歐陽科，謝珊

（五邑大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

膜生物反應(yīng)器處理生活污水的研究

歐陽科，謝珊

（五邑大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

研究了膜生物反應(yīng)器處理生活污水的運行效果、膜污染特征及控制.結(jié)果表明：膜生物反應(yīng)器處理生活污水，COD的去除率達到85%以上，出水COD質(zhì)量濃度控制在34 mg/L，NH4-N的去除率能達到92%，出水NH4-N質(zhì)量濃度在5 mg/L，出水TN平均去除率可達86%，出水TN質(zhì)量濃度為8 mg/L；污泥濃度隨處理時間延長而逐漸增加，污泥負荷逐漸降低.運行初期過膜壓力（TMP）的上升較慢，而運行一段時間后，TMP快速上升.對污染后的膜組件進行清洗，結(jié)果表明：通過清水清洗和HCl清洗后，膜的過膜壓力沒有明顯緩解，采用NaOH和NaClO聯(lián)合清洗后，膜的過膜壓力迅速下降，說明膜污染以有機污染為主.對TMP進行計算，有機污染在膜污染中貢獻為65%，對膜表面無機元素的分析結(jié)果也表明，無機污染不是膜污染的主要原因.

膜生物反應(yīng)器；膜污染；膜清洗

膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor，MBR)將生物技術(shù)與膜分離技術(shù)有機結(jié)合，具有占地小、出水水質(zhì)好、容積負荷高、污泥產(chǎn)率低等優(yōu)點.[1]但膜污染[2]的存在，降低了MBR的處理能力，縮短了膜的使用壽命，增加了操作成本，制約了MBR的進一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用.膜污染分為污泥層污染、有機污染和無機污染三大主要類型，污泥層污染指污泥顆粒物沉積在膜表面導(dǎo)致的污染，有機污染指的是溶解性有機物導(dǎo)致的污染，無機污染指無機物在膜表面造成的污染.目前，針對膜污染影響因素的研究報道較多[3]，針對膜污染的過程、膜污染的類型等問題的研究相對較少，但污染類型的確定對采取針對性的污染控制措施有重要意義.本試驗研究了在長期運行條件下膜反應(yīng)器處理生活污水的效果，并對膜進行了清洗試驗，針對清洗液的污染成分，探討了處理生活污水時膜的污染特征.

1 材料與方法

圖1 MBR反應(yīng)器試驗裝置

MBR實驗裝置和工藝流程如圖1所示MBR反應(yīng)器的HRT為15 h，膜組件采用束狀聚偏氟乙烯中空纖維膜（PVDF，浙江大學(xué)產(chǎn)），膜孔徑為0.2μm.反應(yīng)器的有效體積為40 L；膜面積為0.2 m2.膜組件的出水方式采用抽吸式，膜外部進水，內(nèi)部間歇抽吸出水（抽吸泵開4 min、關(guān)1 min），膜下方采用小孔鼓風(fēng)曝氣.實驗用水為某高校小區(qū)生活污水，含部分試驗廢水.試驗期間主要監(jiān)測COD、NH4-N、TN、MLSS、MLVSS值等，各項指標(biāo)均采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）[4]進行檢測.

溶解性微生物代謝產(chǎn)物（Soluble Microbial Products，SMP）的分析方法參見文獻[5-6]，測定提取液中的蛋白和多糖含量，二者相加為胞外聚合物的含量.

掃描電鏡-能譜（SEM-EDS）：日本Hitachi公司，配有美國 EDAX公司能譜儀.乙醇梯度脫水，自然干燥檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1 MBR的運行效果

污泥接種質(zhì)量濃度為3 g/L，接種后馴化8 d開始測定.對于MBR而言，其對污染物的去除分為2部分：生物去除部分和膜截留部分，因此相對其他污水處理工藝，其去除污染物的效果更好.圖2為MBR的運行效果，可以看出：MBR的COD和NH4-N去除率均較高，COD去除率在80%～93%之間，平均去除率為85%，出水COD平均質(zhì)量濃度為34 mg/L；氨氮的去除率在80%～95%之間，平均去除率為92%，出水NH4-N的平均質(zhì)量濃度均為5 mg/L.出水水質(zhì)達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放一級A標(biāo)準（GB18918—2002），可見MBR對生活污水具有穩(wěn)定和良好的處理效果.

