聚丙烯無紡布膜生物反應(yīng)器的水處理性能及膜污染控制研究

劉靜璇，李曉惠，張超陽，許艷廣

(遼寧科技學(xué)院 生物醫(yī)藥與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

膜生物反應(yīng)器(MBR)是一種高效的水處理工藝，具有占地面積小、出水水質(zhì)好、污泥濃度高等優(yōu)點，在城市污水處理等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。目前實際應(yīng)用中的MBR多數(shù)采用聚偏氟乙烯中空纖維膜〔1〕，膜的價格相對高昂，更重要的是，由于膜污染問題的存在，需要對膜進行定期的物理及化學(xué)清洗，這提高了污水廠的運行費用及管理難度，化學(xué)清洗藥劑也會導(dǎo)致二次環(huán)境污染，另外，頻繁的化學(xué)清洗也會降低膜的使用壽命，更換新膜也將進一步增加運行成本〔2〕。上述問題大大制約了MBR的推廣和應(yīng)用，因此，尋找膜污染控制方式簡單易行的新型廉價膜介質(zhì)是進一步推廣MBR應(yīng)用的關(guān)鍵。

無紡布具有造價低、質(zhì)地輕、通透性好、強度高、濾效高以及濾阻低等優(yōu)勢，可作為MBR工藝的替代膜材料〔3〕。但是，無紡布本身孔徑較大，在運行初期，對混合液絮體的截留能力相對較差〔4〕，為了使其具有更大的粒子攔截性能，通常需要對無紡布進行表面改性〔5-6〕，或在無紡布表面形成一層動態(tài)膜〔7-8〕，以上兩種方式或提高了膜的制備成本，或提高了工藝操作的復(fù)雜度。因此，開發(fā)出對混合液截留效果好、膜污染控制管理方便、環(huán)境殘留小、造價低、易于規(guī)?；茝V應(yīng)用的無紡布MBR工藝，對推廣MBR工藝在城市污水處理及其他廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的實際意義。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行條件

試驗中以雙層聚丙烯無紡布作為過濾介質(zhì)，將雙層聚丙烯無紡布分別固定在聚酯玻璃多孔支撐框架兩側(cè)，形成基于無紡布濾膜的膜組件，膜組件有效面積為162 cm2。將基于膜組件置于好氧反應(yīng)池中，原水由蠕動泵輸入好氧反應(yīng)池，另一蠕動泵與膜組件上部出水管連接抽吸出水，由壓差計讀取跨膜壓力(如圖1)。

1、蠕動泵 2、空氣壓縮機 3、膜組件 4、壓差計

好氧反應(yīng)池的混合液容積為4.5 L，混合液懸浮固體含量為1 809 mg/L～4 427 mg/L，混合液pH值控制為7～8，采用微孔曝氣盤曝氣，曝氣量為0.16 L/min～0.24 L/min，混合液溶解氧濃度控制為2 mg/L～3 mg/L。

原水為模擬生活污水，其主要水質(zhì)指標(biāo)如下：COD 360 mg/L～434 mg/L，NH3-N 58 mg/L～95 mg/L，TP 1.8 mg/L～3.6 mg/L。

1.2 短期過濾實驗

將膜通量分別控制為10 L/(m2·h)，20 L/(m2·h)，40 L/(m2·h)，60 L/(m2·h)，80 L/(m2·h)，100 L/(m2·h)，135 L/(m2·h)，170 L/(m2·h)，200 L/(m2·h)，每個通量下分別運行30 min，分別測定各個通量下的出水SS濃度。

1.3 長期過濾實驗

采用恒通量過濾模式，膜通量為20 L/(m2·h)。反應(yīng)器共運行54天，連續(xù)記錄運行過程中跨膜壓力隨時間變化情況；馴化22天后，處理效果趨于穩(wěn)定，再連續(xù)測定穩(wěn)定運行階段32天的進出水COD、氨氮指標(biāo)。

1.4 分析方法

SS采用重量法測定；COD采用快速消解法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定。

1.5 膜清洗方法

當(dāng)膜污染導(dǎo)致跨膜壓力顯著升高后，采用物理清洗方法清洗無紡布膜。具體物理清洗方法為：首先用刮板刮去膜表面污染物累積形成的濾餅層，再用清水沖洗膜表面。

