膜連接活性污泥系統(tǒng)中膜過(guò)濾的特性

1、膜連接活性污泥系統(tǒng)中膜過(guò)濾的特性：絮狀結(jié)構(gòu)對(duì)于膜污垢的作用I.S.Chang and C.H.Lee化學(xué)工程公司工程學(xué)院漢城國(guó)立大學(xué)Shinlim-Dong,Kwanak-Ku，漢城，151742，韓國(guó)K.H.Ahn韓國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院P.O.Box131，CHEONGRYANG，韓國(guó)130650，韓國(guó)摘要膜連接污泥系統(tǒng)(MCAS)的過(guò)程相比傳統(tǒng)的活性污泥系統(tǒng)而言有更多優(yōu)點(diǎn)，但其內(nèi)在的膜污垢特性仍有待解決。然而，仍然沒(méi)有發(fā)展到理解這種可信賴的污垢裝置的水平。MCAS的作用在于幾乎全部移除活性污泥湯中的懸浮固體。但這讓我們忽視了污泥生態(tài)學(xué)與生理學(xué)對(duì)于膜流量的作用，而這是決定MCAS系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行性的關(guān)

2、鍵因素。這個(gè)研究旨在調(diào)查MCAS過(guò)程中的膜過(guò)濾特性，特別是將活性污泥的絮狀結(jié)構(gòu)與膜污垢相關(guān)聯(lián)。一系列帶有使用stirred batch cell系統(tǒng)的親水和疏水薄膜的超濾作用都是為了根據(jù)活性污泥（普通的，微小的和散裝的活性污泥）的絮狀結(jié)構(gòu)評(píng)定流量行為。將污泥傾向排序，發(fā)現(xiàn)是普通污泥微小污泥XM50YM30（表3）。表3攪動(dòng)單元實(shí)驗(yàn)中使用的膜的特性特性膜YM30XM40PM30分子重量（Dalton）30,00050,00030,000外皮層材料再生纖維素丙稀酸共聚物聚乙烯與水接觸角全部可濕5966新鮮的膜首先要讓外皮的一面向下漂浮在純水中漂浮90分鐘以清洗。在清潔過(guò)程中清水要更換三次。然后干凈

3、的膜要放置在攪動(dòng)單元（stirred batch cell）中（8200,Amicon Inc,USA）。攪動(dòng)單元的實(shí)驗(yàn)設(shè)置由圖1所示。滲透的流量通過(guò)在與裝有自動(dòng)讀取程序的電腦相連的裝載在頂部的電子天平上稱(chēng)重來(lái)決定。橫跨膜的壓力（.Pt）通過(guò)理由氮?dú)饪刂圃?.4條的高度，并且對(duì)于這個(gè)研究的所有測(cè)試，攪動(dòng)速度設(shè)定在180轉(zhuǎn)/分。在污泥過(guò)濾之前每個(gè)活性污泥懸浮液的MLSS濃度調(diào)整至3500100毫克/升，這是為了將濃度對(duì)于滲透量的影響排除。 不同流量的測(cè)量法 在文章中，初始的水流量（Jiw），滲透量和最終水流量（Jfw）被用于說(shuō)明膜過(guò)濾的作用。Jiw僅僅是通過(guò)潔凈膜的水流量。在過(guò)濾懸浮活性污泥之前

4、，每個(gè)膜的Jiw量是由過(guò)濾純水直到達(dá)到穩(wěn)定的流量來(lái)決定的。然后清空攪動(dòng)單元并填入活性污泥懸浮液。超濾作用持續(xù)到濃縮量要素達(dá)到5。這時(shí)候的滲透量表示為J5。然后重新清空攪動(dòng)單元并填入純水。裝有純水的試驗(yàn)?zāi)け砻娴臍堅(jiān)鼘⒃跓o(wú)壓力的情況下持續(xù)10分鐘。然后殘余水被移除。出去表面殘?jiān)驤fw由純水決定。結(jié)果與討論絮狀結(jié)構(gòu)對(duì)于膜污垢的作用 一般來(lái)說(shuō)，活性污泥絮狀結(jié)構(gòu)根據(jù)絮狀結(jié)構(gòu)和絲狀細(xì)菌的平衡分為三類(lèi)，散裝的，微小的和常規(guī)理想的絮狀物（16）。具有以上三種絮狀結(jié)構(gòu)的活性污泥通過(guò)控制比如HRT,F/M比率等來(lái)制備。每種污泥的操作和污泥特性在表2中被概括。污泥量的指數(shù)(SVI）被用來(lái)作為監(jiān)控通風(fēng)生物反應(yīng)器的一

