摘要 利用自行研制的水解酸化+一体式膜生物反应器(SMBR)中试系统处理印染废水,通过均匀设计法设置了 10 组试验,计算各运行条件下的膜过滤阻力,建立了曝气量( G) 、 混合液污泥浓度( X)和膜通量( J )对膜面污泥沉积速率( K)的影响模型: K =3. 645 ×107•X 0. 312•J 0. 13•G - 3. 46。通过该模型,可以对不同运行条件下的膜污染发展情况进行本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供预测。验证结果表明,实际运行的测试数据与模型预测值符合性很好,可利用建立的模型预测不同运行条件下的膜污染状况。　　

　  Study on membrane foul ing model in SMBR system 　Guo Yani1, Tong Panrui1, Tong Zhi1, L i Hai hong1, YuXiang1, Wei Zhi gang2. (1. S chool of Envi ronmental and Chemist ry Engineering , Xi’ an Pol y technic Uni versi t y ,Xi’ an S hanx i 710048 ; 2. Modern A rchi tecture and Desi gn Research I nst i tute of S hanx i , Xi’ an S hanx i 710048)Abstract :　The self2made hydrolysis acidification2submerged membrane bioreactor system was employed for thet reatment of printing2dyeing wastewater . Ten groups of uniform2designed experiment were conducted to calculate themembrane filt ration resistance under different conditions. Effect of the aeration intensity ( G) , sludge concent ration( X) and membrane flux ( J) on sludge deposition velocity of membrane surface ( K) was 本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供investigated and the calcula2tion model was set up : K = 3. 645 ×107•X 0. 312•J0. 13•G - 3. 46. In the verification of the model , the experiment da2ta could be well fit ted by the model which indicated the model was suitable for this system. With the help of model ,the development of membrane fouling under different condition could be forecasted.Keywords :　 printing2dyeing wastewater ; SMBR ; membrane fouling ; mathematical model ; verification　　
　  膜生物反应器(MBR) 是将生物处理和膜分离技术有机结合的新型高效污水处理工艺 ,但膜污染的控制是 MBR 研究中的难点之一[1 ]。U EDA 等[2 ]探讨了一体式膜生物反应器(SMBR)中曝气强度对膜面液体上升流速及膜过滤压差的影响。KISHI2NO 等[3 ]从理论上给出了膜面液体上升流速的计算模型。但他们均未对膜通量和污泥浓度对膜污染的综合影响进行研究。桂萍[4 ]首次运用正交试验方法对膜污染程度与污泥浓度、 曝气量和膜通量的关系进行全面考察 ,但各变量的取值范围窄 ,体现的是实验室模拟装置中可能出现的情况 ,且尚未得出膜过滤阻力上升速率(即膜面污本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供泥沉积速率)与运行条件的定量关系。　　
　  本研究以陕西某印染公司印染废水为研究对象 ,在自行研制的中试水处理设施中探讨水解酸化+ SMBR工艺处理印染废水时膜污染的问题 ,用均匀设计法设计试验,综合考察曝气量、 膜通量和混合液污泥浓度(ML SS)对膜面污泥沉积速率的影响 ,建立各运行条件与膜面污泥沉积速率的定量关系 ,以达到通过数学模型来控制实际运行参数的目的。
　  1 　 材料与方法1. 1 　 试验工艺试验采用水解酸化 + SMBR 工艺处理印染废水 ,设计水量为 5 m3/ d。印染废水经水解酸化预处理后进入 SMBR进行处理。试验工艺流程见图 1。

