程恒衛(wèi)，張彥平，韓曉棟，李靜，李一兵，黨晨凱

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401）

無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理生活污水的研究

程恒衛(wèi)1，張彥平2，韓曉棟1，李靜2，李一兵2，黨晨凱2

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401）

采用無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理生活污水，考察了其對(duì)污水的處理效果，并對(duì)膜污染和膜阻力進(jìn)行了分析．結(jié)果表明：無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器對(duì)COD和NH3-N有較好的去除效果，平均去除率分別為93%和90%；表面通量和透膜壓力對(duì)膜污染影響顯著，增加表面通量或透膜壓力，將加快污泥顆粒在膜表面沉積速度，膜污染加劇，過(guò)濾阻力增加；無(wú)紡布過(guò)濾阻力主要來(lái)自泥餅層，約占總阻力的98%．

無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜；膜生物反應(yīng)器；膜污染；生活污水處理

膜生物反應(yīng)器（MBR）是將膜技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合的一種水處理技術(shù)，具有處理效率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定、設(shè)備緊湊、占地省等優(yōu)點(diǎn)[1-2]．但MBR系統(tǒng)中膜組件造價(jià)過(guò)高，運(yùn)行能耗高，膜污染嚴(yán)重，限制了其進(jìn)一步的推廣[3]．動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（Dynam icMembrane Bioreactor，DMBR）是以廉價(jià)微網(wǎng)材料為膜基材，通過(guò)預(yù)涂劑或微生物及其代謝產(chǎn)物在膜材料表面形成動(dòng)態(tài)膜起到截留作用的一種污水處理新工藝[4]．該工藝具有傳統(tǒng)MBR生物反應(yīng)器的出水水質(zhì)穩(wěn)定、容積負(fù)荷高、剩余污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效降低了投資和運(yùn)行成本，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ奈鬯幚砑夹g(shù)[5]．目前，國(guó)內(nèi)外研究者廣泛開(kāi)展了采用新型廉價(jià)膜材料制備動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器用于各類廢水的處理，均取得了較好的處理效果[6-7]，但是在動(dòng)態(tài)膜的過(guò)濾特性以及膜污染等方面仍然缺乏深入研究．

本實(shí)驗(yàn)采用廉價(jià)的無(wú)紡布為膜基材，通過(guò)過(guò)濾曝氣池中混合液逐漸形成動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器，研究了該動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器對(duì)生活污水中COD、NH3-N的去除效果，并探討了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中透膜壓力和膜通量對(duì)膜污染的影響，并對(duì)動(dòng)態(tài)膜過(guò)濾阻力進(jìn)行了分析．

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的反應(yīng)器裝置如圖1所示．整個(gè)系統(tǒng)由好氧生物反應(yīng)器和無(wú)紡布組件組成．生物反應(yīng)器長(zhǎng)0.5m，寬0.2m，高0.8m，有效容積為50 L．實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)用無(wú)紡濾布，材質(zhì)為滌綸，過(guò)濾孔徑為15m．原水由水箱進(jìn)入好氧生物反應(yīng)器，污水在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)微生物降解后，出水經(jīng)無(wú)紡布重力流出，然后經(jīng)蠕動(dòng)泵排至出水箱．試驗(yàn)過(guò)程中由浮球閥控制反應(yīng)器內(nèi)的液位，通過(guò)空氣壓縮機(jī)連續(xù)曝氣充氧，曝氣量由閥門、氣體流量計(jì)控制、調(diào)節(jié)，試驗(yàn)水溫保持18℃左右．

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

采用人工配水模擬生活污水，廢水水質(zhì)見(jiàn)表1．接種污泥來(lái)自某污水處理廠A/O反應(yīng)池O段的活性污泥，接種污泥濃度為1.78 g/L．

1.3 分析項(xiàng)目與方法

COD采用5B-6型COD速測(cè)儀進(jìn)行測(cè)定；氨氮采用納氏試劑比色法；MLSS/SS采用重量法測(cè)定（ALC-110.4梅特勒-托利多電子天平、PHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱）；濁度測(cè)定采用WG2-200濁度儀．

