三價鐵離子投加對MBR運(yùn)行效能的影響

張海豐，于海歡，姜　鋒，問志勇

(東北電力大學(xué)化工學(xué)院，吉林　132012)

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三價鐵離子投加對MBR運(yùn)行效能的影響

張海豐，于海歡，姜鋒，問志勇

(東北電力大學(xué)化工學(xué)院，吉林132012)

膜生物反應(yīng)器；三氯化鐵；污泥混合液；膜污染

1　引　言

膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor,MBR)是將生物降解過程和膜分離技術(shù)相結(jié)合的新興工藝，與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，具有出水水質(zhì)好[1]、污泥產(chǎn)量低[2]、占地面小[3]等優(yōu)勢。MBR技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)是膜污染問題，膜污染問題導(dǎo)致操作費(fèi)用增多[4]、膜壽命減少[5]。MBR中膜的主要功能是過濾污泥混合液，因而污泥混合液的特性直接關(guān)系著膜污染程度；最近，眾多研究者發(fā)現(xiàn)向污泥混合液中投加三價鐵離子，F(xiàn)e3+與污泥絮體及細(xì)胞通過吸附電中和作用[6]、陽離子架橋理論[7]以及DLVO理論[8]強(qiáng)化污泥的絮凝作用，促使絮體尺寸增大，進(jìn)而有效的減緩膜污染。本研究主要考察長期運(yùn)行的MBR中投加三價鐵離子對反應(yīng)器運(yùn)行效能的影響，通過檢測三價鐵離子投加后，污泥混合液特性的變化，進(jìn)一步揭示鐵離子與污泥混合液的作用機(jī)制，以期為MBR實(shí)際工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

2套完全相同的MBR分別為C-MBR(對照反應(yīng)器)及Fe-MBR(投加Fe3+反應(yīng)器)，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。2套反應(yīng)器有效體積均為18 L，膜為聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)材質(zhì)的中空纖維束膜，膜孔徑為0.22 μm，膜過濾面積為0.3 m2，膜通量為10 L·m2·h-1，膜出水采用13 min運(yùn)行及2 min停歇的恒流工作方式，2套反應(yīng)器的跨膜壓差達(dá)到30 kPa時對膜表面進(jìn)行物理清洗。

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of the experimental set-up

2.2分析方法

MFI的測定[9]：在恒壓條件下，MFI定義為t/V與V之間線性關(guān)系的斜率值，高M(jìn)FI值會加快污泥混合液的污染速率，公式如下：

(1)

(2)

3　結(jié)果和討論

3.1MBR污染物去除比較

圖1中2套反應(yīng)器中對TP的去除效果分別為(89.8%±1.4%)(Fe-MBR)和(85.7%±1.5%)(C-MBR)，F(xiàn)eCl3的投加對總磷的去除具有一定的效果，結(jié)果見表1。這是由于Fe3+在MBR系統(tǒng)中同時發(fā)生生物除磷和化學(xué)除磷，F(xiàn)e3+一方面與磷酸鹽生成難溶鹽，一方面發(fā)生水解，在水解過程的同時又發(fā)生聚合反應(yīng)，生成多核羥基絡(luò)合物，這些羥基絡(luò)合物具有較長線性結(jié)構(gòu)，又通過吸附架橋、中和及絮體的網(wǎng)捕作用促使膠體凝聚而除磷[15]。

表1　C-MBR和Fe-MBR去污效率隨運(yùn)行時間的變化

( )內(nèi)代表對照反應(yīng)器污染物去除率

3.2鐵離子對污泥沉降性的影響

對于Fe-MBR，三價鐵離子的投加強(qiáng)化微生物之間的絮凝作用，有助于污泥的沉降性能的提高，污泥的沉降性能可通過SVI來表征。圖2顯示了C-MBR和Fe-MBR運(yùn)行中SVI隨運(yùn)行時間的變化，由圖2可見，C-MBR的SVI保持在(50±1.3) mL/g范圍之內(nèi)，相比之下，F(xiàn)e-MBR的SVI在前78 d之內(nèi)有降低的趨勢，由開始的48.7減到33.1 mL/g，這可從2個方面解釋：(1)三價鐵離子與污泥絮體及膠體發(fā)生電中和作用，從而使污泥絮體之間聚集在一起[16];(2)架橋及壓縮雙電層作用，強(qiáng)化了污泥絮體之間及其污泥與三價鐵離子之間的生物絮凝作用[17]，由于絮體尺寸的增大，有助于污泥的沉降。以上結(jié)果表明，鐵離子能有效的改善MBR中活性污泥的沉降性和可壓縮性，這Guo等的研究結(jié)果相一致[18]。

圖2　C-MBR和Fe-MBR中SVI隨運(yùn)行時間的變化Fig.2　Change of the SVI with operation time in C-MBR and Fe-MBR

圖3　C-MBR和Fe-MBR中Zeta電位隨運(yùn)行時間的變化Fig.3　Change of the Zeta potential with operation time in C-MBR and Fe-MBR

