vmin）有重要意义。邢传宏、彭跃莲研究均发现：最小膜面流速与污泥浓度之间呈良好的线性夫系。但他们对临界膜面流速的计算值可能偏高，因为污泥沿流道流动的过程中，水同时透过膜流出，增加了流体在垂直方向的紊动，从而在一定程度上降低了下临界雷诺数（Rek）。何义亮的发现证实了这一推论：平板膜组件由紊流到层流的Rek为1083，外压管式膜组件的Rek为966，均小于一般牛顿流体的下临界雷诺数2000。

　　分离式MBR中，一般均采用错流过滤的方式；而一体式MBR实质上是一种死端过滤方式。与死端过滤相比，错流过滤更有助于防止膜面沉积污染。因此设计合理的流道结构，提高膜间液体上升流速，使较大的暖气量起到了冲刷膜表面的错流过滤效果对于淹没式MBR显得尤为重要，刘锐通过均匀设计试验，得到适合活性污泥流体的膜间液体上升模型，提出反应器结构对液体上升流速的影响：在同样的暖气强度下，反应器越高，上升流通道越窄，下降流通道与底部通道越宽，则越能获得较大的膜间错流流速。该模型为一体式MBR反应器结构的设计提供了理论依据，但有待实践的验证。

    2.3 能耗

　　能耗是污水处理工艺的一个重要的评价指标，直接夫系到处理方法的可行性。目前，常规分离式MBR运行能耗为3—4kw·h/m3，淹没式MBR运行能耗为2kw·h/m3，远高于活性污泥法0.3-0.4kwh/m3，较高的运行费用是MBR推广应用中遇到主要问题。许多研究结果表明：能耗是造成MBR运行费用高的主要原因。张绍园分析了分离式MBR的能耗组成：泵的热能损失、曝气能耗、管道阻力能耗、膜组件能耗和回流污泥水头损失能耗，其耗能大小依次为：膜组件＞泵＞曝气＞管道＞回流污泥，膜组件能耗占总能耗的40—50％，真中80％用于膜过滤的能量以热能的方式散发。顾平对抽吸淹没式MBR的能耗分析表明：曝气的能耗占总能耗96％以上。通常研究者都认为能耗的降低与膜污染的控制是MBR研究领域两个独立的课题，而张绍国、郑祥采用穿流式、错流式膜组件进行分离式MBR研究发现：能耗随运行时间的延长、膜污染的增加呈上升趋势，从运行初期的不足0.5kWh/m3增加到3kwh/m3。这说明：分离式膜生物反应器的能耗问题实质是膜污染问题。

　　为了进一步降低能耗，顾平应用位差驱动出水和低水头间断工作的重力淹没式MBR，较好克服了膜的污染与阻塞，使膜长时间保持较大的膜通量，并且省去复杂的气水反冲洗设备、降低曝气量，使 MBR处理生活污水的能耗可下降到1.0kw·h／m3。

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