圖2 MBR對COD和NH4-N的去除效果

由于MBR的膜具有高效截留作用，不排泥情況下，MBR中污泥質(zhì)量濃度比較高，本試驗中，MLSS最高能達到8.1 g/L.通常為防止膜污染，MBR內(nèi)的曝氣強度會比較大，而另一方面污泥濃度過高，MBR混合液經(jīng)常會產(chǎn)生局部缺氧區(qū)域，這使得反硝化成為可能.實際上，只要控制好溶解氧的質(zhì)量濃度（本試驗中其最高質(zhì)量濃度為1.6 mg/L），即使在曝氣階段MBR也具有同步硝化反硝化的效果.生活污水的可生化性良好，NH4-N質(zhì)量濃度相對較低，有利于TN的去除.試驗期間，TN的去除效果如圖3所示，去除率在78%～95%區(qū)間內(nèi)，平均去除率可達86%，出水TN平均質(zhì)量濃度為8 mg/L左右.

2.2 MBR的污泥質(zhì)量濃度和負荷

接種污泥質(zhì)量濃度3.0 g/mL，圖4反映了反應(yīng)器中污泥質(zhì)量濃度隨時間的變化趨勢.由圖4可見：由于不排泥運行，污泥濃度總體隨著運行時間的延長而增加，運行至62 d時MLSS為8.3 g/L，MLVSS也在不斷增加，但是ρ(VSS)與ρ(SS)的比值隨著時間的延長減小了；由于污泥不斷積累，污泥負荷(SLR) (mCOD/(mSS?d))出現(xiàn)下降，運行42 d后，SLR低于0.1 g/(g·d). ρ(VSS)與ρ(SS)比值的下降是由于運行42 d后，污泥營養(yǎng)條件明顯惡化，內(nèi)源呼吸作用得到加強，進水中的惰性物質(zhì)也在不斷積累所致.

圖3 MBR對TN的去除效果

圖4 MBR污泥質(zhì)量濃度和負荷隨時間的變化

2.3 MBR的膜污染特征

圖5 過膜壓力隨時間的變化

監(jiān)測長期運行條件下過膜壓力（Trans-membrane pressure，TMP）的變化，以此表征膜污染的程度和速度，結(jié)果如圖5所示.為了保證膜組件的安全，當(dāng)過膜壓力處于50～60 kPa時，必須對膜進行清洗.

由圖5可見：膜污染呈現(xiàn)“兩段式”的特點，即過膜壓力的緩慢上升期和快速上升期.在初始階段膜壓維持在很低的水平，不到3 kPa，運行42 d后，過膜壓力開始快速上升，并很快進入了清洗區(qū)間，這一結(jié)果與很多研究相似.研究[7-8]已經(jīng)證實，TMP的初期緩慢上升是由上清液中有機物所導(dǎo)致，在運行初始階段，膜的污染狀況不嚴重，具有較大的污染物容納能力.后期TMP快速上升則主要由于污染物在膜的表面或者孔隙通道內(nèi)的積累達到了一定程度，膜的有效過濾面積減小，而膜的總通量受抽吸泵的控制保持不變，造成單位過濾面積的局部通量快速增加，當(dāng)實際單位面積的通量超過膜的臨界通量時，過膜壓力開始快速增加，就進入TMP快速增加階段，此時污泥顆粒在負壓力作用下快速沉積于膜表面，使膜的透水性變差、膜阻力變大，TMP快速上升.第57 d，經(jīng)過化學(xué)清洗（NaOH+NaClO溶液）后，膜壓力從52.8 kPa下降到3.5 kPa，說明化學(xué)清洗能有效去除膜污染、降低過膜壓力.

2.4 MBR膜清洗效果

在第57 d，由于膜壓力超過50 kPa，采用不同的清洗劑對膜組件進行了化學(xué)清洗，通過考察不同的清洗劑對膜通量的清洗恢復(fù)效果可以分析出膜污染的主要類別.本試驗中依次用清水、0.2 mol? L-1HCl、 0.05 mol? L-1NaOH與質(zhì)量分數(shù)2%NaClO混合液對膜絲進行清洗，清洗完測量膜壓力的變化.每種清洗劑的清洗時間均固定為24 h.各種清洗的作用分別是：清水可以洗去膜絲表面堆積的濾餅層；HCl溶液可溶解沉積物中的無機不溶物（如CaCO3、MgCO3、Fe(OH)3等）；NaOH+ NaClO混合液主要清除油脂、蛋白質(zhì)、多糖等有機污染物引起的污染.本實驗用清水清洗后的膜壓力變化占總壓變化的比例來表征膜的污泥層對膜污染的貢獻率，HCl清洗后膜壓力的變化占總壓變化的比例來表征無機污染對膜污染的貢獻率，用NaOH+NaClO混合液清洗后膜壓力變化占總壓變化的比例來表征有機污染對膜污染的貢獻率.