5、個(gè)度量方法。一般污泥，微小絮狀污泥和散裝污泥的SVI值分別為70，30和249毫升/克。將混合液沉淀30分鐘之后的懸浮固體（SS）和表面渾濁物直接與絮狀結(jié)構(gòu)相關(guān)，因?yàn)楸娝苤⑿⌒鯛钗勰嘤袦啙岬谋砻妫⒀b污泥則具有干凈的表面（17）。在這個(gè)試驗(yàn)微小絮狀污泥的表面很渾濁（SS=130毫克/升，渾濁度47NTU），反之一般和散裝污泥渾濁度相對(duì)較低（一般污泥：SS=44毫克/升，渾濁度14NTU;散裝污泥：SS21毫克/升，渾濁度11NTU）。對(duì)混和溶液的細(xì)微觀察顯示每種活性污泥的絮狀結(jié)構(gòu)（如圖2）。在散裝污泥中可以觀察到絲狀微生物的增殖（圖2c），同時(shí)在微小絮狀污泥沒(méi)有觀測(cè)到絲狀細(xì)菌（圖2b）。另

6、一方面，一般活性污泥顯示除細(xì)菌絲狀和絮狀結(jié)構(gòu)的良好平衡（圖2a）。微小絮狀的最小絮狀尺寸是80毫米，一般和和散裝污泥較大但是圖2 用顯微鏡觀察的不同活性污泥絮狀結(jié)果：(a)一般絮狀，(b)微小絮狀，(c)散裝絮狀相似，分別為131和138毫米。具有不同疏水性膜的一系列超濾作用是為了根據(jù)活性污泥絮狀結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)流出進(jìn)行評(píng)定。滲透流量與最初流量的比率，J/Jiw，被劃分出來(lái)作為濃度因素的作用（圖3a,3b,3c），因?yàn)閷?duì)每個(gè)膜最初的水的評(píng)估（Jiw）是彼此不同的。在帶有YM30膜的散裝污泥的超濾過(guò)程中，當(dāng)流量達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)候滲出流量從濃度要素3講降低到Jiw的12，在相同濃度要素條件下一般污泥滲出流量只

7、是降低到大圖3a 根據(jù)在具備YM30膜的活性污泥湯超濾作用期間絮狀結(jié)構(gòu)計(jì)算的流量下降 圖3b根據(jù)在具備XM30膜的活性污泥湯超濾作用期間絮狀結(jié)構(gòu)計(jì)算的流量下降圖3c根據(jù)在具備PM30膜的活性污泥湯超濾作用期間絮狀結(jié)構(gòu)計(jì)算的流量下降概Jiw的55。由于微小的絮狀污泥原因，在相同的濃度因素（CF）下降低了大概40。其他兩個(gè)膜（XM50和PM50）也顯示出同樣的流量下降趨勢(shì)，但XM50和PM30的流量下降范圍明顯于YM30膜不同。這種效果會(huì)在以后部分詳細(xì)討論。如果不考慮膜污垢傾向的話，滲透的水的質(zhì)量是很高的。比如，對(duì)于YM30膜,COD的排斥率是93到97，如表2所示。 總之，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的滲透降低的順

8、序是一般污泥微小絮狀污泥微小絮狀污泥一般污泥，并且所有的膜都是相同的。 很大的Rc/Rf值清楚地說(shuō)明了餅層的構(gòu)成應(yīng)該是總體流出減少的主要因素。也就是說(shuō)，膜污垢的傾向看起來(lái)很大程度上與活性污泥絮狀物的特性有關(guān)，比如尺寸，性質(zhì)，絮狀物上的特殊表層，等等。 為了深入研究餅層構(gòu)成的不同，Carman-Kozeny等式被用于連續(xù)阻力模型（resistance-in-series model）。 (6) (7) 這里L(fēng)是餅層厚度，S是餅層介質(zhì)的特殊表面（S= ），k是Kozeny常數(shù)，是餅層的多孔性，是指球狀，d指餅層介質(zhì)直徑。 從公式（6）（7）中看出，餅層阻力（Rc）看起來(lái)是介質(zhì)直徑（d）平方的倒數(shù)。

