無紡布動態(tài)膜生物反應器處理生活污水的研究

程恒衛(wèi)，張彥平，韓曉棟，李靜，李一兵，黨晨凱

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

無紡布動態(tài)膜生物反應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.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.河北工業(yè)大學土木工程學院，天津 300401）

采用無紡布動態(tài)膜生物反應器處理生活污水，考察了其對污水的處理效果，并對膜污染和膜阻力進行了分析．結果表明：無紡布動態(tài)膜生物反應器對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，過濾阻力增加；無紡布過濾阻力主要來自泥餅層，約占總阻力的98%．

無紡布動態(tài)膜；膜生物反應器；膜污染；生活污水處理

膜生物反應器（MBR）是將膜技術與生物技術相結合的一種水處理技術，具有處理效率高、出水水質穩(wěn)定、設備緊湊、占地省等優(yōu)點[1-2]．但MBR系統(tǒng)中膜組件造價過高，運行能耗高，膜污染嚴重，限制了其進一步的推廣[3]．動態(tài)膜生物反應器（Dynam icMembrane Bioreactor，DMBR）是以廉價微網材料為膜基材，通過預涂劑或微生物及其代謝產物在膜材料表面形成動態(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生物反應器的出水水質穩(wěn)定、容積負荷高、剩余污泥產量低等優(yōu)點，同時有效降低了投資和運行成本，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ奈鬯幚砑夹g[5]．目前，國內外研究者廣泛開展了采用新型廉價膜材料制備動態(tài)膜生物反應器用于各類廢水的處理，均取得了較好的處理效果[6-7]，但是在動態(tài)膜的過濾特性以及膜污染等方面仍然缺乏深入研究．

本實驗采用廉價的無紡布為膜基材，通過過濾曝氣池中混合液逐漸形成動態(tài)膜生物反應器，研究了該動態(tài)膜生物反應器對生活污水中COD、NH3-N的去除效果，并探討了系統(tǒng)運行過程中透膜壓力和膜通量對膜污染的影響，并對動態(tài)膜過濾阻力進行了分析．

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗采用的反應器裝置如圖1所示．整個系統(tǒng)由好氧生物反應器和無紡布組件組成．生物反應器長0.5m，寬0.2m，高0.8m，有效容積為50 L．實驗采用工業(yè)用無紡濾布，材質為滌綸，過濾孔徑為15m．原水由水箱進入好氧生物反應器，污水在反應器內經微生物降解后，出水經無紡布重力流出，然后經蠕動泵排至出水箱．試驗過程中由浮球閥控制反應器內的液位，通過空氣壓縮機連續(xù)曝氣充氧，曝氣量由閥門、氣體流量計控制、調節(jié)，試驗水溫保持18℃左右．

1.2 實驗用水

采用人工配水模擬生活污水，廢水水質見表1．接種污泥來自某污水處理廠A/O反應池O段的活性污泥，接種污泥濃度為1.78 g/L．

1.3 分析項目與方法

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

圖1 動態(tài)膜生物反應器試驗裝置Fig.1 Schematic diagram of DMBR

表1 試驗用水水質Tab.1 Waterquality of the experiment

2 結果與討論

2.1 動態(tài)膜處理效果分析

2.1.1 對COD的去除效果

在系統(tǒng)運行初期是動態(tài)膜逐漸形成的過程，出水濁度值逐漸降低，形成穩(wěn)定的動態(tài)膜之后，出水濁度維持在1.0NTU以下，整個過程SS未檢出．試驗期間未經無紡布過濾以及經的無紡布過濾后出水COD的變化如圖2所示．

由圖2可知，經過無紡布過濾的反應器出水COD值與未經無紡布過濾的反應器出水COD值比較接近，但后者略小，說明動態(tài)膜生物反應器對COD的去除主要依靠混合液中微生物的代謝作用完成的，但在無紡布表面形成動態(tài)膜之后，能有效的攔截一些粒徑細微的顆粒有機污染物質和大分子有機物，無紡布動態(tài)膜對有機物的去除率最大為12%．這是因為在過濾過程中，曝氣池中的混合液在無紡布表面聚集，形成了具有有效攔截作用的生物膜，同時由于無紡布內部的立體網狀結構及大量空隙為微生物生長提供了良好的棲息點，使無紡布本身又具有了一定的生物降解作用．在整個試驗期間，對COD的平均去除率為93%，出水平均COD值小于30mg/L，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好．系統(tǒng)運行期間發(fā)生污泥膨脹，但系統(tǒng)出水水質并未受到明顯影響，這說明污泥膨脹對系統(tǒng)出水水質影響較小，但是對膜污染影響明顯，過濾阻力明顯增加．

