正滲透膜生物反應(yīng)器膜過濾實(shí)驗(yàn)研究

張娟 王博

摘 ? ? ?要：為研究正滲透膜生物反應(yīng)器膜過濾特性，在明確正滲透膜生物反應(yīng)器工作原理與研究難點(diǎn)的前提下預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)，使用氯化鈉為污水模擬驅(qū)動介質(zhì)，并基于OMBR通用處理技術(shù)進(jìn)行生活污水處理方式模擬。充分記錄關(guān)鍵性元件正滲透膜分離過程中驅(qū)動液濃度、膜朝向、錯流速率、活性污泥濃度等可測物理量，以標(biāo)定分析相應(yīng)因素對膜過濾性能的關(guān)聯(lián)影響程度。研究表明：（1）實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)NaCl濃度由0.5 mol/L上升至3 mol/L過程中，相應(yīng)可測物理量水通量（Jw）增長速度明顯，數(shù)據(jù)顯示由4.97 L/（m2·h）遞增至13.33 L/（m2·h），同樣當(dāng)NaCl濃度由0.5 mol/L上升至3 mol/L過程中，反向鹽通量Js的數(shù)量級由9.26 g/ （m2·h）遞增至42.58 g/ （m2·h）;（2）相關(guān)的Jw和Js可測物理量在活性層朝向驅(qū)動液條件下（AL-DS）較活性層朝向原料液（AL-FS）條件下略大;（3）水通量Jw和反向鹽通量Js可測物理量成正相關(guān)趨勢;（4）相應(yīng)水通量Jw數(shù)量級與活性污泥濃度成反比，進(jìn)一步可以看出活性污泥濃度由3 000 mg/L上升至5 000 mg/L過程中水通量Jw數(shù)量級下降趨勢緩慢。

關(guān) ?鍵 ?詞：正滲透膜;生物反應(yīng)器;過濾;水通量;反向鹽通量

中圖分類號：TQ 028.8 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）02-0309-05

Abstract： In order to study the membrane filtration characteristics of the forward osmosis membrane bioreactor， the experiment was designed on the premise of clarifying the working principle and research difficulties of the forward osmosis membrane bioreactor. Sodium chloride was used as the driving medium of sewage simulation， and the domestic sewage treatment was simulated based on OMBR general treatment technology. The measurable physical parameters were fully recorded， such as driving fluid concentration， membrane orientation， cross flow rate and activated sludge concentration in the process of forward osmosis membrane separation of key components， so as to calibrate and analyze the relevant influence degree of corresponding factors on the membrane filtration performance. The results showed that： （1） In the process of increasing NaCl concentration from 0.5 mol/L to 3 mol/L， the growth rate of measurable physical water flux （Jw） was obvious， and it increased from 4.97 L/（m2·h） to 13.33 L/（m2·h）. Similarly， when the concentration of NaCl increased from 0.5 mol/L to 3 mol /L， the reverse salt flux Js increased from 9.26 g /（m2·h） to 42.58 g/（m2·h）; （2） The related measured physical quantities of JW and JS were slightly larger when the active layer was oriented to the driving fluid （AL-DS） than when the active layer was oriented to the feed fluid （AL-FS）. （3）There was a positive correlation between the water flux Jw and reverse salt flux Js.（4）The corresponding water flux Jw was inversely proportional to the activated sludge concentration， furthermore the water flux Jw decreased slowly in the process of increasing the concentration of activated sludge from 3000 mg/L to 5 000 mg/L.

Key words：Forward osmosis membrane;Bioreactor; Filtration;Water flux;Reverse salt flux

隨著技術(shù)的進(jìn)步與時代的發(fā)展，以低功耗、高效能為代表的新型技術(shù)及材料逐漸用于水處理行業(yè)，正滲透膜及其相關(guān)技術(shù)就是典型代表。在該領(lǐng)域，國內(nèi)外研究主要集中在工業(yè)化成品設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，原液膜面流速對膜通量等相關(guān)可測物理量的互為影響規(guī)律上，以及材料膜方面的污染效能研究和零部件耐久性優(yōu)化[1]。本文在明確正滲透膜生物反應(yīng)器工作原理與研究難點(diǎn)的前提下預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)[2]，選用NaCl溶液進(jìn)行相關(guān)污水模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究OMBR通用處理技術(shù)在真實(shí)污水處理方式中的模擬。

