仉春華，孫紅杰，王 芳

(大連民族學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧大連 116605)

懸浮填料控制膜生物反應(yīng)器膜污染效能研究

仉春華，孫紅杰，王 芳

(大連民族學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧大連 116605)

以聚丙烯無(wú)紡布為膜組件，向浸漬式膜生物反應(yīng)器中投加軟質(zhì)懸浮填料處理人工廢水。通過(guò)分析測(cè)定膜污染阻力、濾餅層阻力、膜通量、跨膜壓力及處理水濁度和CODCr的變化，研究軟質(zhì)懸浮填料控制膜生物反應(yīng)器膜污染的效能。結(jié)果表明，投加軟質(zhì)懸浮填料能有效降低膜污染阻力、濾餅層阻力和跨膜壓力，增加膜通量，有利于延緩膜污染，提高膜組件的過(guò)濾性能;膜生物反應(yīng)器(MBR)中投加軟質(zhì)懸浮填料能提高CODCr的生物去除效率，但是降低了膜組件對(duì)微小懸浮固體的截留效能，增加了出水濁度和CODCr濃度。

懸浮填料;膜生物反應(yīng)器;膜污染

膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor，下稱(chēng)MBR)是實(shí)現(xiàn)污水再生回用和廢水資源化的一項(xiàng)具有競(jìng)爭(zhēng)力的新技術(shù)，膜污染則是影響MBR長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。膜污染是指被過(guò)濾料液中的某些組分在膜表面或膜孔中沉積導(dǎo)致膜滲透量下降的現(xiàn)象，MBR分離的目標(biāo)物質(zhì)是污泥混合液，所以膜污染物質(zhì)主要來(lái)源于污泥混合液。懸浮固體和上清液是污泥混合液的兩大組成部分，而其中的懸浮固體和溶解性有機(jī)物是形成膜污染的主要因素［1］。懸浮固體中形成膜污染的主要是粒徑為0.5～15 μm的微小顆粒，容易沉積在膜表面而形成濾餅，堵塞膜孔［2］，加速濾餅阻力的形成［3］。有文獻(xiàn)報(bào)道，懸浮固體、膠體和溶解性大分子有機(jī)物對(duì)膜污染阻力的貢獻(xiàn)分別為65%，30% 和5%［4－5］。減少污泥混合液中的懸浮固體在膜表面形成濾餅層，是減緩和控制膜污染的有效方法之一。目前，防止和減少膜表面濾餅層形成的主要方法是改善MBR中污泥混合液的水利條件，例如增強(qiáng)曝氣強(qiáng)度［6－7］。在氣液兩項(xiàng)中，上升的氣流會(huì)形成很強(qiáng)的剪切力，沖刷膜表面，防止和減少污泥的沉積，但會(huì)增加運(yùn)行成本。此外過(guò)多的供氧也不利于MBR工藝的反硝化脫氮［8］。為了較少增強(qiáng)曝氣強(qiáng)度對(duì)MBR帶來(lái)的不利影響，向MBR中添加懸浮填料以減少污泥濾餅層的形成和沉積是一種值得研究的方法。

作者曾報(bào)道過(guò)硬質(zhì)懸浮填料對(duì)MBR性能的影響，即添加硬質(zhì)填料后，在增加膜通量的同時(shí)對(duì)污泥絮體有一定的破壞作用，增加了跨膜壓力和出水濁度［9］。針對(duì)已有的研究結(jié)果，本文又研究了軟質(zhì)填料控制MBR膜污染的效能及對(duì)MBR性能的影響，為延緩和控制MBR膜污染提供切實(shí)可行的方法和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

懸浮填料如圖1，材質(zhì)為 polyurethane，15mm×12mm×12mm(多孔)。實(shí)驗(yàn)用水為人工廢水，CODCr值為 500 ～600 mg·L－1。

