新型五孔超滤膜处理城市污水的

第5卷第6期环境工程学报
Vol ．5，No ．62011年6月
Chinese Journal of Environmental Engineering
Jun．2011
新型五孔超滤膜处理城市污水的研究
黄健平
1，2
刘纳
1
曹军
3
邵玉敏
1
奚旦立
2
（1．华北水利水电学院环境与市政工程学院，郑州450011；
2．东华大学环境科学与工程学院，上海200051；3．郑州市五龙口污水处理厂，郑州450006）
摘
要
新型五孔中空纤维膜与传统的城市污水处理系统集成处理城市污水。

结果表明：COD 、
NH 3-N 和TP 的平均去除率分别为95．66%、99．02%和81．08%，出水UV 254＜0．2cm －1
，BOD 5＜2mg /L ，平均浊度为0．10NTU ，未检测出粪大肠
杆菌和SS ；出水水质可达到回用水要求，
可省略后续的深度处理工艺，彻底消除氯前驱物造成的危害。

对膜污染控制研究，得出连续运行的方式膜污染最严重，间歇运行方式的较佳抽停比为10min /2min ，延长抽停比可加剧膜污染。

关键词五孔膜水处理膜污染运行方式
中图分类号X703文献标识码A 文章编号1673-
9108（2011）06-1321-04Study on a novel five-bore ultrafiltration membrane
for domestic wastewater treatment
Huang Jianping 1，
2
Liu Na 1Cao Jun 3Shao Yumin 1Xi Danli 2
（1.Institute of Environmental and Municipal Engineering ，North China University of Water Resources ＆Electric Power ，Zhengzhou 450011，China ；
2.Institute of Environmental Science and Engineering ，Donghua University ，Shanghai 200051，China ；
3.Wulongkou Wastewater Treatment Plant ，Zhengzhou 450006，China ）
Abstract A novel five-bore hollow fiber membrane module combined with traditional wastewater treatment
was applied to domestic wastewater treatment．The result showed that the average removal ratios of COD ，NH 3-N and TP were 95．66%，
99．02%and 81．08%，respectively ，the UV 254and BOD 5in the final effluent were re-duced to less than 0．2cm －1and 2mg /L ，respectively．The average turbidity of the effluent was 0．10NTU ，E．coli and SS could not be detected．It is suggested that the effluent quality could satisfiy the standard for water reclamation and could reduce following tertiary treatment process ，endanger of chlorine precursor was completely eliminated．The method of mitigating membrane fouling was studied．The result showed that the more severe foul-ing happened during the continuous operation．The optimum operation condition of intermittent filtration condition of suction time /suspended time ratio was 10min /2min ，membrane fouling increased as suction time /suspended time ratio increased．
Key words five-bore membrane ；wastewater treatment ；membrane fouling ；operating mode 收稿日期：2010－05－20；修订日期：2010－07－09
作者简介：黄健平（1968 ），女，博士，高工，硕导，主要从事水污染
控制技术、
环境评价等研究。

Email ：huangjianpingh@yahoo．cn
膜法水处理技术是解决当前所面临的水资源短缺和水环境污染的关键技术之一。

膜技术是一种治理工业废水、城市污水的有效手段，与其他传统的污水处理方法相比较，具有以下特点：处理效率高、能耗低、流程简单、可以和其他处理单元集成组合、在常温下可连续操作，被净化的水和回收的有害物质
可以再利用
［1，2］。

膜分离技术是废水深度处理的关键技术之一，
废水深度处理后回用是解决当前所面临的水资源短缺和水环境污染的主要方法之一［3］。

近年来关于膜技术应用在污水处理中的研究逐渐增多。

自制的五孔膜组件集聚了中空纤维膜和管
式膜的优点，五孔膜组件的填装密度为3000m 2/m
3
左右，管式膜的填装密度一般低于300m 2/m 3［4］
，填
装密度远大于管式膜；五孔膜每个孔的直径约为
0.8mm ，内部疏松外部皮层致密，易于反冲洗再生；由于内部膜孔比较小，且进水为富含活性污泥的生化水，采用外压式，不易堵塞，易于清洗，同时具有中空纤维自支撑的优点和更稳定的效率，断裂拉伸力是普通单孔膜的3 5倍，也更适合大规模污水处理的需要。