由圖6可見：清水、HCl、NaOH+NaClO混合液清洗后膜壓力都不同程度的減小.清水洗后膜壓力52.8 kPa降低至39.3 kPa，說明污泥層污染對膜污染的貢獻率為27.3%；HCl溶液清洗后膜壓從39.3 kPa降至35.5 kPa，說明無機污染對膜污染的貢獻率僅有7.7%，而NaOH+NaClO混合液清洗后膜壓從35.5 kPa降至僅有3.3 kPa，這說明有機污染對膜污染的貢獻率高達65%.從對膜的清洗結(jié)果來看，有機污染是膜污染的主要原因，無機污染非常輕微，污泥顆粒和污泥層污染所占比例也相對較小.

為進一步探討污染原因，對不同清洗步驟下膜表面洗下的有機污染物含量進行了測定.由圖7中可見：清水、HCl清洗后的多糖和蛋白較少，而NaOH+NaClO混合液清洗后，洗下了大量的多糖、蛋白和溶解性EPS.盡管NaClO有強氧化性，能破壞這些有機物的結(jié)構(gòu)，但仍然測得大量的這些物質(zhì)，這一結(jié)果與圖6中不同清洗步驟下的膜壓變化趨勢相同，并從側(cè)面說明污染的主要類型是有機污染.

圖6 不同污染類型在膜污染中的貢獻率

圖7 不同清洗步驟洗下污染物含量

圖8是新膜和污染膜清洗后膜表面的能譜分析圖，主要測量了C、N、O、F、Na、Ca、Fe7種元素的含量，具體見表1.N元素含量可衡量膜絲有機污染的程度[9]，膜絲無機污染的程度用Na、Ca和Fe等金屬元素來表征，F(xiàn)是聚偏氟乙烯膜材料中特有的元素.結(jié)果表明，污染后膜表面的N、Fe等元素明顯增加.N元素的增加是因為膜表面附著了蛋白和多糖等溶解性有機污染物.Fe等金屬元素增加可能與進水水質(zhì)有關(guān)（本試驗污水中含有少量試驗廢水）.結(jié)合圖6，采用酸洗后，無機金屬化合物和離子會從膜表面被洗下而過膜壓力并沒有很大的下降，也證明了無機污染并不是造成膜污染的主要原因.

表1 新膜和污染膜中7種元素的含量

圖8 新膜和污染膜表面的能譜分析

3 結(jié)論

MBR對污水中COD、NH4-N和TN具有穩(wěn)定和良好的去除效果.膜污染在初始階段較緩慢，運行后期污染較快，從膜的清洗結(jié)果來看，采用NaOH+NaClO混合液聯(lián)合清洗時，TMP下降幅度很大，說明膜污染以有機污染為主，因此MBR在運行生活污水時，推薦采用NaOH+NaClO混合液進行聯(lián)合清洗，以有效降低過膜壓力、控制膜污染.

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A Study of the Membrane Bioreactor for Treating Municipal Wastewater

OUYANG Ke,XIE Shan
(School of Chemical and Environmental Engineering,Wuyi University,Jiangmen 529020,China)

This paper presented an experimental study of the performance,characteristics of the membrane fouling in membrane bioreactor(MBR)operation.The result showed that MBR had excellent removal efficiency.When treating municipal wastewater,the COD removal could reach 85% or above,the concentration of effluent COD was 34 mg/L,the NH4-N removal efficiency could get to 92%,the concentration of effluent NH4-N of effluent was 5 mg/L,the TN removal could exceed 86%, the concentration of effluent TN was 8 mg/L,the MLSS increased and the sludge load rate decreased. The membrane fouling rate was slow after performance,and then increased fast.After being cleaned by water and HCl solution,the TMP didn’t decreased much,after being cleaned by NaOH+NaClO mixed solution,the TMP decreased greatly,which showed that the main type of the membrane fouling was organic fouling,the contribution of organic fouling was 65%.The result of EDS on membrane surface showed that inorganic fouling is not the main type of membrane fouling.

membrane bioreactor;membrane fouling;membrane cleaning

?

X172

A

1006-7302（2011）03-0028-06

2011-04-13

廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才資助項目（LYM10129）

歐陽科（1978—），男，湖北荊州人，講師，博士，主要從事固廢資源化和水處理方面的研究.