间歇出水对控制MBR平板膜污染影响

间歇出水对控制MBR平板膜污染影响：间歇出水(Intermittent permeation)作为一种控制膜污染的有效技术已在商业膜生物反应器中被广泛应用。最早在浸没式膜生物反应器中长期应用了间歇出水操作方式的是Yamamot。间歇出水是一种通过错流速度实现自我清洗的过程，在保持错流速度的情况下有规律地停止出水，释放透膜压力，以减轻膜表面的污泥沉积现象。沉积的颗粒在没有透膜压力的作用时，可以被气液两相流带走。间歌出水一般应用于平板膜或是比较精细的膜，组件无法耐受反洗压力。间歇出水的好处就是操作简单、无需额外的设备、可以节能等。对于连续出水膜分离过程来说，出水的水量与使用的膜面积和操作通量相关。在相同操作通量下，应用间歇出水，实际上比连续过滤出水的出水量低，为达到和连续出水相同的出水流量，间歇出水操作需要更大的膜面积而增加了膜生物反应器的投资成本。因此，采用间歇出水操作方式，必须考虑投资成本的因素。

Kuberkar[12]等在酵母悬浮液、小牛血清蛋白溶液和两者的混合物的过滤过程中，对连续过滤和间歇出水进行了比较。结果发现，间歇出水只对过滤酵母悬浮液时形成的膜表面滤饼层有效，对于小牛血清蛋白溶液的过滤中造成的膜内部堵塞则完全没有帮助。一般来说在间歇出水的循环中，连续过滤段一般是 0.5~10min，暂停过滤段一般是0.2~240s。连续与暂停的比例一般为1500:1到10:4。研究表明，间歇出水对减轻滤饼造成的膜污染有效，但是对内部孔道污染没有明显作用。

在污水处理过程中，在气液两相流中，暂停过滤，保持曝气和错流速度对于降低透膜压力有帮助。在浸没式的中空纤维膜生物反应器中，停止过滤 7天以消除沉积的滤饼层，透膜压力可以恢复到过滤前水平。

很多研究者应用了1~9min 过滤，30s~2min 停止的间歇过滤的循环;也有人应用了8h过滤，4h停止的循环。比较常用的循环比例为 8~13min 过滤，2min 停止。久保田的平板膜生物反应器一般应用8min 过滤，2min 暂停的过滤循环。Ahn和Song13]研究了间歇过滤的循环:过滤10min停2min、过滤 10min停0.5min 和过滤30min停2min。结果表明过滤10min停 2min的方式可持续的操作时间最长。

据报道在高错流速度下，停止过滤时，膜通量能得到很好的恢复。错流速度存在一个优化，过高或过低，通量都无法达到最佳。应用连续过滤 10min停止过滤 4min 的循环方式过滤 3h，最终的通量是连续过滤 3h的3倍。连续过 10min 停止过 min 的循环方式过滤，

通量下降很明显。Kuruzovich 等研究了间歌出水的循环:过滤 0.5~6min，停止5~90s.在一个循环中，对于较长的连续过滤时间来说，较长的停止过滤时间是必要的。停止的时间越长，通量降低的程度越轻。

在间歇出水控制膜污染的研究中，合理地比较膜污染必须建立在相同出水水量的基础上。对于连续出水操作来说，膜的通量即是其出水流量除以膜面积;而对于间歇出水，膜的净通量 (net flux)应该是单位时间的出水量除以膜面积。膜的净通量与瞬时操作通量的关系用下式表示:

在文献中，很多的膜污染比较并非在净通量上进行比较，而是在相同的净通量下，通过透膜压力的变化过程来考察间歇出水操作对控制膜污染的作用机理。

在相同的净通量下，间歇出水的透膜压力上升速率高于连续出水的原因是在间歇出水操作条件下，为保证净通量与连续出水相同，必须提高其瞬时操作通量，因此，在过滤过程中，间歇出水操作的膜组件出水期间的透膜压力高于连续出水的膜组件。由于通量阶梯实验室短周期试验，每个通量阶梯只保持几个小时，因此造成短时间内间歇出水操作的膜组件出水期间的透膜压力上升快，在通量阶梯实验中表现为临界通量低于连续出水的膜组件。由以上讨论可知，保持相同净通量，短时间的过滤试验显示间歇出水操作没有优势，但是由于其

在高透膜压力下的良好表现，有必要进行长周期的过滤试验以观察其表现。在高于临界通量时，间歇出水操作膜组件的透膜压力高于连续出水膜组件透膜压力的时间较短。当透膜压力值达到 6kPa 以上时，连续出水的膜组件透膜压力表现为跃升，并高于间歇出水操作膜组件的透膜压力。因此，高于临界通量时，间歇出水操作透膜压力上升速率低于连续出水的操作。

间歇出水操作控制膜污染的主要作用机理在于通过规律性地释放作用在膜上的透膜压力，以帮助膜表面附着的活性污泥发生脱附，以避免在膜表面形成较厚的或较密实的滤饼层。不同的操作通量下，活性污泥的膜污染机理不同。可持续通量是上清液有机高聚物污染与滤饼层污染的分界点。低于可持续通量时，EPS或SMP 通量在膜表面和内部的积累是污染的主因，活性污泥的不可逆附着并非造成膜污染的主因。短时间的通量阶梯试验结果显示，净通量下，间歇出水污染速率高于连续出水。在净通量 20L/ (m·h)时，在过滤操作的大部分时间里(初始的 20 天以内，初始 2/3 的过滤时间)，间歌出水操作条件下透膜压力始终高于连续出水操作，其透膜压力上升速率也高于连续出水操作。然而，连续出水操作中膜污染会累积并自我加速，当膜阻力上升到一定高度，透膜压力达到较高值时，也会打破活性污泥的可逆附着，使附着过程向不可逆转化，形成滤饼层。在此条件下，间歇出水对滤饼层污染的控制作用就会显现，有规律地释放透膜压力，能够提高污泥颗粒反向传质，防止形成厚密的滤饼层，透膜压力不会发生大幅跃升。因此，在低通量操作的后半段，连续出水会使膜污染发生积累，使透膜压力大幅跃升。间歇出水操作则能在高透膜压力时，通过规律性地释放压力，使饼层厚度和密度得到控制，防止或推迟透膜压力跃升的出现。在高于可持续通量时，膜污染的主要机理是滤饼层的污染，由于间歇出水的瞬时操作通量高于连续出水，因此，开始的一小段时间内，间歇出水操作膜组件的透膜压力依然高于连续出水的膜组件透膜压力，原因是间歇出水的瞬时通量高于连续出水，间歇出水污泥颗粒的附着速度高于连续出水。当透膜压力值达到一定值 (6kPa) 时，连续出水的膜污染会形成污染自我加速的循环，即膜污染-TMP 升高-更严重的膜污染，导致连续出水的膜组件透膜压力会迅速升高，高于间歇出水操作的膜组件的透膜压力并发生跃升。而间歇出水操作则通过规律性地释放压力，破坏了滤饼层连续积累的过程，切断了长时间连续出水的膜污染自我加速的循环，使膜污染的积累只发生在出水-停止出水的小循环内，即短时间出水造成膜污染积累-停止出水释放大部分的膜污染，使间歇出水的膜压力稳定在较低水平，有效地防止连续积累的膜污染造成透膜压力的跃升。