序批式膜生物反應器運行中膜污染及控制研究

李紅嬌，王偉國，李日強，王愛英

（山西大學 環(huán)境與資源學院，山西 太原 030006）

生物處理與膜濾結合的膜生物反應器（membrame biological reactor，MBR）相對于傳統(tǒng)的污水生物處理工藝有諸如出水水質(zhì)高、占地面積小、污泥排放量低以及易于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點，近十幾年來在城市生活污水和工業(yè)廢水的處理和回用方面都得到了較廣泛的應用［1-2］.然而，膜污染導致的運行成本升高是其廣泛應用的限制因素，反應器濃縮液中被截留組分在膜表面的吸附和沉積，導致在既定跨膜壓力（trans-membrane pressure，TMP）下透過膜的流量（即膜通量）減小，或在既定膜通量下跨膜壓力增大，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為膜污染［3］.膜污染后需要額外的反沖洗和清洗，嚴重時需要更換膜組件，增加操作和維護費用.影響膜污染的因素概括起來主要有混合液特性和濃度、反應器運行及操作條件、膜的物理化學特性等三類［4-5］.目前膜污染機理還存在很多不清楚的地方，但許多研究［6-7］認為微生物絮體、胞外聚合物、溶解性微生物代謝產(chǎn)物和污水中的其他雜質(zhì)等在膜面形成的污染層是膜污染的主要原因.一般認為［8-9］膜組件在臨界通量（critical flux）以下運行時可避免膜表面污染的形成，從而可達到降低膜清洗費用的目的，因此對于既定膜來說，選擇合適的膜通量和控制膜面上的水流流態(tài)是防止膜污染的主要方法.雖然有研究者發(fā)現(xiàn)即使MBR在低于臨界通量條件下運行，也會出現(xiàn)不可逆污染［10］，但到目前為止，臨界通量還是被認為是一個很有用的參數(shù)，具有一定的指導意義.

近年來，有許多學者研究了膜污染的機理及延緩膜污染的方法.Kimura等［11］將兩個相同膜組件浸沒在同一個反應器中，兩組件以不同通量同時運行，結果證明操作通量對膜污染影響很大.Kim等［12］將反應器分為升流區(qū)和降流區(qū)，膜組件放置于升流區(qū)，通過改變膜組件位置的高低來研究膜污染，結果表明，位置高的膜組件污染較位置低的污染要輕.趙方波等［13］設計了一個有沉降室的膜生物反應器，將膜A和膜B分別淹沒在上清液和污泥混合液中以相同的抽吸方式運行，得到的結果是膜A比膜B的污染速度還快.本研究考察了系統(tǒng)在5種不同MLSS濃度及3種曝氣強度下的膜臨界通量大小、膜生物反應器在序批方式下運行的膜污染特征以及投加粉末活性炭（Powdered activated carbon，PAC）后膜污染的變化情況.

1 材料與方法

1.1 材料及試驗裝置

1.1.1 試驗材料

試驗用水為人工配水，水質(zhì)見表1；接種用污泥取自太原市南堰污水廠；濾膜為日本三菱（RAYON）公司生產(chǎn)的聚乙烯簾式中空纖維膜，膜孔徑為0.4μm，外徑540μm，內(nèi)徑360μm，膜有效表面積為0.6m2；粉末活性炭（分析純，150目，天津市天大化工試驗廠）.

表1 進水水質(zhì)Table 1 Qualities of wastewater

1.1.2 試驗裝置

試驗采用內(nèi)置式膜生物反應器（圖1）.用長500mm、寬250mm、高400mm的玻璃缸作為序批式生物反應器，有效容積30L；膜組件由濾膜和PVC管粘結加工而成；膜組件底部放置曝氣砂芯，使膜絲在混合液中保持抖動；轉子流量計控制氣量；用電動攪拌器攪拌提供缺氧環(huán)境；系統(tǒng)進水由液位控制器和電磁閥控制，通過重力自流進入反應池；膜出水采用真空泵抽吸；U型管壓力計測量跨膜壓力（TMP）；溫度控制器調(diào)節(jié)水溫為22-25℃；系統(tǒng)進水、攪拌、曝氣、出水都由時間程序控制器自動控制.

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 試驗方法

1.2.1 膜清水試驗

將膜組件放入清水中浸泡24h，以去除新膜絲上殘留的化學物質(zhì)，并使之充分潤濕.更換清水后調(diào)節(jié)真空抽吸泵的抽吸級數(shù)，按通量從小到大順序測定清水中膜組件相應的跨膜壓力，通量階梯遞增量為3.3L·m-2·h-1，測試過程中曝氣，使膜絲抖動，曝氣量為0.3m3·h-1，每個通量出水20min，考察膜的穩(wěn)定性能，然后將膜組件取出放入另一容器中用清水浸泡待用.