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

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

2.1.2對氨氮的去除效果

圖3為經過無紡布動態(tài)膜生物反應器處理之后出水NH3-N的變化情況．從圖3可以看出，整個試驗期間進水NH3-N值波動范圍較大，在14～39mg/L之間變化，無紡布動態(tài)膜對NH3-N的去除效果均較穩(wěn)定，平均去除率達到90%，平均出水氨氮值為2.8mg/L．這是由于無紡布動態(tài)膜形成之后，截留了世代時間較長的硝化細菌，完成了氨氮的硝化過程．另一方面，系統(tǒng)出水氨氮值與未經動態(tài)膜過濾的上清液相比無明顯差異，這是因為氨氮在廢水中以氨離子的形式存在，屬于無機小分子，其大小要比無紡布動態(tài)膜孔徑小很多，因此動態(tài)膜的攔截作用對氨氮的去除效果影響不大．

2.2 動態(tài)膜污染分析

2.2.1 表面通量的影響

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

圖4結果顯示，當表面通量為27 L/(m2h)時，在測定時間內TMP沒有明顯變化，始終保持在40 Pa左右．隨著通量的增加，TMP上升速率加快，并且隨著運行時間的延長，TMP呈指數(shù)增長趨勢．在表面通量分別為36 L/(m2h)、45 L/(m2h)、54L/(m2h)時，僅10h TMP就分別達到1 840Pa、2600Pa和2950Pa．這是由于無紡布表面動態(tài)膜形成的過程中，同時存在著污泥顆粒在無紡布表面的沉積作用和由于濃差極化現(xiàn)象向混合液中的擴散作用，當兩者相對平衡時，膜污染速度最慢，這時的表面通量稱為臨界通量．當運行通量小于臨界通量時，污泥顆粒向無紡布表面沉積的速率較小，膜阻力上升緩慢；當運行通量大于臨界通量時，顆粒在無紡布表面沉積速度加快，大大超過擴散速度，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，TMP會呈指數(shù)上升，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時間大大縮短．實際運行過程中考慮到經濟性，一般可采用次臨界通量運行．

2.2.3 透膜壓力的影響

提高TMP可以一定程度上提高無紡布表面通量，提高產水率，而在較高的TMP下，無紡布纖維會發(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對動態(tài)膜污染的影響，考察了在不同TMP條件下運行時動態(tài)膜表面通量的衰減情況，見圖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，僅4 h初始表面通量就從85L/(m2h)下降到35 L/(m2h)；而當TMP為30Pa時，表面通量基本無變化，運行穩(wěn)定．可見在高TMP下運行，過濾阻力增加迅速，并不能維持高通量的持續(xù)運行．這是由于隨著TMP的增加，污泥顆粒受到的過濾壓差造成的推動力大于濃差極化造成的擴散力，從而污泥顆粒在無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，導致孔隙率下降，空隙結構變的密實，過濾阻力增加，表面通量減??；當TMP較低時，污泥顆粒在無紡布膜表面沉積速度減緩，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時間延長．因此，系統(tǒng)運行時應盡可能保持低壓力．