9、考慮到一般活性污泥（131um）和微小絮狀污泥（8um）的平均尺寸，如表2所示，絮狀物尺寸的不同將會(huì)是微小污泥的Rc值比一般污泥高的原因之一。表4 每個(gè)阻力值再現(xiàn)性的統(tǒng)計(jì)評(píng)估Rm()Rc()Rf()Rt()第一輪26.619.40.3146.3第二輪17.6210.3248.2第三輪-24.50.3442.5平均數(shù)-21.60.3245.7標(biāo)準(zhǔn)差(s)-2.60.022.9相關(guān)系數(shù)(%)-1266 表5 絮狀結(jié)構(gòu)和膜材料改變的一系列阻力Rm()Rc()Rf()Rt()Rc/Rt(%)YM30:一般污泥23240.347.350.7 微小污泥20350.355.363.3 散裝污泥202500.

10、3273.391.5Xm50:一般污泥106768380.7 微小污泥97979583.2 散裝污泥9499651497.1PM30:一般污泥5100611190.1 微小污泥4198921193.8 散裝污泥65621057897.2另一方面，雖然兩種污泥的絮狀物尺寸非常相似（一般污泥為131um,散裝污泥為138um），但考慮到膜的結(jié)構(gòu)，散狀污泥的Rc值是一般活性污泥的5到10倍。據(jù)報(bào)道散裝污泥沒(méi)單位表面區(qū)域的微生物量高于一般污泥（18）。然而， 公認(rèn)散裝污泥與一般污泥相比具有更大的餅層特殊表面，(S=6/)，因?yàn)樗哂懈〉那驙?，定義為與球體等量的表面區(qū)域與實(shí)際表面區(qū)域的比率。Nakan

11、ishi et al研究了微生物的形狀對(duì)于膜過(guò)濾特性的效果。他們發(fā)現(xiàn)橢圓細(xì)胞（比如M.glumitacus和面包師的酵母）的餅層多孔性大約為0.3，反之棒狀細(xì)胞（比如E.coli,R.spheroides和B.circulans介于0.1到0.23之間。在這部分中，既然一般的和散裝污泥的絮狀物，如公式2所示，看起來(lái)分別類(lèi)似橢圓和棒裝細(xì)胞，那么散裝污泥的多孔性應(yīng)該比一般污泥小。根據(jù)公式（6），多孔性的微小改變會(huì)導(dǎo)致餅層阻力的巨大變化。因此，散裝污泥與一般污泥相比流量的降低本質(zhì)上因?yàn)樵从诮z狀細(xì)菌增殖導(dǎo)致的更小的多孔性和同等絮狀尺寸假設(shè)下更大的特殊表面。 MCAS系統(tǒng)不受如其他許多研究者所指出的固液

12、分隔問(wèn)題影響。這是這個(gè)過(guò)程與傳統(tǒng)活性污泥法相比最重要的優(yōu)點(diǎn)。然而，如果絲狀的散裝污泥是發(fā)生在通風(fēng)罐里或者產(chǎn)生微小的流量擴(kuò)散，可以預(yù)計(jì)在本系統(tǒng)的操作中會(huì)產(chǎn)生劇烈的流量下降。因此，在MCAS系統(tǒng)中維持正常的活性污泥絮狀物對(duì)于最小化流量的降低，同時(shí)對(duì)于傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)中良好的沉淀非常重要。膜的疏水性對(duì)于污垢的作用圖4顯示了具有三種不同膜的一般活性污泥超濾作用中的流量下降。根據(jù)膜材料的不同流量下降的程度也有很大差異。具有強(qiáng)疏水性的PM30膜，在所使用的三種膜中顯示出最高的流量下降程度。疏水的YM30膜顯示相對(duì)較小的流量下降，反之疏水的XM50膜顯示出更小的中間流量下降。因此，流量降低程度可以說(shuō)與膜的疏

13、水性密切相關(guān)。在泡沫型的活性污泥的超濾作用中也觀察到同樣的流量模式(20)。圖4 根據(jù)膜材料的流量比濃度 以上結(jié)果可以由膜表面和活性污泥絮狀表面的疏水相互作用引起。疏水相互作用的重要性已經(jīng)被許多其他研究者所認(rèn)識(shí)。比如,Fletcher和Loeb(21)報(bào)道說(shuō)許多細(xì)菌被發(fā)現(xiàn)可以首先粘附在疏水底層而不是疏水的單元上。Ridgway et al(22)指出細(xì)菌細(xì)胞表面組成與倒轉(zhuǎn)的滲透性膜表面的疏水相互作用對(duì)于細(xì)菌保持和生物薄膜的形成有重要作用。 然而，疏水交互作用可能不是這種現(xiàn)象的唯一原因，因?yàn)椴煌さ奈酃竷A向不止取決于膜的疏水性，而且還有膜表面的屬性。本研究中使用的膜具有不同的表面屬性。比如，XM