1.2.2 MLSS濃度及曝氣量對臨界通量的影響

往序批式生物反應器中接種污泥，加入污水馴化培養(yǎng)，每悶曝24h后澄清，排去上清液，待污泥濃度達到3000mg·L-1時將膜組件放入反應器.反應器以序批方式運行，一天4個周期，每周期6h，缺氧／好氧交替進行（缺氧1h，其中進水20min；好氧5h，其中出水60min，間歇方式出水，抽停結合：抽吸15min，停吸5 min），每周期出水交換比為30%，不設沉淀和閑置期，好氧階段DO為3.0mg·L-1左右.此階段不排泥，監(jiān)測 MLSS及 MLVSS濃度，測試當 MLSS濃度達到4000、6000、8000、10000、12000mg·L-1時分別在0.15、0.3、0.5m3·h-13種不同曝氣強度下的膜臨界通量（臨界通量測定采用通量階式遞增法，即每隔一定時間，增加一次通量值，這樣通量較小時，TMP穩(wěn)定；而當通量較大時，TMP逐步增大，該法將臨界通量定義為跨膜壓差保持穩(wěn)定時的最大通量，通量階梯遞增量為3.3L·m-2·h-1，每個通量下出水20min）.每次通量測試前都對膜進行清水漂洗，必要時進行化學清洗，使初始跨膜壓力一致，避免因上一次測試的膜污染對下一次的測試造成影響.

1.2.3 系統(tǒng)運行時的膜污染特征

將使用過的膜組件在清水中浸泡6h后再用化學方法清洗，然后用清水浸泡漂洗，除去臨界通量測試過程中殘留在膜表面或濾孔中的污染物質(zhì)，使膜的性能保持在最好狀態(tài).生物反應器通過每天排泥以保持MLSS濃度一定，測在一定曝氣量、恒通量下以序批方式運行（在第61天向反應器中投加粒徑為0.1mm的40g粉末活性炭，考慮到排泥過程會有少量粉末活性炭隨泥一起流出，故每次排泥后根據(jù)排泥量向混合液補加0.4g粉末活性炭）的跨膜壓力.

1.3 分析項目與方法

CODCr：重鉻酸鉀法［14］；NN：納氏試劑分光光度法［14］；TN：過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法［14］；TP：鉬銻抗分光光度法［14］；MLSS與 MLVSS：重量法［14］；濁度用 WGZ-100型散射式光電濁度儀；pH 用雷磁PHBJ-260便攜式pH計；DO用HANNA HI9143便攜式溶解氧儀；TMP用U型管壓力計.

2 結果與討論

2.1 膜清水試驗

試驗結果如圖2.

圖2 跨膜壓力隨清水通量增大的變化關系Fig.2 Relationship between TMP and membrane flax in clean water

2.2 污泥特征

表2 不同MLSS濃度下的生物量特征Table 2 Biomass characteristics at different MLSS concentrations

MLSS濃度從4000mg·L-1增至12000mg·L-1，MLVSS／MLSS的比值從82.50%降至70.83%.MLVSS／MLSS的比值隨MLSS濃度的增大呈下降趨勢，說明隨著污泥濃度增大，污泥中有機物質(zhì)即活性微生物的比例減少，灰分比例逐漸增高.

2.3 MLSS濃度及曝氣量對臨界通量的影響

測試不同MLSS濃度在不種曝氣量下的膜臨界通量，以此反映膜污染情況及指導在不同MLSS濃度及曝氣強度下運行時的操作通量.

圖3（P291）是采用通量階式遞增法測MLSS濃度為4000mg·L-1、曝氣量為0.5m3·h-1時的膜臨界通量.由圖3可知，每隔20min增加一次通量值，通量較小時，跨膜壓力較低且穩(wěn)定；當通量增至J2（22L·m-2·h-1）時，跨膜壓力變化很大，說明在當前條件下，膜組件的臨界通量介于J1～J2即18.67～22L·m-2·h-1之間，故取臨界通量為20L·m-2·h-1.

圖3 MLSS濃度為4000mg·L-1、曝氣量為0.5m3·h-1時的膜臨界通量Fig.3 Critical flux of MLSS concentration at 4000mg·L-1 and aeration intensity at 0.5m3·h-1

用同樣的方法測定MLSS濃度為4000、6000、8000、10000、12000mg·L-1時不同曝氣強度下的臨界通量，每個污泥濃度下臨界通量的測試均按從大曝氣量到小曝氣量的順序，以減少干擾，結果見圖4.