1 ?工作原理

依據(jù)特殊膜結(jié)構(gòu)及其滲流力學(xué)特點(diǎn)而設(shè)計制造的正滲透膜生物反應(yīng)器（OMBR）具有低功耗、易維護(hù)、低成本等諸多特點(diǎn)，關(guān)鍵性的膜生物反應(yīng)器（MBR）是利用壓力差原理進(jìn)行超濾、微濾和反滲透污垢分離等一系列工序后進(jìn)行截流和活性污泥降解而達(dá)到水質(zhì)處理目的的。該種工藝相比其他傳統(tǒng)的壓力驅(qū)動型處理設(shè)備和工藝極具優(yōu)勢，能在多維環(huán)境下的低壓條件下正常運(yùn)行，且能有效控制膜污染程度[2]。當(dāng)前相關(guān)延伸性技術(shù)和實(shí)用型改進(jìn)研究方面成果居多，在該技術(shù)研究歷史方面，正滲透膜生物反應(yīng)器原型由Achilli學(xué)者團(tuán)隊首次提出，并得出初始室內(nèi)驗(yàn)證性結(jié)論：正滲透膜生物反應(yīng)器（OMBR）原型能有效清除污水中99%的有機(jī)物以及98%的氨氮，相比原始的壓力驅(qū)動膜生物反應(yīng)器（MBR）在功耗和去污率上有較大提升。隨后的研究當(dāng)中，Achilli學(xué)者團(tuán)隊改進(jìn)原設(shè)計模型，更加貼合實(shí)際地研制出了一臺浸沒式OMBR設(shè)備，并開始不同負(fù)荷工況條件下的28 d連續(xù)運(yùn)行，最終在測定膜污染極限任務(wù)的研究當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)了通量減小程度與膜污染可測物理量成正比，以至于在材料研究方面提供了一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，并幫助美國HTI公司升級制造了正滲透膜生物反應(yīng)器（OMBR）工業(yè)化設(shè)備上專用的膜纖維素三乙酸酯膜和經(jīng)濟(jì)性更好的薄膜復(fù)合材料[3]。根據(jù)相關(guān)成品工業(yè)化設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)可知，相關(guān)的膜片對鹽類物質(zhì)截留率較好，并且在鹽類溶液的滲透壓工作下還能為反應(yīng)提供有效的驅(qū)動力。根據(jù)筆者相關(guān)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)與文獻(xiàn)調(diào)研，現(xiàn)總結(jié)出正滲透膜生物反應(yīng)器（OMBR）相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢：

（1）良好的正滲透膜截留作用能有效提升系統(tǒng)終端水質(zhì);

（2）低壓或者微壓條件的運(yùn)行環(huán)境能極大優(yōu)化功效;

（3）正滲透膜出水工藝及其濃水回收工藝能優(yōu)化膜污染產(chǎn)生率，進(jìn)一步優(yōu)化能耗。

2 ?實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)

2.1 ?儀器與分析

在經(jīng)濟(jì)合理的原則上選用FA2005B型電子分析天平，并做好校正標(biāo)定。動力設(shè)備上選用BT600LC蠕動泵，并在相應(yīng)測試儀器完整情況下搭建實(shí)驗(yàn)臺架。原料液配制與儲存方面首先進(jìn)行溶液配制，具體成分為278 mg/L的葡萄糖溶液，111 mg/L的NaHCO3溶液，278 mg/L的淀粉溶液，6 mg/L的CaCl2溶液，28 mg/L的蛋白胨溶液，0.549 mg/L的FeSO4·7H2O溶液，167 mg/L的尿素溶液，26.4 mg/L的KH2PO4溶液，66 mg/L的MgSO4·7H2O溶液，6 mg/L的MnSO4·7H2O溶液。相應(yīng)真實(shí)模擬活性污泥樣品來自于某污水處理廠生化池。氯化鈉等標(biāo)準(zhǔn)化工料均來自于正規(guī)渠道，且所有產(chǎn)品、成品、原材料溶液、試劑做無菌保持。為簡化實(shí)驗(yàn)過程，優(yōu)化裝置適配性，將上述設(shè)備設(shè)施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺架搭建[4-5]。

