PAC影響MBR膜阻力的實(shí)驗(yàn)研究

蔣一凡 余 靜 李彬彬

(揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225127)

PAC影響MBR膜阻力的實(shí)驗(yàn)研究

蔣一凡 余 靜 李彬彬

(揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225127)

進(jìn)行了PAC-MBR和MBR處理廢水的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，主要分析投加PAC控制膜污染以及膜阻力的變化情況．控制膜組件跨膜壓差在2.6～26 kPa區(qū)間內(nèi)，測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)投加PAC后系統(tǒng)處理效果略有提高;對(duì)兩系統(tǒng)上清液溶解性有機(jī)物進(jìn)行檢測，得出PAC對(duì)低分子量溶解性有機(jī)物以及疏水性有機(jī)物的吸附效果好，可減緩膜污染．此外，投加PAC顯著延長了膜的使用周期，利用達(dá)西公式計(jì)算其膜阻力，發(fā)現(xiàn)PAC的投加對(duì)減少濾餅層阻力有利．

膜生物反應(yīng)器； PAC； 膜阻力； 膜污染； 溶解性有機(jī)物

膜生物反應(yīng)器(MBR)因其系統(tǒng)占地面積小、出水水質(zhì)好、產(chǎn)泥量少、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)勢，近年來被廣泛應(yīng)用于中小型污水處理廠及中水回用領(lǐng)域．盡管如此，膜污染問題仍是專家學(xué)者們待以解決的主要難題．膜污染主要分為膜表面形成濾餅層引起的可逆膜污染和膜孔堵塞造成的不可逆膜污染．研究表明，間歇過濾、反沖洗、降低膜通量、良好的流體動(dòng)力設(shè)計(jì)以防止濾餅層的積累、采用物理化學(xué)方法對(duì)膜進(jìn)行清洗等方法[1]均可起到控制膜污染的作用．目前，許多課題針對(duì)改善混合液特性這一方向研究膜污染的機(jī)理與控制技術(shù)，研究人員根據(jù)廢水水質(zhì)的不同投加粉末活性炭(PAC)、沸石、絮凝劑等物質(zhì)，取得了較好的效果．本研究采用平行試驗(yàn)的方法，著重分析投加PAC對(duì)水中溶解性有機(jī)物(DOM)分子量大小及構(gòu)成的改變，并利用數(shù)學(xué)模型闡述投加PAC對(duì)膜阻力產(chǎn)生的影響．

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

PAC-MBR實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，另設(shè)一組MBR實(shí)驗(yàn)裝置(即去除圖1中PAC投加系統(tǒng))作平行對(duì)比試驗(yàn)．反應(yīng)器有效容積為16 L，膜組件浸沒其中，固定在兩片擋板之間置于空氣擴(kuò)散裝置上方．

膜組件用PVDF中空纖維膜，過濾表面積0.2 m2，平均孔徑0.2 μm，試驗(yàn)時(shí)膜通量恒定為10 L/(m2·h)．實(shí)驗(yàn)所用PAC為Sigma-Adrich公司生產(chǎn)的木質(zhì)PAC．

1.PAC儲(chǔ)罐；2.PAC投加泵；3.中空纖維膜組件；4.擋板；5.壓力表；6.抽吸泵；7.空壓機(jī)；8.流量計(jì)；9.空氣擴(kuò)散裝置；10.進(jìn)料泵；11.磁力攪拌器；12.合成廢水儲(chǔ)罐圖1 PAC-MBR系統(tǒng)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

接種活性污泥取自新加坡當(dāng)?shù)豈BR污水處理系統(tǒng)的好氧池，用實(shí)驗(yàn)原水培養(yǎng)35 d．實(shí)驗(yàn)控制HRT為8 h，SRT為16 d，環(huán)境溫度為(28±2°C)，裝置中pH為6.8～7.5，DO濃度約為5 mg/L；PAC逐天加入，投加劑量為100 mg/L，即每天投加量為4.8 g，膜的抽吸壓力由壓力表監(jiān)測，MBR和PAC-MBR分別運(yùn)行了79 d、127 d，抽吸壓力超過26 kPa時(shí)實(shí)驗(yàn)終止，取出膜組件進(jìn)行嚴(yán)格清洗．

1.3 實(shí)驗(yàn)原水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)原水為人工合成廢水，采用CH3COONa、(NH4)2SO4、KH2PO4調(diào)節(jié)合成廢水COD∶N∶P配比為100∶10∶1左右，進(jìn)水COD維持600±20 mg/L，適量補(bǔ)充Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Cu、Co、Mo等微量元素．

1.4 膜阻力計(jì)算模型

膜通量保持恒定時(shí)，跨膜壓差(Trans-Membrane Pressure Drop, TMP)隨運(yùn)行時(shí)間的延長而增大．用達(dá)西公式(Darcy's law)表示膜通量與跨膜阻力的關(guān)系：