　  1. 2 　 试验装置SMBR总有效容积为 1. 7 m3,包括生物接触氧化单元和活性污泥单元(两者体积比为 8 ∶7) 。
　  填料采用Φ120 mm的醛化维纶纤维 ,SMBR底部安装枝状曝气装置 ,曝气器选用 XSH2CW型橡胶膜盘型微孔曝气器 ,生物接触氧化单本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供元和活性污泥单元的曝气量分开控制。膜组件为聚偏氟乙烯( PVDF)中空纤维微滤膜组件 ,总过滤面积为 25 m2,出水方式为外压式。
　  2 　 膜污染模型的确定孙友峰等[5 ]对 SMBR系统中的城市生活污水在不同操作条件下的膜污染情况进行建模预测,SMBR被2块挡板分隔成 1 个升流区和 2 个降流区。而本研究 SMBR中设置1块布满孔的挡板,使反应器内活性污泥与废水处于完全混合状态,不存在明显的升流区和降流区。因此,以孙友峰等建立的模型为参考,对 SMBR处理印染废水进行建模预测。
　  2. 1 　 模型的假设由文献[ 6 ]可知 ,膜间液体上升流速( uLr ) 与曝气强度密切相关 ,随曝气强度的增加而增大。
　  同时由于本系统内泥水混合液处于完全混合状态 ,无明显升流区和降流区 ,系统内部各处污泥浓度相同。因此 ,对模型的建立提出假设以进行简化:
　  ①SMBR内泥水处于完全混合状态 ,即膜面各处的 ML SS 是一致的;
　  ②uLr对膜面污泥沉积速率的影响完全可以用曝气量代替;
　  ③ 膜在系统运行过程中不发本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供生性质上的改变 ,膜污染只影响膜通量(或膜过滤阻力)而不影响膜的结构。　　
　  基于以上假设 ,本研究膜污染数学模型的基本形式采用式(1) :K = A •Xa•Jb•G- c(1)式中: K为膜过滤阻力上升速率(膜面污泥沉积速率) , 1/ (m •h) ; X 为 MLSS , g/ L ; J 为膜通量 ,L/ (m2•h) ; G为曝气量,m3/ (m2•h) ; A、 a、 b、 c 均为系数。
　  2. 2 　 膜面污泥沉积速率的确定膜面污泥沉积速率采用膜过滤阻力随时间的上升速率进行间接表征。根据过滤理论 ,膜过滤阻力可由式(2)计算:R = 3. 6 × 109• ΔP/ (μ•J ) (2)式中: R 为膜过滤阻力 , 1/ m ;μ 为滤液粘度 ,mPa •s ;ΔP 为膜过滤压力 , Pa ; J 为膜通量 ,L/ (m2•h) 。　　
　  在研究 SMBR 内水动力学特性对膜表面活性污泥沉积作用的影响中发现 ,混和液粘度和 ML SS之间具有良好的相关关系:μ= 1. 61e0. 07 X(3)式中:μ为混合液粘度(SMBR 系统中以混合液粘度代替滤液粘度) ,mPa •s。根据式(3) ,可通过测定MLSS来求解μ,ML SS采用重量法测定。　　
记录不同时刻的膜过滤压力、 膜通量及混合液粘度 ,然后根据式(2)即可算得相应时刻的膜过滤阻力。对每一个试验点都测定膜过本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供滤阻力随时间的变化情况 ,通过直线拟和 ,可以求出每个试验点的膜面污泥沉积速率。
　  3验设计与结果讨论试验在陕西某印染公司污水处理站进行 ,进水取自该公司生产车间排放的印染废水。白天 12 h连续运行和曝气 ,晚上空曝气不进水 ,共运行 100 d ,通过调节 SMBR出水流量来控制进水流量。　　
　  为了能够在合理的试验规模上扩大各变量的取值范围 ,尽量接近实际运行时的情况 ,本研究采用均匀设计法进行试验设计[ 7 ],选择了 10 个试验条件。
　  3. 1 　 膜污染模型的建立按照设计的 10 个试验条件运行试验,同时测定计算膜面污泥沉积速率 ,结果见表 1。　　 利用式(1)对 10 组试验数据进行迭代求解 ,求得一组较佳的系数: A = 3. 645 ×107、 a = 0. 312、 b =0. 13、 c = 3. 46。即在本试验条件下 ,膜面污泥沉积速率可表示为:K = 3. 645 × 107•X0. 312•J0. 13•G- 3. 46(4)3. 2 　本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供不同试验条件下膜面污泥沉积速率的预测利用式(4) ,对不同试验条件下的膜过滤阻力的变化(即膜污染的发展速率)进行预测。
　  图 2 为使用Mat lab 数学软件分别在 X = 2. 0、 5. 0、 8. 0、 10. 0g/ L下作出的 K与 G、 J 的关系曲面图。　　
　  由图 2 可以看出 , K 随 J 的增大而增大,随 G的增大而减小。不同 X 时, K随 G和 J 的变化曲面形状非常相似,都存在一条 G—J 临界曲线。当 G、J 组合值在该临界曲线以左时, K 缓慢增大,且随G、 J 的变化不大;当 G、 J 组合值在该临界曲线本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供以右时, K迅速增大,且受 G、 J 的影响极大。同时由图形对比可知, X 由 2. 0 g/ L增加到 10. 0 g/ L时 , K增加了 1 倍左右,增幅较明显 ,这为实际运行中曝气量和膜通量的控制提供了理论依据。