2.3 過濾阻力分析

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

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

系統(tǒng)運行過程中，無紡布表面動態(tài)膜逐漸增厚，壓實，TMP增大，阻力增加．動態(tài)膜過濾阻力主要源于動態(tài)膜污染，其次是動態(tài)膜自身和濃差極化產生的阻力．動態(tài)膜主要由胞外聚合物、無機鹽和微生物組成[10]，通過活性污泥絮體和無機鹽在膜上的沉積和吸附形成，其污染經歷了初期快速吸附、穩(wěn)定增長和透膜壓力呈明顯跳躍式升高的3個階段[11]．本試驗中無紡布孔徑較大，本身阻力很小，因此主要阻力來自于泥餅層阻力和凝膠層阻力．為了考察膜阻力分布，根據達西定律在TMP為100 Pa，水溫為20℃時測定了各阻力值，見表2．從表2可見，無紡布動態(tài)膜生物反應器過濾總阻力比傳統(tǒng)膜生物反應器過濾總阻力小2個數(shù)量級[12]；無紡布動態(tài)膜過濾阻力主要來自泥餅層，約占總阻力的98%，這部分阻力經清洗后可以去除，屬于可逆污染；孔隙及凝膠層阻力相對較小，占1.8%，說明膜的內部污染緩慢，并且無紡布膜固有阻力相對也較小，僅占0.2%．同時，試驗發(fā)現(xiàn)隨著運行時間的延長，孔隙及凝膠層阻力逐漸增加，而該部分污染為不可逆污染，當其增加到一定程度時標志無紡布動態(tài)膜老化，這時需要及時更換膜基材．

表2 無紡布過濾阻力分析Tab.2 Analysisof filtration resistanceof non-woven fabric

以上數(shù)據分析表明，無紡布膜具有通量大、易清洗、內部污染輕等特點，適于動態(tài)膜生物反應器的過濾需求，能有效降低膜生物反應器的造價和運行能耗，值得推廣．

3 結論

1）無紡布動態(tài)膜生物反應器對COD和NH3-N有較好的去除效果，對COD和NH3-N的平均去除率分別為93%和90%，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好．

2）表面通量對膜污染影響顯著，隨著通量的增加，污泥顆粒在無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隨運行時間呈指數(shù)增長趨勢．

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

4）無紡布動態(tài)膜通量大、易清洗，其過濾阻力主要來自泥餅層，約占總阻力的98%，無紡布固有阻力以及孔隙和凝膠層阻力相對較?。?/p>

[1]程恒衛(wèi)，張景成，張彥平，等．FBR工藝處理生活污水試驗研究[J]．水處理技術．2008，34（12）：74-77．

[2]Qin JJ，WaiM N，Tao G H，etal．Membrane bioreactor study for reclamation ofmixed sewagemostly from industrial sources[J]．Separation and Purification Technology，2007，53（3）：296-300．

[3]薛念濤，夏俊林，邢家樂，等．自生動態(tài)膜—生物反應器影響因素的研究進展[J]．膜科學與技術，2010，30（5）：107-112．

[4]Zhou X H，ShiH C，CaiQ，etal．Function of self-form ing dynam icmem brane and biokinetic parameters'determination bym icroelectrode[J]．Water Research，2008，42：2369-2376．

[5]Wang ZW，Wu ZC，Mai SH，etal．Research and applicationsofmembranebioreactors in China：progressand prospect[J]．Separation and Purification Technology，2008，62：249-263．

[6]李龍，湛含輝．動態(tài)膜技術及其在污水處理中的研究進展[J]．膜科學與技術，2012，32（3）：112-115．

[7]Ren XH，Shon HK，JangN J，etal．Novelmembranebioreactor（MBR）coupledwith anonwoven fabric filter forhouseholdwastewater treatment [J]．Water Research，2010，44（3）：751-760．

[8]M eng FG，Chae SR，Anja Drew s，et al．Recentadvances inmembrane bioreactors（MBRs）：Membrane fouling andmembranematerial[J]．Water Research，2009，43（6）：1489-1512．

[9]李艷，陳偉楠，王燦，等．無紡布膜生物反應器膜污染分析及其控制技術[J]．化工進展，2013，32（7）：1695-1700．

[10]古杏紅，熊江磊．自生動態(tài)膜形成過程中生物膜性質與阻力變化相關性研究[J]．給水排水，2011，37（增刊）：82-86．

[11]劉艷鵬，楊鳳林，柳麗芬，等．膜生物反應器中新型無紡布膜過濾特性及膜污染特征[J]．環(huán)境工程學報，2009，3（5）：844-848．

[12]伍海輝，高乃云，萬金保．聚偏氟乙烯膜生物反應器處理城市污水的膜污染分析[J]．工業(yè)水處理，2006，26（1）：55-58．

[責任編輯 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

河北省建設科技研究項目（2014-235）

程恒衛(wèi)（1977-），男（漢族），高級工程師．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)字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150123.1526.001.html