實(shí)驗(yàn)用反滲透膜為HTI公司商業(yè)成品化的CTA-ES合格膜片。根據(jù)廠家提供技術(shù)參數(shù)可知，該種成品膜有醋酸纖維素合成的活性層和聚酯篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的支撐層?？傮w膜層厚60～80μm。其余關(guān)鍵組件如錯流式正向滲透膜以一定規(guī)格進(jìn)行膜生物反應(yīng)器的外置式懸掛，流道設(shè)計方面促使原料液和驅(qū)動液進(jìn)行獨(dú)立式膜組件內(nèi)兩端定量錯流循環(huán)運(yùn)行。進(jìn)一步表征相關(guān)膜組件的幾何特征，游標(biāo)卡尺測得所用膜組件流道深4 mm，反應(yīng)式有效工作面積為38 cm2。進(jìn)一步核算可知工作過程中的原料液與驅(qū)動液總有效體積為2 L，實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用天平實(shí)時監(jiān)控驅(qū)動液變化情況來折算水通量數(shù)據(jù)，同時整個實(shí)驗(yàn)在規(guī)定時間內(nèi)的常溫環(huán)境下進(jìn)行[6]。

在分析方法及數(shù)據(jù)核算方面，通過OMBR裝置下展開研究，24 ℃左右的環(huán)境溫度下記錄，將2 L模擬生活污水和活性污泥均質(zhì)混合液加入生物反應(yīng)裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。在曝氣環(huán)節(jié)，預(yù)設(shè)曝氣量為3 L/min。實(shí)驗(yàn)過程中，首先將2 L配比完善濃度均一的氯化鈉溶液均衡置入驅(qū)動液預(yù)備桶，并根據(jù)當(dāng)前反應(yīng)特征進(jìn)行一定速率的錯流量調(diào)節(jié)，待檢查完善后開始正滲透膜分離循環(huán)實(shí)驗(yàn)操作。當(dāng)整體實(shí)驗(yàn)臺架運(yùn)行10 min后，檢查可測物理量變化程度，如若系統(tǒng)穩(wěn)定，即可開始計算驅(qū)動液側(cè)的相應(yīng)NaCl質(zhì)量變化。

2.2 ?結(jié)果與討論

2.2.1 ?驅(qū)動液濃度對正向滲透膜過濾性能的影響

基于相關(guān)研究，正滲透膜分離作用與驅(qū)動液性質(zhì)有關(guān)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究可知，如果正滲透驅(qū)動液在實(shí)驗(yàn)過程中能良好地溶解于水并且在短時間內(nèi)升壓（滲透壓）至最高，后續(xù)的水分離效應(yīng)較好，重復(fù)循環(huán)利用價值高，實(shí)驗(yàn)成功率高，數(shù)據(jù)表征性針對性好。根據(jù)上節(jié)實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)可知，本次實(shí)驗(yàn)用驅(qū)動液為0.5～3.0 mol/L的NaCl，實(shí)驗(yàn)過程中置于3 000 mg/L的活性污泥當(dāng)中，并且嚴(yán)格控制活性層朝向原料液（AL-FS）方向，設(shè)定一定時間下的600 mL/min錯流速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)時記錄標(biāo)定驅(qū)動液濃度對水通量Jw和反向鹽通量Js的多因素影響。在此整理相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖1。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得圖1可知，NaCl濃度與Jw、Js參數(shù)成明顯正相關(guān)趨勢。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)NaCl濃度由0.5 mol/L上升至3 mol/L過程中，相應(yīng)可測物理量水通量（Jw）增長速度明顯，數(shù)據(jù)顯示由4.97 L/（m2·h）遞增至13.33 L/（m2·h）。該種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以理解為：因?yàn)樵弦翰蛔?，?shí)驗(yàn)過程中相應(yīng)NaCl濃度與滲透壓參數(shù)也成正比關(guān)系，相應(yīng)的正滲透分離驅(qū)動力也隨之加強(qiáng)，高濃度的NaCl溶液離子數(shù)更多，故Jw增長速度明顯。同樣當(dāng)NaCl濃度由0.5 mol/L上升至3 mol/L過程中，反向鹽通量Js的數(shù)量級由9.26 g/（m2·h）遞增至42.58 g/（m2·h）。相應(yīng)原理為：正滲透膜不可能是完全性致密的，實(shí)驗(yàn)過程中水穿透FO膜到達(dá)驅(qū)動液側(cè)時，相關(guān)的驅(qū)動溶質(zhì)也會利用此通道少量地反向穿透膜片到原料液中，根據(jù)進(jìn)一步測算研究，該種現(xiàn)象會隨著NaCl濃度的增加而得到強(qiáng)化。