　  4 　 膜污染模型的验证4. 1 　 膜面污泥沉积速率随曝气量的变化根据确定的膜污染模型 ,计算不同 G条件下 , X= 6. 0 g/ L和 J = 7. 6 L/ (m2•h)时的 K,得到模型曲线;同时,在其他参数不变的情况下,控制 X = 4. 5～5. 6 g/ L、 J = 7. 6～8. 8 L/ (m2•h) ,由试验数据分析 G = 0. 148、 0. 176、 0. 260、 0. 288、 0. 316m3/ (m2•h) 时 K 的变化情况, 得到试验曲线。K—G关系曲线见图 3。由图 3 可以看出,在 X =4. 5～5. 6 g/ L、 J = 7. 6～8. 8 L/ (m2•h)条件下 ,所得试验曲线符合模型曲线。　　
　  由图 3 模型曲线可以看出 ,当 G < 0. 230m本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供3/ (m2•h)时 ,曲线很陡 ,随 G的减小 K 增大很快 ,表明膜污染迅速 ,受 G的影响极大;当 G> 0. 230m3/ (m2•h)时 ,曲线平缓 , K变化缓慢,表明膜污染发展缓慢,增大 G对减缓膜污染作用不大。这与试验得出的结果也是基本吻合的。因此确定系统 G不能低于 0. 200 m3/ (m2•h) ,最好应大于 0. 230m3/ (m2•h) 。
　
　  实际操作中 ,运行条件应尽可能将 K控制在较小的范围内 ,这样不仅有利于保持较高的透水量 ,而且有利于膜的保养和维护 ,减少膜的清洗和更换周期。
　  4. 2 　 膜面污泥沉积速率随混合液污泥浓度的变化根据确定的膜污染模型 ,计算不同 X 条件下, G= 0. 280 m3/ (m2•h) 、 J = 7. 6 L/ (m2•h)时的 K ,得到模型曲线;同时 ,在其他参数不变的情况下 ,控制 G = 0. 200～0. 300 m3/ (m2•h) 、 J = 7. 6～8. 8L/ (m2•h) ,由试验数据分析 X = 3. 0、 5. 0、 6. 0、8. 0、 9. 0 g/ L时 K 的变化情况本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供 ,得到试验曲线。K—X 关系曲线见图 4。
　  由图 4 可以看出 ,在 G = 0. 200～0. 300m3/ (m2•h) 、 J = 7. 6～8. 8 L/ (m2•h) 条件下 ,试验曲线符合模型曲线。由图 4 中的模型曲线可知 ,X 由 4. 0 g/ L增加到 9. 0 g/ L时 , K 增大趋势较缓慢 , K保持在相对较小的范围内(与 G对 K 的影响相比较) ,这说明 X 对 K 的影响程度较小。可以看出 ,随 X 的增大, K 的变化趋势趋于平缓 ,这也是SMBR能保持较高污泥浓度的原因之一。
　  4. 3 　 膜面污泥沉积速率随膜通量的变化根据确定的膜污染模型 ,计算不同 J 下 , X =6. 0 g/ L、 G = 0. 280 m3/ (m2•h)时的 K ,得到模型曲线;同时 ,在其他参数不变的情况下 ,控制 X = 4. 0～6. 0 g/ L、 G= 0. 200～0. 300 m3/ (m2•h) ,本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供由试验数据分析 J = 6. 4、 7. 6、 8. 8、 10. 0、 11. 2、 12. 4、 13. 6L/ (m2•h) 时 K 的变化情况 , 得到试验曲线。K—J关系曲线见图 5。
　
　  由图 5 可以看出 ,在 G = 0. 200～0. 300m3/ (m2•h) 、 X = 4. 0～6. 0 g/ L条件下 ,试验曲线符合模型曲线。由图 5 中的模型曲线可知 , J 由4. 0 L/ (m2•h)增大到 14. 8 L/ (m2•h)时 , K增加缓慢,且 K保持在较小范围内(与 G对 K 的影响相比较) ,说明 J 对 K 的影响程度较小。随着 J 的增大, K的变化趋于平缓 ,因此在出水达标的情况下 ,可以适当增大出水量 ,提高处理效率。　　
　  综上所述 ,通过模型计算得到的 K随各操作参数的变化与试验分析得到的结果基本一致 ,说明模型预测能很好地符合 SMBR 的实际运行情况。因此通过预测 K的变化情况 ,可改变不同操作参数的组合 ,优化操作条件 ,节省大量的试验时间。
　  5 　 结 　 论
　  (1) 综合考察了采用水解酸化+ SMBR工艺处理印染废水的中试试验中 G、 J 和 X对 K的影响,建立了膜污染模型: K= 3. 645× 107•X0. 312•J0. 13•G- 3. 46。
　  (2) K随 J 的增大而增大,随 G的增大而减小。不同 X 下, K随G和J 的变化曲面形状非常相似 ,都存在一条G—J临界曲线。 当G、 J本论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供组合值在该临界曲线以左时 , K 缓慢增大,且随 G、 J 的变化不大;当 G、 J 组合值在该临界曲线以右时, K 迅速增大,且受 G、 J 的影响极大。根据膜污染模型可以对不同运行条件下的膜污染发展情况进行预测。
　  (3) 对比了SMBR中 K与 X、 G和 J 3个主要影响因素在理论上和实际运行过程中的关系。结果表明,实际运行的测试数据与模型预测值符合性很好。

　  参考文献:

　  [ 1 ] 　顾国维,何义亮. 膜生物反应器在污水处理中的研究和应用[M] .北京:化学工业出版社,2002.
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