控制临界通量对MBR平板膜污染影响

6.3.1.1控制临界通量对MBR平板膜污染影响

一个主要问题是如何选择合适的操作通量。操作通量的选择在膜生物反应器的设计中，会关系到投资成本以及运行中的膜污染问题，较高的设计通量虽能够降低膜组件的投资成本，但是会造成严重的膜污染问题，从而提高了膜清洗频率和运行成本。同时，频繁的膜清洗操作也会影响膜组件的使用寿命。因此，膜通量的选择必须考虑膜生物反应器的可持续探作性与投资成本的关系，从中找到平衡。Field 等在 1995 年首次提出了临界通量的概念，它的定义是在该通量以下，透膜压力不会随过滤时间的延长而增加，透膜压力和通量保持良好的线性关系。超过临界通量，污染就会发生，透膜压力随过滤时间的延长而增加。通量降低后，透膜压力的滞后现象也会发生。临界通量依赖于错流速度、颗粒粒径和其他流体力学条件和被过滤介质的特性。

临界通量有两种类型:强读式 (strong form) 和读式(weak form)。强读式临界通量是指 (strong form)低于该通量时，在不同通量下过滤混合液的透膜压力与该通量下过清水的透膜压力相同。弱读式(weak form) 临界通量是指低于该通量时，在不同通量下过滤混合液的透膜压力高于该通量下过滤清水的透膜压力，但是透膜压力和通量还能保持良

好的线性关系。在低于临界通量时，透膜压力在升高和降低通量时保持稳定。Kwon 等[7]研究了 10~100mg/L 高岭土悬浮液的临界通量情况。临界通量随着高岭士浓度的提高而降低，而加人了 1~4mg/L 的棕黄酸有机物对于临界通量没有影响。在对1.0pm、0.1pm 和混合的乳胶胶体颗粒 (latex)悬浮液的临界通量进行研究时发现，其相对应的临界通量分别是120L/(2·h)、105L/(m2·h)和88L/(m%·h)。对10um的latex颗粒悬浮液表现出了临界通量的强读式特征。在高错流速度和低浓度的情况下，临界通量会提高。对于混合液来说，临界通量低于混合前单一溶质的临界通量。应用扫描电镜发现了对于单一颗粒的悬浮液，低于临界通量，颗粒没有发生沉积。对于混合物来说，在开始的 2h 内没有发生沉积现象，但在 10h 以后，发现了有滤饼层的出现。对此可能的解释是混合颗粒提高了在膜表面动态流动层的堆积密度。

Kwon和 Vigneswaran[7]研究了 latex颗粒粒径和表面电荷对临界通量的影响。临界通量随颗粒粒径的增大而增大。在应用聚醚矶膜对胶体、BsA、酵母悬浮液和氢氧化镁悬浮液的研究发现，临界通量在错流速度提高和悬浮颗粒浓度下降时会升高。

Mallttari和Nystrom研究了对于造纸废水和高浓度多糖类废水的纳滤过程。临界通量随着进水浓度的降低而升高并与错流速度成正比。可逆的和不可逆的膜污染都会随着错流速度的上升而降低。大部分的膜污染都是可逆的。Metsamuuronen[8]等研究了肌血球素溶液和酵母悬浮液的临界通量，应用亲水的 C3oG 膜发现临界通量随错流速度的升高而升高并与溶

质浓度成对数的反比关系，应用疏水的 GRsi膜，观察不到临界通量。膜的孔径对临界通量似乎没有很大的影响。Vyas 等在过滤乳白蛋白悬浮液的实验中发现，应用膜孔径0.2pm和1.0m，临界通量几乎相同。Madaeni 等报道了亲水性膜过滤活性污泥，临界通量较高，但是在 0.22~0.65m 范围内，和孔径几乎无关。Kwon 等研究了膜孔径0.1~0.65um 的微滤膜的临界通量。应用了0.8um 的latex 作为被过滤介质，发现膜孔径对于临界通量没有重要影响，低于临界通量，大孔膜的透膜压力比较低，超过临界通量，大孔膜透膜压力的上升速率更快。与此相反，Chen 研究发现对于过滤小牛血清蛋白BsA 溶液，膜孔径在0.1~0.4um 之间时，临界通量随着膜孔径的增大而增大，但是截留率

随着孔径的增加而降低。在此过程中，浓差极化并不明显。近来一些新的技术可以用来探索临界通量的机理，例如，在过滤过程中，通过光学显微镜对膜表面进行实时的直接观察(DOTM)等。DOTM 技术是由 Li等[设计的用来观察膜表面的新技术。在过滤 latex 的过程中，低于临界通量时，可以观察到膜表面没有沉积。超过临界通量时，膜表面发生了沉积。进一步的工作中，Li 等研究了在不同错流速度下的 3~12m 范围内 latex、酵母和藻类颗粒的临界通量，也发现了临界通量随错流速率和颗粒粒径

的升高而升高，同时和被过滤介质的浓度呈负相关。Vigneswaran等L10]研究了基于3种不同的定义下的微滤过程中的临界通量问题。O物料平衡:通过检测液相中颗粒的浓度，可以推测沉积是否发生。临界通量是不发生沉积的最高通量。@提高透膜压力:临界通量是能够使透膜压力保持稳定的最高通量。3直接观察(DOTM):临界通量是发生沉积的最小通量。

对于分别单一分散的 latex 颗粒来说，在 0.3~0.9um 范围内，最小粒径的颗粒最易于沉积。基于物料平衡和压力保持不变的方式得到的临界通量，一般比较高，不够精确，通过直接观察(DOTM) 所获得的临界通量通常较低，但比较精确。

基于透膜压力改变所判断的临界通量，在颗粒粒径 0.1~0.46m 范围内，会随着粒径的增大而降低。而在 0.46~0.9pm 范围内会随着粒径的增大而增大。最小的临界通量会发生在0.46um的颗粒上。低于0.46um 的颗粒时，可能比较强的布朗运动对临界通量有帮助，膜孔径似乎对临界通量没有任何影响。而改变介质的浓度，在 30~400mg/L 范围内临界通量会随着介质浓度的提高而略下降。

很多工作者也研究了在污水处理中临界通量的应用。对比陶瓷膜生物反应器中，对活性污泥的恒压过滤或恒流过滤过程中，临界通量会随错流速度的上升而上升。对可逆的膜污染进行的研究中发现，在临界通量以下，膜污染是可逆的。超过临界通量，一部分的膜污染变成不可逆的。在过滤活性污泥的过程中，临界通量随错流速度提高和污泥浓度的降低而升高。亲水膜的临界通量较高，并与膜孔径无关。在膜生物反应器中，因为过滤介质是活性污泥混合物，透膜压力只能在短周期试验中保持稳定。在临界通量以下，长期实验中，穿膜压力会经历慢速上升阶段，在稳定一段时间后，会发生快速上升。Cho 和 Fanel]提出了溶解性的大分子有机物沉积会造成透膜压力渐进地升高。膜孔道的堵塞减少了膜的有效面积，导致了局部通量超过临界通量，并最终导致透膜压力的快速上升，或称为透膜压力的跃升(TMPjump)。一般情况下，浸没式膜生物反应器的临界通量在 20L/ (m2·h)。