2 結(jié)果與討論

2.1 無紡布膜生物反應(yīng)器對懸浮物的去除效果

相比于傳統(tǒng)膜材料，無紡布膜孔徑較大，因此出水懸浮物濃度是考察無紡布膜截留能力的重要指標(biāo)，為此，采用短期過濾實驗考察了不同膜通量下的出水懸浮物含量及跨膜壓力，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)無紡布膜通量從10 L/(m2·h)增大到50 L/(m2·h)時，懸浮物濃度也從0.8 mg/L增大到7.8 mg/L左右，當(dāng)膜通量由50 L/(m2·h)持續(xù)增大到200 L/(m2·h)，懸浮物的濃度維持在4.5 mg/L～5.8 mg/L，并沒有隨通量增加呈現(xiàn)顯著提高的趨勢。由此可見，無紡布膜在較寬的通量范圍內(nèi)，對懸浮物去除率基本維持不變，且出水懸浮物濃度小于10 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)中對懸浮物濃度的規(guī)定(<10 mg/L)〔9〕。當(dāng)膜通量從10 L·m-2·h-1增加至200 L·m-2·h-1，跨膜壓力僅從0.1 kPa增加至0.27 kPa，表明運行初期雙層聚丙烯無紡布濾膜的膜阻力很小，且隨膜通量變化不大。

圖2 膜通量對膜出水懸浮物濃度及跨膜壓力的影響

在54天的長期過濾實驗中，運行第一天的出水SS為3.36 mg/L，在之后的運行過程中，基本未檢測出SS，這是由于隨著運行時間的增加，活性污泥在無紡布表面逐漸形成生物膜，強化了過濾效果。

2.2 無紡布膜生物反應(yīng)器對COD的去除效果

進出水COD及COD去除率隨時間變化情況如圖3所示。在連續(xù)測定的32天內(nèi)，原水COD為360 mg/L～434 mg/L，無紡布膜生物反應(yīng)器的出水COD維持在33 mg/L～52.5 mg/L之間，COD去除率維持在87%～90%之間。多數(shù)情況下，出水COD濃度滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)中對COD濃度的規(guī)定(<50mg/L)〔9〕，僅有少數(shù)幾天略高于50 mg/L。

圖3 進出水COD及去除率

一般情況下，城市污水處理廠進水COD在200 mg/L～350 mg/L左右，城市污水處理廠二級生物處理工藝對原水COD的去除率維持在85%以上，本實驗原水COD高于一般城市污水廠的進水COD值，去除率高于其常規(guī)去除率，可以推斷，應(yīng)用本無紡布膜生物反應(yīng)器處理城市污水，有望通過進一步優(yōu)化操作參數(shù)使出水COD穩(wěn)定在50 mg/L以下。

2.3 無紡布膜生物反應(yīng)器對氨氮的去除效果

進出水氨氮及氨氮去除率隨時間變化情況如圖4所示。在系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，進水氨氮濃度約為58 mg/L～95 mg/L，屬較高氨氮污水，出水氨氮濃度最低為2.91 mg/L，最高為5.6 mg/L，氨氮去除率在91%～96%之間，出水氨氮濃度滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)中對氨氮濃度的規(guī)定(<5mg/L)〔9〕。一般城市污水廠進水氨氮濃度在20 mg/L～40 mg/L，本實驗原水氨氮濃度遠高于該值，結(jié)果表明，盡管原水中氨氮含量較高，無紡布膜生物反應(yīng)器對氨氮去除效率較高且處理效果比較穩(wěn)定。由于該無紡布膜生物反應(yīng)器固液分離效果好，實現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時間和污泥齡的完全分離，有利于增殖緩慢地硝化細菌的截流、生長和繁殖，系統(tǒng)硝化效率得以提高，因此，相比于一般的活性污泥工藝，本MBR工藝具有更高的氨氮去除率。