圖1 動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器試驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of DMBR

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)Tab.1 Waterquality of the experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)膜處理效果分析

2.1.1 對(duì)COD的去除效果

在系統(tǒng)運(yùn)行初期是動(dòng)態(tài)膜逐漸形成的過(guò)程，出水濁度值逐漸降低，形成穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)膜之后，出水濁度維持在1.0NTU以下，整個(gè)過(guò)程SS未檢出．試驗(yàn)期間未經(jīng)無(wú)紡布過(guò)濾以及經(jīng)的無(wú)紡布過(guò)濾后出水COD的變化如圖2所示．

由圖2可知，經(jīng)過(guò)無(wú)紡布過(guò)濾的反應(yīng)器出水COD值與未經(jīng)無(wú)紡布過(guò)濾的反應(yīng)器出水COD值比較接近，但后者略小，說(shuō)明動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器對(duì)COD的去除主要依靠混合液中微生物的代謝作用完成的，但在無(wú)紡布表面形成動(dòng)態(tài)膜之后，能有效的攔截一些粒徑細(xì)微的顆粒有機(jī)污染物質(zhì)和大分子有機(jī)物，無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜對(duì)有機(jī)物的去除率最大為12%．這是因?yàn)樵谶^(guò)濾過(guò)程中，曝氣池中的混合液在無(wú)紡布表面聚集，形成了具有有效攔截作用的生物膜，同時(shí)由于無(wú)紡布內(nèi)部的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及大量空隙為微生物生長(zhǎng)提供了良好的棲息點(diǎn)，使無(wú)紡布本身又具有了一定的生物降解作用．在整個(gè)試驗(yàn)期間，對(duì)COD的平均去除率為93%，出水平均COD值小于30mg/L，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好．系統(tǒng)運(yùn)行期間發(fā)生污泥膨脹，但系統(tǒng)出水水質(zhì)并未受到明顯影響，這說(shuō)明污泥膨脹對(duì)系統(tǒng)出水水質(zhì)影響較小，但是對(duì)膜污染影響明顯，過(guò)濾阻力明顯增加．

圖2 對(duì)COD的去除效果Fig.2 Performance ofCOD removal in DMBR

圖3 對(duì)NH3-N的去除效果Fig.3 Performance of COD removal in DMBR

2.1.2對(duì)氨氮的去除效果

圖3為經(jīng)過(guò)無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理之后出水NH3-N的變化情況．從圖3可以看出，整個(gè)試驗(yàn)期間進(jìn)水NH3-N值波動(dòng)范圍較大，在14～39mg/L之間變化，無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜對(duì)NH3-N的去除效果均較穩(wěn)定，平均去除率達(dá)到90%，平均出水氨氮值為2.8mg/L．這是由于無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜形成之后，截留了世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化細(xì)菌，完成了氨氮的硝化過(guò)程．另一方面，系統(tǒng)出水氨氮值與未經(jīng)動(dòng)態(tài)膜過(guò)濾的上清液相比無(wú)明顯差異，這是因?yàn)榘钡趶U水中以氨離子的形式存在，屬于無(wú)機(jī)小分子，其大小要比無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜孔徑小很多，因此動(dòng)態(tài)膜的攔截作用對(duì)氨氮的去除效果影響不大．

2.2 動(dòng)態(tài)膜污染分析

2.2.1 表面通量的影響

表面通量是影響無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器運(yùn)行的重要參數(shù)，它直接決定了系統(tǒng)的產(chǎn)水率．系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，污泥顆粒會(huì)在無(wú)紡布表面和纖維空隙間沉積，造成過(guò)濾面積的減小以及形成泥餅層，從而導(dǎo)致膜污染．膜污染將會(huì)導(dǎo)致透膜壓力（Trans-membrane pressure，TMP）不斷升高以及膜通量顯著下降，從而使得動(dòng)態(tài)膜的透水性降低[8]．試驗(yàn)研究了在不同表面通量下運(yùn)行對(duì)透膜壓力的影響，見(jiàn)圖4．

