孫友峰、劉銳、黃霞
（清華大學環境科學與工程系，北京，100084）

　　曝氣量、膜通量和污泥濃度是影響一體式膜-生物反應器中膜面污泥沉積的重要設計參數。本研究首先通過均勻設計試驗建立了基于這三個重要參數的膜間液體上升流速和膜面污泥沉積速率模型，并通過此模型對不同操作條件下膜污染發展速率進行了預測。

1. 前言

　　膜污染是影響膜-生物反應器穩定運行的關鍵因素。膜面污泥的沉積是造成膜污染的主要構成部分。而污泥顆粒在膜面的沉積與否與膜面液體錯流流速、膜通透量、污泥濃度和污泥粒徑等密切相關。這些操作條件決定著膜面污泥沉積速率的大小，進而對膜污染發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膜面污泥沉積速率的影響，針對不同的污泥濃度，選擇適宜的曝氣量和膜通量，對減緩膜污染，降低膜-生物反應器的運行能耗具有重要意義，但有關這方面的系統研究尚未見有報道。本研究將以一體式膜-生物反應器為研究對象，通過均勻設計試驗，研究膜面污泥沉積速率與操作條件之間的關系，并建立有關數學模型，為一體式膜-生物反應器的優化運行提供依據。

2. 試驗裝置與方法

　　2.1試驗裝置
　　試驗中使用兩套相同的一體式膜-生物反應器裝置同時運行。生物反應器有效容積為180L，被兩塊擋板分割成一個升流區和兩個降流區。采用的膜組件是中空纖維微濾膜，孔徑為0.4μm， 膜面積為3m²，置于升流區內，膜下設有穿孔管鼓風曝氣。膜組件的運行采用間歇操作模式，抽吸出水15min，停抽5min。
　　2.2試驗設計
　　為建立膜間液體上升流速及膜面污泥沉積速率的數學計算模型，本試驗采用均勻設計的試驗方法，對曝氣量（G）、膜通量（J）和污泥濃度（X）分別取10個水平（G：10～100m3/(m2.h)；J：4.5～27 L/(m2.h)；X：2～20 g/L），然后按照均勻設計表U11（1110）安排10次試驗，在每次試驗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型旋杯流速儀測定。

3. 結果與討論

　　3.1膜間液體上升流速模型
　　通過均勻設計試驗，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與曝氣強度密切相關，隨曝氣強度的增加而增大。混合液污泥濃度對膜間液體上升流速起著負面影響。
　　3.2膜面污泥沉積速率模型
　　通過均勻設計試驗，測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污泥沉積速率均有正影響，而膜面流速則表現出顯著的負影響。
　　3.3不同條件下膜污染發展速率的預測
　　利用式（2），可以對不同運行條件下的膜過濾阻力的變化，即污染發展速率進行預測。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，當實際采用的J、ULr組合值在該臨界曲線以左時，Ｋ值緩慢增長且隨J、ULr的變化不大；反之，Ｋ值迅速增長且受J、ULr的影響極大。

4. 結論

　　(1) 通過均勻設計試驗，得到了適用于活性污泥流體的膜間液體上升流速計算模型；
　　(2) 考察了膜通量、曝氣強度（膜間液體流速）和污泥濃度對膜過濾阻力上升速率的影響，并建立了膜污染發展速度模型。利用該模型可以預測不同條件下的膜污染發展速率，并指導操作運行條件的優化。