14、50膜(50,000道爾頓)與YM30和PM30膜(30,000道爾頓)的分子重量（MWCO）有一些差別。還有，YM30膜的表面多孔性（約50）與PM30膜（23，24）有很大差異（10%）。 為了確定上述表4顯示的結(jié)果是否真的由于疏水交互作用的原因，一般污泥的膜過(guò)濾由兩種具有同樣表面小孔尺寸和多孔性但是疏水性不同的膜來(lái)進(jìn)行的。GVMP和GVHP（MILLIORE）膜被挑選出來(lái)以達(dá)到這個(gè)目的。兩種膜有相同的小孔尺寸（0.22um）,相同的表面多孔性（75），并且由同種材料構(gòu)成（聚偏二乙烯，PVDF）。另一方面，兩種表面疏水性是不同的。與水滴接觸角的測(cè)量顯示GVWP的接觸角為61(親水)，GVH

15、P的為118（疏水）。 表5比較了具有GVWP和GVHP膜的一般活性污泥過(guò)濾過(guò)程中的流量下降。它清楚地顯示出疏水膜的流量降低明顯大于親水膜。結(jié)果，可以得出結(jié)論疏水交互作用是控制活性污泥膜過(guò)濾的流量下降一個(gè)關(guān)鍵因素。眾所周知微生物細(xì)胞的表面具有疏水分子比如蛋白質(zhì)或者油脂。因此，疏水表5 在活性污泥微型過(guò)濾中親水膜與疏水膜流量模式的比較交互作用可能歸因于介于活性污泥絮狀和膜表面之間復(fù)雜表面成分的吸引力。結(jié)果，在MCAS系統(tǒng)中，疏水膜顯示出比親水膜更高的污垢傾向。結(jié)論 在這個(gè)研究中，在活性污泥多種絮狀結(jié)構(gòu)的條件下研究了MCAS系統(tǒng)中膜過(guò)濾的特性，并且得出以下結(jié)論：1. 通過(guò)使用（Rf,Rc,Rt）系

16、列模型中的阻力分析了膜污垢的傾向，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得到每個(gè)阻力值的方法從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)看是可信的。2. 在任何膜材料和絮狀結(jié)構(gòu)中，餅層阻力（Rc）看起來(lái)是總體阻力（Rt）的控制因素，反之污垢阻力(Rf)是可以忽略的。 3. 污垢傾向的順序是散裝污泥，微小污泥和一般污泥，如果不考慮膜材料的話?？刂迫磕の酃竷A向的關(guān)鍵因素是活性污泥絮狀物的形狀和大小，還有堆積在膜表面的餅層的多孔性。4. 盡管MCAS系統(tǒng)不受固液分隔問(wèn)題的影響，但是維持一般活性污泥絮狀物對(duì)于此系統(tǒng)穩(wěn)定的操作是很重要的。 5. 在活性污泥膜過(guò)濾中，由于疏水交互作用，疏水膜總是展示出比親水膜更強(qiáng)的污垢傾向。術(shù)語(yǔ)d 餅層直徑（m）J 滲透

17、流量（）Jiw 內(nèi)部水流量（ ）Jfw 最終水流量（ ） 在因素5的濃度下的流量()k Kozeny常量L 餅層厚度（m）Rc 餅層阻力()Rf 污垢阻力()Rm 膜阻力()Rt 總體阻力()S 特殊表層 滲透的動(dòng)態(tài)粘性 球形 橫跨膜的壓力（Pa）感謝這個(gè)研究是由韓國(guó)環(huán)境部門(mén)資助的。在這里作者們向J.S.Yum先生和H.S.Lee女士表示感謝，感謝在環(huán)境科學(xué)工程學(xué)院和漢城國(guó)立大學(xué)實(shí)驗(yàn)期間給予我們的幫助。參考文獻(xiàn)1. A. D. Bailey, G. S. Hansford, and P. L. Dold, Water Res., 28, 297 (1994).2. S. Chaize and

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