3.3污泥表面電荷性變化

三價鐵離子能強(qiáng)化污泥混合液的生物絮凝作用，主要機(jī)制是電中和作用，通過考察鐵離子投加后，污泥混合液表面電荷隨運(yùn)行時間的變化，有利于深入了解污泥絮體之間的絮凝反應(yīng)。圖3顯示了C-MBR和Fe-MBR運(yùn)行中污泥絮體Zeta電位值的變化，由圖3可見，在反應(yīng)器運(yùn)行初期，污泥混合液的Zeta電位分別為-14.4 mV和-14.9 mV，表明污泥絮體呈負(fù)電性，在整個運(yùn)行過程中，C-MBR的Zeta電位值維持在(-13.7±1.2) mV，絮體帶電性較穩(wěn)定；然而，F(xiàn)e-MBR中污泥絮體的Zeta電位呈上升趨勢，并逐漸趨近于零，這是由于隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，累積在反應(yīng)器中三價鐵離子含量增大，降低了污泥絮體的負(fù)電性[19]。

3.4鐵離子的投加對污泥黏度的影響

生物絮凝后會引起污泥黏度的變化，圖4顯示了C-MBR和Fe-MBR運(yùn)行中黏度隨運(yùn)行時間的變化，從圖4可見，離子加入后污泥混合液的黏度一直低于對照組，這表明離子的加入可影響污泥混合液中本體溶液黏度，引起污泥黏度降低[20]。在前67 d，兩個反應(yīng)器中的污泥黏度都升高，這可能在實(shí)驗(yàn)初期，污泥濃度的迅速增加，導(dǎo)致微生物數(shù)量及其代謝產(chǎn)物增多，引起混合液黏度增加，這與文獻(xiàn)的研究結(jié)果相一致，前期研究表明污泥混合液的黏度與MLSS濃度是緊密相關(guān)的，高的污泥質(zhì)量濃度會導(dǎo)致混合液黏度的增加[21]。在75 d后，投加鐵離子反應(yīng)器中的污泥黏度明顯低于對照組，表明鐵離子對MBR污泥混合液黏度降低效果顯著，污泥混合液黏度的降低顯著改善混合液的可濾性，有利于膜污染的減緩。

圖4　C-MBR和Fe-MBR中黏度隨運(yùn)行時間的變化Fig.4　Change of the dynamic viscosity with operation time in C-MBR and Fe-MBR

圖5　C-MBR和Fe-MBR中MFI隨運(yùn)行時間的變化Fig.5　Change of MFI with operation time in the C-MBR and Fe-MBR

3.5污泥混合液可濾性及膜污染比較

圖6　C-MBR和Fe-MBR中TMP隨運(yùn)行時間的變化Fig.6　Change of TMP with operation time in C-MBR and Fe-MBR

MFI值的變化可反映過濾樣品可濾性的差異，MFI值越高則表明在過濾過程中膜污染阻力越大。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)前65 d，F(xiàn)e-MBR中MFI值與C-MBR差異不明顯；70 d以后，F(xiàn)e-MBR中MFI值降低顯著，由65 d的4.66×104s/L2降為70 d的3.45×104s/L2，表明Fe3+對污泥混合液的改善需要一定的運(yùn)行時間。80 d以后，F(xiàn)e-MBR中MFI值隨運(yùn)行時間降低顯著，表明鐵離子對污泥混合液改善具有長效性。對于C-MBR，MFI值呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，說明隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，污泥混合液的可濾性在持續(xù)惡化。在恒流量出水的情況下，跨膜壓差(trans-membrane pressure,TMP)的增長速率直接表明膜污染程度。圖6顯示了C-MBR和Fe-MBR隨運(yùn)行時間TMP 的變化，由圖6可見，C-MBR的TMP達(dá)到30 kPa需25 d，而Fe-MBR的TMP到達(dá)30 kPa需39 d，這表明三價鐵離子能有效的減緩膜污染增長速率，減小膜的清洗頻率。TMP的增長過程可分為2個階段[22]：緩慢膜污染階段和快速膜污染階段，在緩慢膜污染階段，F(xiàn)e-MBR的平均膜污染速度為0.28 kPa/d，低于C-MBR的膜污染速率(0.78 kPa/d)，這是因?yàn)榫徛廴灸の廴舅俾手饕獨(dú)w因于本體溶液中溶解性有機(jī)物濃度，本課題組前期研究表明[23]，由于鐵離子的絮凝作用，降低了上清液中溶解性有機(jī)物濃度，因而減緩了此階段的膜污染速率?？焖傥廴倦A段Fe-MBR及C-MBR的TMP增長速率分別為0.89 kPa/d和0.93 kPa/d，差異不顯著，表明Fe3+對MBR膜污染的減緩主要?dú)w因于緩慢階段膜污染速率的降低。

4　結(jié)　論

(2) 考察三價鐵離子在最佳投加量下對MBR中污泥混合液特性影響研究表明，F(xiàn)e3+的投加顯著改善了污泥混合液的沉降性能、有效增大了污泥黏度及絮體Zeta電位值；通過混合液可濾性及膜污染檢測發(fā)現(xiàn)，鐵離子提高了混合液可濾性，顯著降低了緩慢階段的膜污染速率。

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Impact on the Performance of Membrane Bioreactor with Fe3+Addition

ZHANG Hai-feng,YU Hai-huan,JIANG Feng,WEN Zhi-yong

(School of Chemical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

membrane bioreactor;ferric chloride;sludge mixed liquor;membrane fouling

國家自然科學(xué)基金計劃項目(51478093);吉林省科技發(fā)展計劃項目(20120404,20130206061GX)

張海豐(1974- )，男，博士，副教授.主要從事水處理及回用方面的研究.

X703

A

1001-1625(2016)02-0347-05