目前尚未见关于五孔膜用于污水处理的相关报道。

本实验用自制的五孔中空纤维膜处理城市
环境工程学报第5卷
污水。

为了考察膜的水处理性能和膜污染性能采用强制污染的方法，
将膜组件直接放置生化池中，从出水水质、膜污染速率等方面研究五孔膜装置运行效果。

1实验装置与方法
1．1实验装置所用实验装置如图1所示，主要由膜组件、生化池及输送系统等组成。

装置由继电器自动控制开
停，空气由安装在膜组件底部的曝气头提供，曝气强度为0.75m 3/（m 2
·h ）。

曝气头上方放置中空纤维膜组件。

图1膜法水处理实验装置
Fig．1
Schematic of wastewater treatment of membrane
1．2
实验用膜
本实验采用的是自制聚偏氟乙烯（PVDF ）合金
五孔膜见图1（a ）、
图1（b ），其主要材料为聚偏氟乙烯（PVDF ），共混亲水性材料为高分子材料A 和B ，A 具有热可塑性，常温下为刚性材料，B 为嵌段聚合物，在常温下具有较好的弹性，性能上具有互补性，将它们共混可以使合金膜兼顾成本低廉、成膜性能
优良的特点。

膜有效面积0．29m 2
，采用外压式过滤。

1．3实验用污水及依托、对比的污水处理工艺
实验用水为某城市污水处理厂污水，其COD 为146 772mg /L 、BOD 568 296mg /L 、TP 2．64 8.78mg /L 、NH 3-N 17．7 45．7mg /L 、SS 124 788
mg /L 、
MLSS 1785 3735mg /L 及pH 7．01 8．14。

本实验膜处理依托的是该厂的污水处理系统，其核心单元改良氧化沟，在氧化沟前增设一个厌氧池，厌
氧池前设置一个内回流的反硝化池，形成倒置A 2
/O 方式运行，具有更好的脱氮除磷效果。

膜处理出水水质与中水回用系统出水相比较。

1．4实验方法
1．4．1膜处理效果及膜污染实验
本实验采用连续运行和间歇运行相结合的方式进行。

蠕动泵调速为3．0ˑ10r /min ，此调速下实验
用膜的膜比通量最大。

膜运行到膜清洗为一个周
期，膜装置连续运行4个周期，其中第4周期改变曝气角度为60ʎ运行；其次是膜装置按抽停比分别为
5min /2min （5/2）、10min /2min （10/2）、15min /2min （15/2）、
20min /2min （20/2）的运行方式运行。

以跨膜压差（trans-membrane pressure ，TMP ）表示膜污染情况。

1．4．2分析方法
膜装置在常温下运行，考察污水处理效果检测的水质指标有COD （GB11914-89）、BOD 5（GB7488-87）、
NH 3-N （GB7479-87）、TP （GB11893-89）、pH （GB6920-86）、浊度、粪大肠杆菌、细菌总数［5］
及出水UV 254［6］。

2结果和讨论
2．1水处理效果
2．1．1COD 、NH 3-N 及TP 去除效果研究
连续运行进出水COD 如图2所示。

尽管进水COD 波动较大，膜组件出水COD 稳定在20mg /L 以
下，
平均去除率为95．66%。

膜反应器对有机物质的去除主要表现在生物降解作用和大分子有机物质的截留作用等两个方面，其中大部分的COD 通过生
物降解作用而得到去除
［7，8］
，膜的分离作用在维持高效稳定的COD 去除率方面发挥了巨大的作用［9］
，通过对比上清液和出水COD 得到其中84%是由生
物降解作用去除，
11．66%是由膜组件的分离作用去除。

每个周期中出水COD 浓度呈降低趋势，因为随
着膜反应器的运行，
截留在膜表面的沉积物质增多，使得较小的有机物质能被膜截留。

膜装置出水COD 与该厂再生回用水COD 的水质接近。

连续运行进出水NH 3-N 如图3所示。

进水NH 3-N 变化波动较大，膜组件的出水NH 3-N 维持在很低的水平，平均去除率为99．02%。

NH 3-N 主要是通过生物降解作用去除，反应器底部曝气的运行
方式不仅可以降低浓差极化而且能够给污水中的硝化细菌和异养菌提供充足的氧气，减少其竞争带来
的不利影响，使反应器的NH 3-N 去除率得到进一步的提高［10］。

连续运行进出水TP 如图4所示。

进水TP 波动很大，但是膜组件出水的TP 稳定在2mg /L 以下。

膜组件TP 去除率在29．90% 95．89%之间，平均值为81．08%。

有研究表明，当生物除磷系统进水
BOD 5/TP ＜20，其出水TP 很难达到1 2mg /L ［11］
，本研究中BOD 5/TP 的平均值为41．1，虽然有个别
地方小于20，
但是不影响整体处理效果，其中TP 去除率较低是因为当时的BOD 5/TP ＜20从而造成生物除磷比较困难。