式中，J為膜通量[L/(m2·h) ]；ΔP為作用于膜兩側(cè)的壓差(TMP)(Pa)；μ為透過液粘度(Pa·s);Rt為總膜阻力(m-1)．

建立串聯(lián)阻力模型將Rt劃分為3部分進(jìn)行研究：

Rt=Rm+Rr+Ri

式中，Rm為膜的固有阻力(m-1)；Rr為由濾餅層吸附在膜表面引起的可逆膜阻力(m-1)；Ri為污染物吸附在膜孔中導(dǎo)致的不可逆膜阻力(m-1)．

Rm、Rr、Ri分別用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，ΔP0為用新膜過濾純水測定的膜阻力；ΔP′為實(shí)驗(yàn)終止后，所用膜經(jīng)物理清洗后過濾純水測定的膜阻力；ΔPf為實(shí)驗(yàn)終止時(shí)，系統(tǒng)壓力表顯示的膜阻力．

1.5 分析方法

COD、MLSS、MLVSS、比耗氧速率(specific oxygen uptake rate, SOUR)均采用標(biāo)準(zhǔn)方法[2]測定；DOC采用美國OI公司生產(chǎn)的1010型TOC分析儀測定；DOM中碳水化合物采用苯酚-硫酸法[3]測定；蛋白質(zhì)含量采用改良性Lowry法[4]測定，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)參考物；ESP用規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[5]測定．

2 結(jié)果與討論

2.1 PAC-MBR與MBR總體性能比較

對(duì)兩反應(yīng)器出水、上清液以及污泥的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測分析，結(jié)果見表1．

表1 檢測項(xiàng)參數(shù)對(duì)比

可見二者COD去除率均保持95%以上，PAC-MBR的去除率略高于MBR．由兩反應(yīng)器上清液和出水DOC可知，膜可以截留30%以上的DOC，再者由PAC-MBR對(duì)比MBR，上清液和出水的DOC均減小，說明PAC可吸附一定量的DOC．PAC-MBR污泥MLVSS與MBR相差不大，說明兩反應(yīng)器污泥活性幾乎相等，而值得關(guān)注的是前者污泥的MLSS卻上升了，這是由于該反應(yīng)器投加了PAC的緣故．此外，兩反應(yīng)器的SOUR接近，說明二者污泥代謝活性沒有明顯區(qū)別．對(duì)比兩反應(yīng)器混合液EPS含量，投加PAC，EPS含量明顯降低了．

2.2 溶解性有機(jī)物(DOM)組分分析

提取兩系統(tǒng)上清液進(jìn)行分析，DOM表觀分子量(apparent molecular weight distributions ，AMWD)分布如圖2所示，有機(jī)物組成情況如圖3所示．

圖2 上清液DOM分子量分布圖

圖3 上清液DOM成分構(gòu)成

如圖2所示，AMWD小于10kDa的有機(jī)物占總體的54%～60%，AMWD介于10～30 kDa之間的有機(jī)物分布最少．可以看到PAC-MBR系統(tǒng)上清液小于10kDa的有機(jī)物減少，說明PAC對(duì)這部分有機(jī)物起到一定的吸附作用，避免了其對(duì)膜孔的堵塞從而減小了膜阻力．董秉直[6]等人分析了PAC對(duì)水中DOM的去除效果，得出PAC去除低分子量的DOM效果較好，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致．

圖3所示為DOM的6種有機(jī)物成分分布情況，即疏水性酸(AHS)、疏水性堿(HoB)、疏水中性物(HoN)、親水性酸(HiA)、親水性堿(HiB)、親水中性物(HiN)．總體而言，親水性物質(zhì)多過疏水性物質(zhì)，親水性物質(zhì)主要包括多糖、蛋白質(zhì)、氨基酸等，疏水性物質(zhì)中AHS由腐殖酸和黃腐酸構(gòu)成，許多研究表明腐殖酸能導(dǎo)致嚴(yán)重的膜污染．而投加PAC使得疏水性物質(zhì)整體減少了，特別是AHS降低了近10%．

2.3 PAC對(duì)TMP的影響

設(shè)定TMP下限為2.6 kPa，上限為26 kPa，超過壓力上限時(shí)實(shí)驗(yàn)終止．記錄兩系統(tǒng)在壓力范圍內(nèi)的運(yùn)行天數(shù)如圖4所示．對(duì)于MBR系統(tǒng)，TMP突然升高發(fā)生在第57 d，而PAC-MBR系統(tǒng)則延長至第96 d；MBR系統(tǒng)在TMP數(shù)值范圍內(nèi)共運(yùn)行了74 d，而PAC-MBR系統(tǒng)運(yùn)行至127 d，為前者的1.71倍．顯而易見，投加PAC后，膜阻力減小，運(yùn)行周期延長．李紹峰[7]等人的研究推導(dǎo)出膜阻力與混合液EPS的關(guān)系式，二者成正相關(guān)．由2.1可知，PAC-MBR反應(yīng)器混合液ESP明顯低于MBR，故總膜阻力相應(yīng)降低，本實(shí)驗(yàn)?zāi)ね亢愣?，透過液粘度幾乎不變，由達(dá)西公式可知TMP也是減小的．