圖4 進出水氨氮及去除率

2.4 無紡布膜生物反應(yīng)器的膜污染分析

無紡布膜的跨膜壓力隨時間變化情況如圖5所示。無紡布膜在54天的運行時間內(nèi)共運行了3個周期，每周期運行結(jié)束后，將膜組件從反應(yīng)器中取出，進行物理清洗，清洗后再次投入下一周期的運行。第一周期共運行19天，在前17天內(nèi)，跨膜壓力由0.5 kPa緩慢增加至20.5 kPa，但在隨后的2天內(nèi)，跨膜壓力由20.5 kPa迅速增加至65.6 kPa；第二周期共運行17天，在前15天內(nèi)，跨膜壓力由2.5 kPa緩慢增加至22 kPa，在隨后的2天內(nèi)，跨膜壓力由22 kPa迅速增加至66.2 kPa；第三周期共運行18天，在前15天內(nèi)，跨膜壓力由2.6 kPa緩慢增加至23 kPa，在隨后的3天內(nèi)，跨膜壓力由23 kPa迅速增加至67.1 kPa。第一次物理清洗后，跨膜壓力恢復(fù)至2.5 kPa，第二次物理清洗后，跨膜壓力恢復(fù)至2.6 kPa，且每個周期的運行時長并沒有隨周期呈現(xiàn)明顯地降低趨勢，表明簡單的物理清洗即可有效恢復(fù)雙層聚丙烯無紡布膜的膜通量。無紡布膜的3周期的運行結(jié)果表明，當(dāng)膜污染導(dǎo)致跨膜壓力增加至20 kPa～25 kPa時，如繼續(xù)運行，跨膜壓力將進入急劇增長期，說明當(dāng)雙層聚丙烯無紡布膜組件的跨膜壓力增加至20 kPa～25 kPa時，需進行物理清洗，即雙層聚丙烯無紡布膜組件在好氧膜生物反應(yīng)器中運行的物理清洗周期約為15天，其工作跨膜壓力應(yīng)為0 kPa～20 kPa。目前在污水處理MBR中常用的膜為有機高分子聚合物中空纖維膜，其工作跨膜壓力為0 kPa～60 kPa〔10〕，與之相比，本無紡布膜生物反應(yīng)器具有操作壓力低的技術(shù)優(yōu)勢。

圖5 跨膜壓力隨時間變化情況

2.5 無紡布膜生物反應(yīng)器的截留機理分析

第三周期結(jié)束后，將膜組件從反應(yīng)器取出，然后將聚丙烯無紡布從膜組件上拆下，用顯微鏡分別對第一層無紡布、第二層無紡布以及新無紡布進行鏡檢。如圖6所示，新的聚丙烯無紡布膜內(nèi)部呈纖維交織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖6a)，在好氧膜生物反應(yīng)器中長期運行后，第一層無紡布表面由于機械篩濾作用形成了明顯的污泥濾餅層(圖6b)，第二層無紡布的內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)上由于接觸吸附作用附著了少量污泥絮體(圖6c)。

(a)新無紡布，(b)運行后，(c)物理清洗后

在運行初期，由于無紡布的大孔結(jié)構(gòu)，部分無法通過機械篩濾作用被第一層無紡布截留的小顆粒絮體可以進一步通過接觸吸附作用被第二層無紡布截留，因此，這種雙層無紡布濾膜結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)對MBR活性污泥絮體的有效攔截，使得運行初期的出水SS含量低于10 mg/L(圖2)，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。在運行后期，隨著第一層無紡布膜污染的加劇，膜孔徑顯著減小，對SS的機械篩濾作用增強，絕大部分污染物主要累積在第一層無紡布表面形成濾餅層，所以，在每周期的運行期末，第二層無紡布上僅累積少量膜污染物。

3 結(jié)論

本實驗采用來源廣、造價低的雙層聚丙烯無紡布作為MBR的過濾介質(zhì)，雙層聚丙烯無紡布的設(shè)置解決了一般使用大孔非織物作為過濾介質(zhì)的膜生物反應(yīng)器存在的初期出水懸浮物含量高的問題，系統(tǒng)操作壓力低，膜污染控制方法簡單、環(huán)境殘留小，具備節(jié)能環(huán)保的特征。