圖1 懸浮填料

1.2 方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2。反應(yīng)器A和B(MBR－A和MBR－B)的有效容積為5 L，其中安裝的膜組件為公稱(chēng)孔徑1 μm的聚丙烯無(wú)紡布，有效過(guò)濾面積為0.03 m2。按照填料與反應(yīng)器中混合液(體積之比)1∶3，向MBR－A中添加多孔填料，MBRB為對(duì)照組。MBR中污泥質(zhì)量濃度(MLSS)為(4 000 ±200)mg·L－1，DO 為 3 ～4 mg·L－1。MBR的運(yùn)行方式為間歇式:6 min運(yùn)行，2 min停止。裝置底部設(shè)有微孔曝氣頭，實(shí)現(xiàn)連續(xù)曝氣。每天分析測(cè)定跨膜壓力(TMP)、膜通量(FLUX)、出水濁度及CODCr。一周為1個(gè)運(yùn)行周期。每個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束后，將膜組件分別從MBR中取出，測(cè)定跨膜壓力及膜通量，計(jì)算膜污染阻力(Rf);對(duì)膜組件表面進(jìn)行沖洗，去掉污泥層后，測(cè)定跨膜壓力及膜通量，計(jì)算洗后膜污染阻力R1，R1與Rf的差值為濾餅層污染阻力(Rc)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 膜污染阻力

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)西定律過(guò)濾模型，膜通量可用下式表示:

式中，Jv為膜通量(m3·m－2·h－1)，ΔP 為膜兩側(cè)的壓力差(Pa)，μ為溶液的粘度(Pa·s)，Rf為膜污染產(chǎn)生的總阻力(m－1)。

式(1)表明，膜通量與膜兩側(cè)的壓力差成正比，與總阻力成反比，因此可改寫(xiě)為

反應(yīng)器運(yùn)行期間MBR－A和MBR－B的膜污染阻力Rf及濾餅層污染阻力Rc的變化如圖3、圖4?？梢钥闯觯砑討腋√盍系腗BR－A的膜污染阻力Rf以及濾餅阻力Rc均低于對(duì)照組MBR－B，說(shuō)明懸浮填料對(duì)膜表面的附著物質(zhì)具有很好的剝離作用，有效地抑制了污泥在膜表面的沉積，顯示出了較好的控制膜污染的效果。祁佩時(shí)等人［10］研究了懸浮填料膜生物反應(yīng)器(SCMBR)和傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器(CMBR)的膜污染阻力構(gòu)成及比例。在相同的運(yùn)行條件下，SCMBR濾餅層阻力占總阻力比率低于相同運(yùn)行條件下的CMBR，并且SCMBR膜表面濾餅層結(jié)構(gòu)疏松，孔隙較大，說(shuō)明懸浮填料對(duì)膜過(guò)濾性能的改善主要表現(xiàn)在減小了濾餅層阻力。

圖3 膜污染阻力Rf的變化

圖4 濾餅層阻力Rc的變化

2.2 跨膜壓力與膜通量

跨膜壓力和膜通量的大小在一定程度上反映了膜組件的污染程度，跨膜壓力越大，膜通量越小，表明膜污染越嚴(yán)重?？缒毫Φ淖兓c膜通量的變化如圖5、圖6?？梢钥闯?，MBR－A的跨膜壓力明顯低于MBR－B，而膜通量則明顯高于MBR－B。在曝氣條件下，MBR－A中的軟質(zhì)懸浮填料在局部范圍內(nèi)不停擾動(dòng)，增大了污泥混合液的紊動(dòng)性，并且懸浮填料對(duì)膜表面也有一定的碰撞摩擦作用，有效地減少了懸浮顆粒在膜表面的沉積。酒井等人［8］進(jìn)行的有無(wú)懸浮填料MBR膜表面的SEM分析說(shuō)明了這一點(diǎn)，即添加懸浮填料的膜表面的固體堆積量明顯低于對(duì)照組。由圖6還可看出，MBR－A的膜通量波動(dòng)較大、不穩(wěn)定，而MBR－B的膜通量較小但平穩(wěn)。這說(shuō)明懸浮填料的投加，雖然能預(yù)防和剝離污泥在膜表面的沉積，增加了膜通量，但這種作用具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，因而導(dǎo)致膜通量波動(dòng)較大。