2.2.2 ?膜朝向?qū)φ驖B透膜過濾性能的影響

預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將元器件置于3 000 mg/L的活性污泥當(dāng)中，并且調(diào)整活性層朝向，分別對準(zhǔn)驅(qū)動液（AL-DS）和原料液（AL-FS）方向，設(shè)定一定時間下的600 mL/min錯流速率運(yùn)行，獲取不同膜朝向下的水通量Jw和反向鹽通量Js的多因素影響。在此整理相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作圖2。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，預(yù)設(shè)驅(qū)動液濃度相同，其他實(shí)驗(yàn)影響因素相似，相關(guān)的Jw和Js可測物理量在活性層朝向驅(qū)動液條件下（AL-DS）較活性層朝向原料液（AL-FS）條件下略大。根據(jù)前期研究常識可知，正滲透前提下的無外接壓力實(shí)驗(yàn)過程中，正滲透膜水通量可測物理量和FO膜兩側(cè)溶液的滲透壓差成正比關(guān)系。但是進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究可知，真實(shí)情況下的通量數(shù)量級相對預(yù)期值相差甚小。實(shí)驗(yàn)證明FO過程是典型的濃差極化機(jī)理，而相關(guān)的濃差極化機(jī)理又可區(qū)分為內(nèi)濃差極化和外濃差極化。在活性層朝向驅(qū)動液條件下（AL-DS），水和溶質(zhì)會成混合流態(tài)通過多孔支撐層，而活性層的內(nèi)表面會因?yàn)槊?xì)管力吸附，在濃縮型內(nèi)濃差極化作用下形成極化層;同樣，在活性層朝向原料液（AL-FS）條件下，水會滲透通過相應(yīng)活性層，沖擊稀釋多孔支撐層中殘存的汲取液，產(chǎn)生反向溶質(zhì)通量和濃差極化。在宏觀結(jié)構(gòu)下相應(yīng)的CTA-ES正滲透膜結(jié)構(gòu)為非對稱，以至于后續(xù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)運(yùn)行過程的膜兩側(cè)溶液錯流速率偏大，形成不穩(wěn)定湍流。所以在最終的分析計算環(huán)節(jié)需要忽略外濃差極化帶來的相關(guān)影響。在此大膽分析，當(dāng)驅(qū)動液側(cè)NaCl濃度較高前提下，（AL-DS）實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的濃縮型內(nèi)濃差極化反應(yīng)相對于（AL-FS）條件下稀釋型內(nèi)濃差極化作用給予的有效驅(qū)動力偏小，以至于最終的（AL-DS）條件下的水通量Jw和反向鹽通量Js可測物理量較大。

2.2.3 ?錯流速率對正向滲透膜過濾性能的影響

預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)，將元器件置于3 000 mg/L的活性污泥當(dāng)中，并調(diào)整實(shí)驗(yàn)環(huán)境為活性層朝向原料液（AL-FS），配置濃度為2 mol/L的NaCl溶液供給實(shí)驗(yàn)。隨后分別設(shè)定300、600、1 200 mL/min不同錯流速率運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，記錄水通量Jw和反向鹽通量Js變化數(shù)據(jù)，表征相應(yīng)可測物理量變化規(guī)律。在此整理相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見圖3。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得圖譜可知，水通量Jw和反向鹽通量Js可測物理量成正相關(guān)趨勢。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)可以看出300 mL/min至600 mL/min錯流速率實(shí)驗(yàn)下水通量Jw和反向鹽通量Js成緩慢增加趨勢;600 mL/min至1 200 mL/min錯流速率實(shí)驗(yàn)下Jw和Js增加幅度顯著。所以膜片表面流體錯流速率膜附近的溶質(zhì)濃度有改變效應(yīng)，在整體運(yùn)行框架下有效弱化濃差極化程度，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)過程中的正向滲透膜通量，以至于實(shí)驗(yàn)得出了通量與錯流速率正相關(guān)的結(jié)果。當(dāng)然，如果錯流速率較低，相應(yīng)的膜片兩側(cè)沖刷流擊作用不顯著，流體剪切效能不足，膜片會產(chǎn)生不同程度的污染。所以較強(qiáng)的錯流速率能及時混合循環(huán)活性污泥，在污染發(fā)展趨勢上得到有效遏制，在實(shí)用領(lǐng)域能幫助驅(qū)動液一側(cè)進(jìn)行滲透水導(dǎo)出，弱化支撐孔隙中的內(nèi)濃差極化作用，提升污水凈化設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行率。