圖4結(jié)果顯示，當(dāng)表面通量為27 L/(m2h)時(shí)，在測(cè)定時(shí)間內(nèi)TMP沒(méi)有明顯變化，始終保持在40 Pa左右．隨著通量的增加，TMP上升速率加快，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，TMP呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)．在表面通量分別為36 L/(m2h)、45 L/(m2h)、54L/(m2h)時(shí)，僅10h TMP就分別達(dá)到1 840Pa、2600Pa和2950Pa．這是由于無(wú)紡布表面動(dòng)態(tài)膜形成的過(guò)程中，同時(shí)存在著污泥顆粒在無(wú)紡布表面的沉積作用和由于濃差極化現(xiàn)象向混合液中的擴(kuò)散作用，當(dāng)兩者相對(duì)平衡時(shí)，膜污染速度最慢，這時(shí)的表面通量稱為臨界通量．當(dāng)運(yùn)行通量小于臨界通量時(shí)，污泥顆粒向無(wú)紡布表面沉積的速率較小，膜阻力上升緩慢；當(dāng)運(yùn)行通量大于臨界通量時(shí)，顆粒在無(wú)紡布表面沉積速度加快，大大超過(guò)擴(kuò)散速度，污泥層不斷壓縮，污泥的比阻不斷增大，為維持原表面通量，TMP上升，隨著污泥層的壓實(shí)，TMP會(huì)呈指數(shù)上升，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間大大縮短．實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中考慮到經(jīng)濟(jì)性，一般可采用次臨界通量運(yùn)行．

2.2.3 透膜壓力的影響

提高TMP可以一定程度上提高無(wú)紡布表面通量，提高產(chǎn)水率，而在較高的TMP下，無(wú)紡布纖維會(huì)發(fā)生變形或損壞，從而造成膜使用壽命的降低[9]．為了研究TMP對(duì)動(dòng)態(tài)膜污染的影響，考察了在不同TMP條件下運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)膜表面通量的衰減情況，見(jiàn)圖5．

從圖5可以看出，透膜壓力越大，初始表面通量就越大，但通量衰減迅速．TMP為1500Pa時(shí)，僅4 h初始表面通量就從85L/(m2h)下降到35 L/(m2h)；而當(dāng)TMP為30Pa時(shí)，表面通量基本無(wú)變化，運(yùn)行穩(wěn)定．可見(jiàn)在高TMP下運(yùn)行，過(guò)濾阻力增加迅速，并不能維持高通量的持續(xù)運(yùn)行．這是由于隨著TMP的增加，污泥顆粒受到的過(guò)濾壓差造成的推動(dòng)力大于濃差極化造成的擴(kuò)散力，從而污泥顆粒在無(wú)紡布表面沉積速度加快，并且在膜組件表面不斷累積與壓實(shí)，導(dǎo)致孔隙率下降，空隙結(jié)構(gòu)變的密實(shí)，過(guò)濾阻力增加，表面通量減??；當(dāng)TMP較低時(shí)，污泥顆粒在無(wú)紡布膜表面沉積速度減緩，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)．因此，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡可能保持低壓力．