圖4 TMP隨時(shí)間的變化

2.4 串聯(lián)阻力模型對(duì)比分析

表2所列是實(shí)驗(yàn)終止后根據(jù)1.4所述串聯(lián)阻力模型計(jì)算出的數(shù)據(jù)，可見膜的總阻力Rt和固有阻力Rm幾乎相同，區(qū)別在于可逆阻力Rr和不可逆阻力Ri所占成分的差異，在PAC-MBR系統(tǒng)中Rr較MBR系統(tǒng)降低了，相反Ri升高了，說明PAC的投加對(duì)減少濾餅層阻力和改變粒徑尺寸分布是有利的，也正因如此膜的使用周期延長了．

表2 MBR與PAC-MBR系統(tǒng)膜阻力對(duì)比

3 結(jié) 論

在MBR系統(tǒng)中投加PAC可提高原水的COD去除率，截留一部分DOC，在不改變污泥代謝活性的基礎(chǔ)上降低EPS濃度．PAC可有效地吸附低分子量DOM，減輕了膜孔的堵塞；對(duì)DOM中疏水性有機(jī)物起到良好的去除效果，可以控制疏水性酸(AHS)中腐殖酸對(duì)膜的污染，降低膜阻力．在相同TMP范圍內(nèi)，MBR系統(tǒng)運(yùn)行了74 d，PAC-MBR系統(tǒng)運(yùn)行延長至127 d，投加PAC可明顯延長膜的使用周期．

用串聯(lián)阻力模型分析得出，兩系統(tǒng)總阻力和固有阻力幾乎相同，PAC-MBR的不可逆阻力高于MBR，可逆阻力低于MBR，說明PAC的投加對(duì)減少濾餅層阻力和改變粒徑尺寸分布有利．

[1] Ng C A, Sun D, Bashir M J K, et al. Optimization of Membrane Bioreactors by the Addition of Powdered Activated Carbon[J]． Bioresoure Technology,2013,138(6)：38．

[2] Standard Methods for the Examination of Water and Wasterwater[M]． APHA,1976．

[3] Dubois M, Gilles K A, Hamilton J K, et al． Colorimetric Method for Determination of Sugars and Related Substances[J]． Anal.Chem., 1956，28：350-356．

[4] Lowry O H, Rosebrough N J, Farr A L, et al. Protein Measurement with the Folin Phenol Reagent[J]． The Journal of Biological Chemistry, 1951,193(1)： 265-275．

[5] Bo F, Palmgren R, Keiding K, et al. Extraction of Extracellular Polymers from Activated Sludge Using a Cation Ion Exchange Resin[J]． Water Research, 1996， 30(8)： 1749-1758．

[6] 董秉直,曹達(dá)文，范瑾初，等.混凝和粉末炭去除黃浦江水中DOM的效果[J]．中國給水排水,2000,16(3)：1-4．

[7] 李紹峰,王雪芹，王宏杰.PAC對(duì)MBR膜阻力影響研究[J]．水處理技術(shù),2007,33(6)：14-17．

[責(zé)任編輯 王迎春]

Experimental Research on Influence of PAC on Membrane Resistance

Jiang Yifan Yu Jing Li Binbin

(School of Environmental Science & Engineering, Yangzhou Univ., Yangzhou 225127, China)

Experiments on the PAC-MBR and the MBR were conducted in parallel to analyze the effect of PAC on the MBR in membrane fouling. The trans-membrane pressure was kept between 2.6kPa and 26kPa throughout the experiments. The overall performance of the PAC-MBR is slightly better than the MBR in terms of chemical oxygen demand(COD) removal and effluent quality. The experimental results show that the addition of PAC into MBR would effectively decrease membrane fouling, which could be due to adsorption of low molecular weight dissolved organic matters and hydrophobic organic matters onto PAC. In addition, operation period of PAC-MBR was significantly extended in comparison with MBR. By model simulation using the Darcy's law, it is shown that the PAC plays an important role in reducing cake resistance and changing an overall particle size distribution, resulting in the longer operation time and weaker membrane fouling.

membrane bioreactor(MBR); PAC; membrane resistance; membrane fouling; dissolved organic matter

2016-09-01

江蘇省2013年環(huán)保科研計(jì)劃(2013030)

余 靜(1973-)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)樗幚砑拔勰鄿p量．E-mail： 2411544768@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.004

X703

A

1672-948X(2017)04-0019-03