圖4 不同MLSS濃度及曝氣強度下的臨界通量值Fig.4 Critical flux value ander different MLSS concentrations and aeration intensities

由圖4可知，總的來看，臨界通量隨MLSS濃度的增大而減小，當MLSS濃度一定時，曝氣強度對臨界通量影響較大.如 MLSS濃度為6000、8000mg·L-1，曝氣量為0.5、0.3、0.15m3·h-1時，臨界通量分別為20、17、14L·m-2·h-1.MLSS濃度為4000mg·L-1時，曝氣強度為0.5m3·h-1和0.3m3·h-1時的臨界通量一樣，可能是因為MLSS濃度小時，過大的曝氣量會破壞絮體結構、減小絮體尺寸并使胞外聚合物、溶解性微生物代謝產(chǎn)物釋放到生物反應器中［15］，使曝氣強度達到一個臨界值后再增加曝氣量，膜通量并不會進一步增大.當MLSS濃度較大時，曝氣強度對臨界通量影響不明顯，MLSS濃度為12000mg·L-1時，臨界通量不隨曝氣量變化而改變，說明在大的污泥濃度下，增加曝氣強度對膜通量的影響已不明顯.另外，從表2可知MLSS濃度越大，灰分含量越大，可能會加劇膜污染.

2.4 系統(tǒng)運行時的膜污染特征

生物反應器通過每天排泥以保持MLSS濃度為8000mg·L-1，測在曝氣量為0.3m3·h-1、膜通量為15L·m-2·h-1（小于此條件下的臨界通量）、出水交換比為30%的條件下生物反應器以序批方式運行的跨膜壓力，結果如圖5（P292）.

從圖5可知，雖然系統(tǒng)運行的操作通量低于臨界通量，TMP也會隨著時間緩慢上升，膜在發(fā)生緩慢污染，但沒有出現(xiàn)一些研究者發(fā)現(xiàn)的急劇的TMP躍升現(xiàn)象［16-17］.在前60d跨膜壓力從初始的4.2kPa逐漸上升至11.8kPa，膜污染速率為0.126kPa·d-1.這是因為系統(tǒng)以序批方式運行，每一周期前段的進水和缺氧攪拌能使膜表面形成的濾餅層疏松，缺氧后進入好氧段，曝氣形成的水力剪切力沖刷膜表面，使濾餅層進一步破壞，能有效控制濾餅層在膜表面形成，但不能阻止胞外聚合物和溶解性微生物代謝產(chǎn)物等大分子有機物質(zhì)在膜表面的吸附，堵塞膜孔.

圖5 系統(tǒng)穩(wěn)定運行及投加PAC后的膜污染特征Fig.5 Characteristics of membrane fouling when reactor operated constantly and dosing PAC

第61天TMP有輕微地下降，從11.8kPa降至11.4kPa，此后運行的20d里TMP增長緩慢，膜污染速率為0.04kPa·d-1，說明投加粉末活性炭（PAC）能有效地減緩膜污染速率.這是因為向混合液中投加PAC后，一方面由于PAC的吸附和絮凝能力大大降低了液相主體中導致膜污染的微細膠體、胞外聚合物和溶解性微生物代謝產(chǎn)物等主要污染物質(zhì)的含量，另一方面PAC改善了活性污泥的特性，易形成粒徑大、黏性低的污泥絮體，其在膜面形成的濾餅層比較疏松、孔隙率高且透水性好，結合活性炭對膜面的沖刷作用，能使膜組件保持較低的 TMP增長［18-19］.

3 結論

臨界通量隨MLSS濃度增大呈減小趨勢.因此，在能滿足污水處理效果的前提下，污泥濃度不宜太大，否則會對膜污染產(chǎn)生不利影響.

在一定的MLSS濃度范圍內(nèi)（4000mg·L-1～12000mg·L-1），適當增大曝氣強度能有效延緩膜污染；MLSS濃度較小時（4000mg·L-1），曝氣強度有一個臨界值，大于此值膜通量并不會進一步增加；MLSS濃度過大時（12000mg·L-1），增大曝氣強度以延緩膜污染的作用已不明顯.

在適合的污泥濃度和曝氣強度下（MLSS濃度為8000mg·L-1、曝氣量為0.3m3·h1），采用間歇進出水、間歇曝氣的序批方式在低于臨界通量下運行，膜污染發(fā)展平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)急劇的TMP躍升，膜污染速率為0.126kPa·d-1，說明該工藝能有效控制膜污染.投加粉末活性炭能改善混合液性能，膜污染速率降為0.04kPa·d-1，進一步延緩了膜污染.

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