2.3 過(guò)濾阻力分析

圖4 不同表面通量對(duì)TMP的影響Fig.4 Effects of different flux on TMP of DMBR

圖5 不同透膜壓力對(duì)表面通量的影響Fig.5 Effectsof different TMP on flux of DMBR

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)紡布表面動(dòng)態(tài)膜逐漸增厚，壓實(shí)，TMP增大，阻力增加．動(dòng)態(tài)膜過(guò)濾阻力主要源于動(dòng)態(tài)膜污染，其次是動(dòng)態(tài)膜自身和濃差極化產(chǎn)生的阻力．動(dòng)態(tài)膜主要由胞外聚合物、無(wú)機(jī)鹽和微生物組成[10]，通過(guò)活性污泥絮體和無(wú)機(jī)鹽在膜上的沉積和吸附形成，其污染經(jīng)歷了初期快速吸附、穩(wěn)定增長(zhǎng)和透膜壓力呈明顯跳躍式升高的3個(gè)階段[11]．本試驗(yàn)中無(wú)紡布孔徑較大，本身阻力很小，因此主要阻力來(lái)自于泥餅層阻力和凝膠層阻力．為了考察膜阻力分布，根據(jù)達(dá)西定律在TMP為100 Pa，水溫為20℃時(shí)測(cè)定了各阻力值，見(jiàn)表2．從表2可見(jiàn)，無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器過(guò)濾總阻力比傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器過(guò)濾總阻力小2個(gè)數(shù)量級(jí)[12]；無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜過(guò)濾阻力主要來(lái)自泥餅層，約占總阻力的98%，這部分阻力經(jīng)清洗后可以去除，屬于可逆污染；孔隙及凝膠層阻力相對(duì)較小，占1.8%，說(shuō)明膜的內(nèi)部污染緩慢，并且無(wú)紡布膜固有阻力相對(duì)也較小，僅占0.2%．同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，孔隙及凝膠層阻力逐漸增加，而該部分污染為不可逆污染，當(dāng)其增加到一定程度時(shí)標(biāo)志無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜老化，這時(shí)需要及時(shí)更換膜基材．

表2 無(wú)紡布過(guò)濾阻力分析Tab.2 Analysisof filtration resistanceof non-woven fabric

以上數(shù)據(jù)分析表明，無(wú)紡布膜具有通量大、易清洗、內(nèi)部污染輕等特點(diǎn)，適于動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的過(guò)濾需求，能有效降低膜生物反應(yīng)器的造價(jià)和運(yùn)行能耗，值得推廣．

3 結(jié)論

1）無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器對(duì)COD和NH3-N有較好的去除效果，對(duì)COD和NH3-N的平均去除率分別為93%和90%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好．

2）表面通量對(duì)膜污染影響顯著，隨著通量的增加，污泥顆粒在無(wú)紡布表面沉積速度加快，污泥層不斷壓縮，膜污染加劇，TMP上升，并且TMP隨運(yùn)行時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)．

3）TMP越大，污泥顆粒在膜表面沉積速度越快，過(guò)濾阻力迅速增加，表面通量減??；TMP較低時(shí)污泥顆粒在膜表面沉積速度減緩，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)．

4）無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜通量大、易清洗，其過(guò)濾阻力主要來(lái)自泥餅層，約占總阻力的98%，無(wú)紡布固有阻力以及孔隙和凝膠層阻力相對(duì)較?。?/p>

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[責(zé)任編輯 楊屹]

Research on non-woven dynamicmembranebioreactor fordomestic sewage treatment

CHENGHeng-wei1，ZHANG Yan-ping2，HAN Xiao-dong1，LIJing2，LIYi-bing2，DANG Chen-kai2

(1.ChinaNuclearPowerEngineering Co Ltd,Beijing100840,China;2.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversity of Technology, Tianjin 300401,China)

Non-w oven dynam icmembrane bioreactor hasbeen used to treatdomestic sew age,and the treatmenteffect, membrane fouling and membrane resistance have been analyzed.The results show thatnon-w oven dynam icmembrane had effective removalefficiencies for COD and NH3-N,the average removal rateswere 93%and 90%.Themembrane flux and thansmembrane pressure had significant effect on membrane fouling.Increasingmembrane flux or tansmembranepressurewould increase thedeposition rateofsludgeparticles tomembrane surface,and lead tomembrane fouling and filtration resistance increased.Theanalysisofmembrane resistanceshow thatthecake layer resistancepredom inated and amounted to 98%of the total resistance.

non-woven dynamicmembrane;membranebioreactor;membrane fouling;domestic wastewater treatment

X 703.1

A

1007-2373(2015)01-0109-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.01.021

2014-01-04

河北省建設(shè)科技研究項(xiàng)目（2014-235）

程恒衛(wèi)（1977-），男（漢族），高級(jí)工程師．通訊作者：張彥平（1978-），女（漢族），講師，E-mail：zyphit63.com．

數(shù)字出版日期：2015-01-23數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150123.1526.001.html