2
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第6期黄健平等：
新型五孔超滤膜处理城市污水的研究
2．1．2出水BOD 5、pH 、UV 254、浊度、SS 及粪大肠杆菌、细菌总数变化膜出水BOD 5＜2mg /L ，处于检出限之下，BOD 5的去除效果很好，出水pH 值在7．10 8．40之间，均可满足回用水要求。

出水UV 254在0．091 0．153cm －1之间，与上清液相比，去除率维持在32．08% 51．24%之间，说明这种物质能够被膜所截留，从而使出水中以类腐殖酸形式存在的有机物浓度较低；出水浊度在0．01 0．29NTU 之间，平均浊度为0.10NTU ，SS 未检出，出水水质较好。

膜出水中粪大肠杆菌未检出，细菌总数为70 80个/mL ，满足回用水的要求，省略杀菌的步骤。

可减少杀菌费用和彻底消除氯消毒产生的氯前驱物造成的危害。

间歇运行时的处理效果与连续运行类似，可见运行方式对出水水质没有明显的影响，检测的出水水质参数均达到了《城市污水再生利用城市杂用水
水质》
（GB /T18920-2002）的要求。

采用膜技术可以节省二沉池、
絮凝池、滤池、消毒等设施，使工艺流程更加简单。

2．2膜污染分析
2．2．1连续运行膜污染分析
运行过程中TMP 随时间变化如图5所示。

从图5中可以看出，膜组件在各个周期中TMP 变化具
有3个阶段
［12，13］
：第1阶段最初几小时的TMP 突增，膜污染速率dTMP /d t （kPa /h ）为0．76；第2阶段TMP 增大缓慢，膜污染速率为0．07；第3个阶段TMP 突增，并迅速造成膜过滤无效，膜污染速率为1．07。

由于前3个周期膜组件竖直放置，在第4周期中膜倾斜60ʎ放置，运行周期增加。

这是因为在
膜组件竖直放置时，
曝气头放置在膜组件的底部，对下半部纤维膜有着较强的冲刷作用，
但对上半部纤维膜冲刷作用较弱，
上半部纤维膜上的泥饼层较厚；当膜倾斜60ʎ放置时，气泡几乎与整个纤维膜接触、摩擦，使纤维膜上的泥饼层形成较慢，使膜操作压力
上升较缓［14］。

图5连续运行TMP 随时间变化
Fig．5
Change of TMP with time during continuous operation
2．2．2间歇运行膜污染分析
间歇运行周期中TMP 随时间变化如图6所示。

在抽停比为5/2和10/2时膜组件TMP 在24h 内变
化较平缓，
而抽停比为15/2和20/2时变化较大；连续运行时膜装置在24h 内的膜污染速率为0．33，
在不同抽停比条件下的膜污染速率分别为0.10、
0.10、
0．22、0．25；抽停比为5/2和10/2的污染速率基本一样，
而随着抽吸时间的增长，膜污染速率迅速上升；而从TMP 变化上看，连续运行的TMP 在24h 3
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环境工程学报第5卷
内上升至0．015MPa ，抽停比为5/2、
10/2、15/2和20/2TMP 分别为0．0077、0．0078、0．0105和0．011
MPa ，都比连续运行的TMP 小，但是15/2和20/2的
TMP 变化较大，约是抽停比为5/2和10/2TMP 的2
倍。

综合考虑选择最佳抽停比为10/2。

从图中
10/2放大位置可以看出TMP 呈锯齿状上升趋势，在每次停抽后再抽吸时压力均有部分恢复，这种现象从其他抽停比的运行中也可以看出。

说明抽/停这种运行方式能够减缓膜污染速率。

且随着抽吸时间
的增加，压力变化越大，膜越难恢复。

图6间歇运行TMP 随时间变化
Fig．6Change of TMP with time
during intermittent operation
3结论
PVDF 与亲水性高分子材料共混体系制备的中空纤维五孔膜具有优良的性质。

本文探讨了其在生活污水处理中的应用，主要有以下几个方面：（1）膜出水水质可以达到《城市污水再生利用
城市杂用水水质》
（GB /T18920-2002）的要求。

与传统处理工艺相比，可省略后续的混凝沉淀、砂滤、消
毒工艺，
彻底消除氯消毒产生的氯前驱物造成的危害。

（2）膜组件斜放角度为60ʎ和间歇运行的方式
更利于减缓膜污染速率，得出10min /2min 为最佳抽停比，延长抽停比可加剧膜污染。

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