2.2.4 ?活性污泥濃度對正向滲透膜過濾性能影響

水處理的重要一環(huán)是依靠不同活性污泥幫助系統(tǒng)運(yùn)行。在宏觀框架下污泥濃度對MBR處理成單一促進(jìn)趨勢，但是如果相應(yīng)污泥濃度過高且處理不當(dāng)則會導(dǎo)致整體運(yùn)行設(shè)備負(fù)荷過載，并給后續(xù)膜分離運(yùn)行環(huán)節(jié)帶來影響。所以本實(shí)驗(yàn)框架下需要考慮真實(shí)情況下的正滲透膜生物反應(yīng)器多重工況的污泥濃度與正向滲透膜過濾性能的互為關(guān)系，并進(jìn)行不同預(yù)設(shè)值前提下的標(biāo)定。在此預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)，設(shè)活性層朝向原料液（AL-FS）方向，相應(yīng)工況為2 mol/L NaCl濃度下進(jìn)行600 mL/min錯流速率的實(shí)驗(yàn)，充分測定污泥濃度為3 000、5 000、7 000 mg/L條件下的水通量Jw和反向鹽通量Js可測物理量。在此整理相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作圖4。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得圖譜可知，測得的相應(yīng)水通量Jw數(shù)量級與活性污泥濃度成反比。進(jìn)一步可以看出活性污泥濃度由3 000 mg/L上升至5 000 mg/L過程中水通量Jw數(shù)量級下降趨勢緩慢。當(dāng)活性污泥濃度由5 000 mg/L上升至7 000 mg/L時，相應(yīng)水通量Jw數(shù)量級下降趨勢顯著。由此可見，膜兩側(cè)的滲透壓差會變小，隨之相應(yīng)的驅(qū)動力也同步變小，以至于水通量低下;同時需要注意的有相應(yīng)的高濃度活性污泥會帶來大量的污染物雜質(zhì)，大規(guī)模擾動系統(tǒng)穩(wěn)定性并損壞膜的工作效率，所以相關(guān)圖譜結(jié)果顯示其活性污泥濃度與反向鹽通量Js可測物理量成正比。

3 ?結(jié) 論

（1）實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)NaCl濃度由0.5 mol/L上升至3 mol/L過程中，相應(yīng)可測物理量水通量（Jw）增長速度明顯，數(shù)據(jù)顯示由4.97 L/（m2·h）遞增至13.33 L/（m2·h）。同樣當(dāng)NaCl濃度由0.5 mol/L上升至3 mol/L過程中，反向鹽通量Js的數(shù)量級由9.26 g/（m2·h）遞增至42.58 g/（m2·h）。

（2）相關(guān)的Jw和Js可測物理量在活性層朝向驅(qū)動液條件下（AL-DS）較活性層朝向原料液（AL-FS）條件下略大。

（3）水通量Jw和反向鹽通量Js可測物理量均成正相關(guān)趨勢。

（4）相應(yīng)水通量Jw數(shù)量級與活性污泥濃度成反比。

參考文獻(xiàn)：

[1]段文松，李帶，張方芳，等.正滲透膜生物反應(yīng)器運(yùn)行過程中溶質(zhì)反滲對微生物群落的影響[J].化工學(xué)報，2019，70（5）：1981-1990.

[2]朱衛(wèi)軍，王新華，李秀芬，等.正滲透膜生物反應(yīng)器與反滲透耦合系統(tǒng)的運(yùn)行性能研究[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2018，38（3）：104-109.

[3]馬艷杰，紀(jì)獻(xiàn)兵，全玉蓮.正滲透膜生物反應(yīng)器濾餅層性質(zhì)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（21）：156-164.

[4]廖文超，李元高，嚴(yán)濱，等.正向滲透膜生物反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化研究[J].水處理技術(shù)，2013，39（12）：24-27+32.

[5]崔迎，顧玲，吳國旭.正向滲透膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國給水排水，2010，26（14）：38-42+46.

[6]肖萍，李靜.不同汲取液在正滲透膜處理垃圾滲濾液過程中的作用[J].三峽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，2018，3（1）：13-20.