孫友峰、劉銳、黃霞
（清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京，100084）

　　曝氣量、膜通量和污泥濃度是影響一體式膜-生物反應(yīng)器中膜面污泥沉積的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。本研究首先通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)建立了基于這三個(gè)重要參數(shù)的膜間液體上升流速和膜面污泥沉積速率模型，并通過此模型對(duì)不同操作條件下膜污染發(fā)展速率進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1. 前言

　　膜污染是影響膜-生物反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。膜面污泥的沉積是造成膜污染的主要構(gòu)成部分。而污泥顆粒在膜面的沉積與否與膜面液體錯(cuò)流流速、膜通透量、污泥濃度和污泥粒徑等密切相關(guān)。這些操作條件決定著膜面污泥沉積速率的大小，進(jìn)而對(duì)膜污染發(fā)展速率有著重要影響。綜合研究曝氣量、膜通量和污泥濃度對(duì)膜面污泥沉積速率的影響，針對(duì)不同的污泥濃度，選擇適宜的曝氣量和膜通量，對(duì)減緩膜污染，降低膜-生物反應(yīng)器的運(yùn)行能耗具有重要意義，但有關(guān)這方面的系統(tǒng)研究尚未見有報(bào)道。本研究將以一體式膜-生物反應(yīng)器為研究對(duì)象，通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究膜面污泥沉積速率與操作條件之間的關(guān)系，并建立有關(guān)數(shù)學(xué)模型，為一體式膜-生物反應(yīng)器的優(yōu)化運(yùn)行提供依據(jù)。

2. 試驗(yàn)裝置與方法

　　2.1試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)中使用兩套相同的一體式膜-生物反應(yīng)器裝置同時(shí)運(yùn)行。生物反應(yīng)器有效容積為180L，被兩塊擋板分割成一個(gè)升流區(qū)和兩個(gè)降流區(qū)。采用的膜組件是中空纖維微濾膜，孔徑為0.4μm， 膜面積為3m²，置于升流區(qū)內(nèi)，膜下設(shè)有穿孔管鼓風(fēng)曝氣。膜組件的運(yùn)行采用間歇操作模式，抽吸出水15min，停抽5min。
　　2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)
　　為建立膜間液體上升流速及膜面污泥沉積速率的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，本試驗(yàn)采用均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，對(duì)曝氣量（G）、膜通量（J）和污泥濃度（X）分別取10個(gè)水平（G：10～100m3/(m2.h)；J：4.5～27 L/(m2.h)；X：2～20 g/L），然后按照均勻設(shè)計(jì)表U11（1110）安排10次試驗(yàn)，在每次試驗(yàn)中考察膜間液體上升流速和膜過濾阻力上升速率。膜間液體上升流速采用LS45型旋杯流速儀測(cè)定。

3. 結(jié)果與討論

　　3.1膜間液體上升流速模型
　　通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，建立了適于活性污泥混合液（非牛頓流體）條件下的膜間液體上升流速模型：

U_sr=1.311·U_Lr^1.226·e^-0.0105x

　　式中，Usr和ULr分別為活性污泥混合液中和清水中的膜間液體上升流速。清水中的膜間液體上升流速ULr與曝氣強(qiáng)度密切相關(guān)，隨曝氣強(qiáng)度的增加而增大。混合液污泥濃度對(duì)膜間液體上升流速起著負(fù)面影響。
　　3.2膜面污泥沉積速率模型
　　通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，測(cè)定了不同操作條件下膜過濾阻力的變化（圖1為示例）。由該圖可知，膜過濾阻力基本上隨時(shí)間線性增加。因此，可以通過直線擬和，求出膜過濾阻力上升速率(K)，并建立K與操作條件的關(guān)系式，如下：

K=(8.933×10⁷)·X^0.532·J^0.376·U_Lr^-3.047　　　　　(2)

　　由此模型可知，污泥濃度及膜通量對(duì)污泥沉積速率均有正影響，而膜面流速則表現(xiàn)出顯著的負(fù)影響。
　　3.3不同條件下膜污染發(fā)展速率的預(yù)測(cè)
　　利用式（2），可以對(duì)不同運(yùn)行條件下的膜過濾阻力的變化，即污染發(fā)展速率進(jìn)行預(yù)測(cè)。由圖2可見，膜過濾阻力上升速率K隨膜通量J的增大而增加，隨膜間液體流速（即曝氣強(qiáng)度）ULr的增大而減小。各污泥濃度下，K隨J和ULr的變化曲面形狀非常相似：都存在一條J～ULr臨界曲線，當(dāng)實(shí)際采用的J、ULr組合值在該臨界曲線以左時(shí)，Ｋ值緩慢增長(zhǎng)且隨J、ULr的變化不大；反之，Ｋ值迅速增長(zhǎng)且受J、ULr的影響極大。

4. 結(jié)論

　　(1) 通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得到了適用于活性污泥流體的膜間液體上升流速計(jì)算模型；
　　(2) 考察了膜通量、曝氣強(qiáng)度（膜間液體流速）和污泥濃度對(duì)膜過濾阻力上升速率的影響，并建立了膜污染發(fā)展速度模型。利用該模型可以預(yù)測(cè)不同條件下的膜污染發(fā)展速率，并指導(dǎo)操作運(yùn)行條件的優(yōu)化。