劉靜璇，李曉惠，張超陽(yáng)，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(diǎn)，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(shí)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(jià)格相對(duì)高昂，更重要的是，由于膜污染問(wèn)題的存在，需要對(duì)膜進(jìn)行定期的物理及化學(xué)清洗，這提高了污水廠的運(yùn)行費(fèi)用及管理難度，化學(xué)清洗藥劑也會(huì)導(dǎo)致二次環(huán)境污染，另外，頻繁的化學(xué)清洗也會(huì)降低膜的使用壽命，更換新膜也將進(jìn)一步增加運(yùn)行成本〔2〕。上述問(wèn)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(jiǎn)單易行的新型廉價(jià)膜介質(zhì)是進(jìn)一步推廣MBR應(yīng)用的關(guān)鍵。

無(wú)紡布具有造價(jià)低、質(zhì)地輕、通透性好、強(qiáng)度高、濾效高以及濾阻低等優(yōu)勢(shì)，可作為MBR工藝的替代膜材料〔3〕。但是，無(wú)紡布本身孔徑較大，在運(yùn)行初期，對(duì)混合液絮體的截留能力相對(duì)較差〔4〕，為了使其具有更大的粒子攔截性能，通常需要對(duì)無(wú)紡布進(jìn)行表面改性〔5-6〕，或在無(wú)紡布表面形成一層動(dòng)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(kāi)發(fā)出對(duì)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(jià)低、易于規(guī)模化推廣應(yīng)用的無(wú)紡布MBR工藝，對(duì)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(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

試驗(yàn)中以雙層聚丙烯無(wú)紡布作為過(guò)濾介質(zhì)，將雙層聚丙烯無(wú)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(wú)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(dòng)泵輸入好氧反應(yīng)池，另一蠕動(dòng)泵與膜組件上部出水管連接抽吸出水，由壓差計(jì)讀取跨膜壓力(如圖1)。

1、蠕動(dòng)泵 2、空氣壓縮機(jī) 3、膜組件 4、壓差計(jì)

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(pán)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(guò)濾實(shí)驗(yàn)

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(gè)通量下分別運(yùn)行30 min，分別測(cè)定各個(gè)通量下的出水SS濃度。

1.3 長(zhǎng)期過(guò)濾實(shí)驗(yàn)

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

1.4 分析方法

SS采用重量法測(cè)定；COD采用快速消解法測(cè)定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)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(wú)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(wú)紡布膜生物反應(yīng)器對(duì)懸浮物的去除效果

相比于傳統(tǒng)膜材料，無(wú)紡布膜孔徑較大，因此出水懸浮物濃度是考察無(wú)紡布膜截留能力的重要指標(biāo)，為此，采用短期過(guò)濾實(shí)驗(yàn)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(wú)紡布膜通量從10 L/(m2·h)增大到50 L/(m2·h)時(shí)，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(méi)有隨通量增加呈現(xiàn)顯著提高的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，無(wú)紡布膜在較寬的通量范圍內(nèi)，對(duì)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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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(yùn)行初期雙層聚丙烯無(wú)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(duì)膜出水懸浮物濃度及跨膜壓力的影響

在54天的長(zhǎng)期過(guò)濾實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)行第一天的出水SS為3.36 mg/L，在之后的運(yùn)行過(guò)程中，基本未檢測(cè)出SS，這是由于隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，活性污泥在無(wú)紡布表面逐漸形成生物膜，強(qiáng)化了過(guò)濾效果。

2.2 無(wú)紡布膜生物反應(yīng)器對(duì)COD的去除效果

進(jìn)出水COD及COD去除率隨時(shí)間變化情況如圖3所示。在連續(xù)測(cè)定的32天內(nèi)，原水COD為360 mg/L～434 mg/L，無(wú)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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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(jìn)出水COD及去除率

一般情況下，城市污水處理廠進(jìn)水COD在200 mg/L～350 mg/L左右，城市污水處理廠二級(jí)生物處理工藝對(duì)原水COD的去除率維持在85%以上，本實(shí)驗(yàn)原水COD高于一般城市污水廠的進(jìn)水COD值，去除率高于其常規(guī)去除率，可以推斷，應(yīng)用本無(wú)紡布膜生物反應(yīng)器處理城市污水，有望通過(guò)進(jìn)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(wú)紡布膜生物反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除效果

進(jìn)出水氨氮及氨氮去除率隨時(shí)間變化情況如圖4所示。在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間，進(jìn)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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氨氮濃度的規(guī)定(<5mg/L)〔9〕。一般城市污水廠進(jìn)水氨氮濃度在20 mg/L～40 mg/L，本實(shí)驗(yàn)原水氨氮濃度遠(yuǎn)高于該值，結(jié)果表明，盡管原水中氨氮含量較高，無(wú)紡布膜生物反應(yīng)器對(duì)氨氮去除效率較高且處理效果比較穩(wěn)定。由于該無(wú)紡布膜生物反應(yīng)器固液分離效果好，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時(shí)間和污泥齡的完全分離，有利于增殖緩慢地硝化細(xì)菌的截流、生長(zhǎng)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(jìn)出水氨氮及去除率

2.4 無(wú)紡布膜生物反應(yīng)器的膜污染分析

無(wú)紡布膜的跨膜壓力隨時(shí)間變化情況如圖5所示。無(wú)紡布膜在54天的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)共運(yùn)行了3個(gè)周期，每周期運(yùn)行結(jié)束后，將膜組件從反應(yīng)器中取出，進(jìn)行物理清洗，清洗后再次投入下一周期的運(yùn)行。第一周期共運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(gè)周期的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)并沒(méi)有隨周期呈現(xiàn)明顯地降低趨勢(shì)，表明簡(jiǎn)單的物理清洗即可有效恢復(fù)雙層聚丙烯無(wú)紡布膜的膜通量。無(wú)紡布膜的3周期的運(yùn)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(shí)，如繼續(xù)運(yùn)行，跨膜壓力將進(jìn)入急劇增長(zhǎng)期，說(shuō)明當(dāng)雙層聚丙烯無(wú)紡布膜組件的跨膜壓力增加至20 kPa～25 kPa時(shí)，需進(jìn)行物理清洗，即雙層聚丙烯無(wú)紡布膜組件在好氧膜生物反應(yīng)器中運(yùn)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(jī)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(wú)紡布膜生物反應(yīng)器具有操作壓力低的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖5 跨膜壓力隨時(shí)間變化情況

2.5 無(wú)紡布膜生物反應(yīng)器的截留機(jī)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(wú)紡布從膜組件上拆下，用顯微鏡分別對(duì)第一層無(wú)紡布、第二層無(wú)紡布以及新無(wú)紡布進(jìn)行鏡檢。如圖6所示，新的聚丙烯無(wú)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(zhǎng)期運(yùn)行后，第一層無(wú)紡布表面由于機(jī)械篩濾作用形成了明顯的污泥濾餅層(圖6b)，第二層無(wú)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(wú)紡布，(b)運(yùn)行后，(c)物理清洗后

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

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用來(lái)源廣、造價(jià)低的雙層聚丙烯無(wú)紡布作為MBR的過(guò)濾介質(zhì)，雙層聚丙烯無(wú)紡布的設(shè)置解決了一般使用大孔非織物作為過(guò)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(wèn)題，系統(tǒng)操作壓力低，膜污染控制方法簡(jiǎn)單、環(huán)境殘留小，具備節(jié)能環(huán)保的特征。