圖5 跨膜壓力的變化

圖6 膜通量的變化

2.3 出水CODCr及濁度

對(duì)MBR－A來(lái)說(shuō)，CODCr的去除是由懸浮填料上的生物膜、反應(yīng)器中的懸浮污泥和膜組件共同完成的［11］;而對(duì) MBR －B 來(lái)說(shuō)，CODCr的去除是由反應(yīng)器中的懸浮污泥和膜組件共同完成的。MBR－A的生物量高于MBR－B，其對(duì)CODCr的降解能力應(yīng)大于MBR－B。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，系統(tǒng)進(jìn)水CODCr平均值約為500 mg·L－1，MBR－A上清液CODCr平均值為170 mg·L－1，低于 MBR －B平均值209 mg·L－1;而MBR－A出水CODCr平均值為71mg·L－1，高于 MBR－B出水 CODCr平均值(58 mg·L－1)(如圖7)。雖然MBR對(duì)污水中有機(jī)物的去除是反應(yīng)器中微生物作用的結(jié)果，但是膜的截留作用也有一定的貢獻(xiàn)，主要體現(xiàn)在對(duì)微小懸浮固體的截留上。MBR－A出水濁度明顯高于MBR－B(如圖8)，說(shuō)明與未投加懸浮填料的MBR－B中的膜組件相比，添加懸浮填料的MBR－A的截留效率有所降低，這也是MBR－A出水CODCr高于MBR－B的原因。MBR－A和MBR－B出水濁度的變化，再一次證明了懸浮填料延緩控制膜污染的機(jī)理，主要是通過(guò)有效減少污泥在膜表面的沉積而實(shí)現(xiàn)對(duì)膜污染的控制。

圖7 CODCr的變化

圖8 出水濁度的變化

3 結(jié)論

(1)MBR中投加軟質(zhì)懸浮填料能有效降低膜污染阻力、濾餅層阻力和跨膜壓力，增加膜通量，有利于延緩膜污染，從而提高膜組件的過(guò)濾性能。

(2)MBR中投加軟質(zhì)懸浮填料能提高M(jìn)BR對(duì)CODCr的去除效率，但是降低了膜組件對(duì)微小懸浮固體的截留效能，增加了出水濁度和CODCr濃度。

(3)軟質(zhì)填料在控制膜污染的同時(shí)，雖然增加了出水的CODCr和濁度，但是克服了硬質(zhì)填料在提高膜通量的同時(shí)，跨膜壓力也隨之增大的缺點(diǎn)，降低了膜污染阻力，節(jié)省了運(yùn)行成本，更具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

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Study on Efficacy of Membrane Fouling of MBR Controlled by Suspended Carriers

ZHANG Chun－h(huán)ua，SUN Hong－jie，WANG Fang
(College of Environment and Resources，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

In this paper we discuss synthetic domestic wastewater treatment by the submerged membrane bioreactor(SMBR)equipped with soft porous and suspended carriers using polypropylene non－woven fabric(PP NWF)as membrane model.The performance of membrane fouling controlled by soft suspended carriers in SMBR is researched through test and analysis of membrane fouling resistance(Rf)，filter cake resistance(Rc)，flux，transmembrane pressure(TMP)，turbidity and CODCr of effluent.The experimental results show that adding soft suspended carriers in SMBR can reduce effectively membrane fouling resistance，filter cake resistance and transmembrane pressure，and increase flux，mitigate fouling and filtering performance of membrane model.Adding soft suspended carriers in MBR can increase CODCr biological elimination，but retention performance of micro suspended particles is decreased in the membrane model，and turbidity and CODCr concentration of effluent are increased.

suspended carrier;membrane bioreactor;membrane foulingmem

X703

A

1009－315X(2012)05－0437－04

2012－02－12;最后

2012－04－02

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC110101)。

仉春華(1966－)，女，黑龍江密山人，副教授，主要從事水污染控制技術(shù)研究。

(責(zé)任編輯 鄒永紅)