趙秋燕,胡麗麗,王 妍,徐 玲

(合肥城市學院 土木工程學院，安徽 合肥 238079)

膜生物反應器(membrane bio-reactor，MBR)，一種由膜分離單元與生物處理單元組合的新型水處理技術，在污水處理和水資源再利用領域已成為研究熱點.然而限制膜技術廣泛應用的障礙是膜表面的結垢問題，因此，如何有效延緩膜污染是膜技術進一步發(fā)展的關鍵問題[1].目前，延緩膜污染的方法主要有3個：一是改善污泥混合液的特性；二是優(yōu)化反應器的運行條件；三是研發(fā)抗污染的膜基材[2].有研究表明，反應器中水流剪切力的大小對活性污泥種類或數(shù)量的增長以及活性污泥特性的變化有重要影響[3-4].目前，關于水流剪切力的大小對膜污染控制的影響機理，相關研究報道較少.常規(guī)膜組合工藝采用的膜組件靜置于反應器中，致使絮體形成濾餅層逐漸成為主要污染方式.本研究的獨特性在于采用旋轉膜組件，研究其在不同轉速引起的水流剪切力對污泥混合液特性的影響，并通過不同條件下活性污泥指數(shù)SVI、比耗氧速率SOUR、粒徑分布、胞外聚合物EPS、膜通量及膜阻力等對比，探討了旋轉膜組件引起的水流剪切力對活性污泥特性的影響機理，以期為膜生物反應器的優(yōu)化設計及運行提供參考.

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及材料

實驗裝置如圖1，主要由原水箱、高位水箱和膜生物反應器(有效容積為15 L)組成，材質均為有機玻璃.采用4組平行的MBR裝置(內(nèi)部安裝旋轉膜組件)，接種合肥市經(jīng)開區(qū)某污水處理廠二沉池的回流污泥，倒入配置的營養(yǎng)液，每組MBR在不同轉速條件下進行培養(yǎng)馴化和運行.原水以C6H12O6為碳源、(NH4)2SO4為氮源、KH2PO4為磷源，按照生活污水的進水濃度范圍進行配置，此外還加入了適量的NaHCO3、CaCl2、MgSO4及其他少量微量元素.原水質量濃度：CODCr為350～400 mg/L，NH3-N為30～40 mg/L，TP(以PO43-計)為3～5 mg/L.培養(yǎng)馴化啟動結束后，4組MBR膜組件轉速分別在5、10、15、20 r/min條件下穩(wěn)定運行，監(jiān)測各反應器的污染物去除效能和活性污泥參數(shù)，同時鏡檢各反應器中活性污泥的微生物活性.

1.進水泵；2.閥門；3.空氣泵；4.轉子流量計；5.曝氣軟管；6.旋轉膜組件；7.集水管；8.中空轉軸裝置；9.壓力表；10.出水泵

1.2 實驗條件及過程

膜生物反應器(尺寸為25 cm×25 cm×40 cm)內(nèi)安裝旋轉膜組件，膜組件尺寸為寬10 cm，高25 cm，反應器內(nèi)部設置沿垂直方向延伸的中空轉軸，膜組件固定在中空轉軸上，當中空轉軸以一定速度轉動時，帶動膜組件在反應器中旋轉.膜組件有效過濾面積約為0.05 m2材質為尼龍布(300目).中空轉軸的內(nèi)部固定安裝有一個同軸設置的集水管，膜組件過濾后出水進入集水管經(jīng)蠕動泵抽吸后排出，反應器底部安裝曝氣軟管，經(jīng)空氣泵對反應器內(nèi)部提供氧氣，反應器內(nèi)溶解氧含量經(jīng)轉子流量計控制在2～3 mg/L.運行期間，混合液的溶解氧質量濃度(2～3 mg/L)和水溫(20±2 ℃)保持不變.反應器內(nèi)水流剪切力通過調(diào)節(jié)膜組件的轉速來控制.MBR經(jīng)過15 d的培養(yǎng)馴化后，各項指標趨于平穩(wěn)，且膜表面已形成一層生物膜，系統(tǒng)進入啟動階段，繼續(xù)運行30 d，定期監(jiān)測活性污泥特性及膜通量等相關指標.

1.3 分析檢測項目及方法

分析監(jiān)測項目有溶解氧質量濃度(DO)、活性污泥濃度(MLSS)、污泥粒徑、混合液黏度、胞外聚合物EPS 中的多糖和蛋白質、污泥容積指數(shù)SVI、比耗氧速率SOUR、膜通量及膜阻力.分析監(jiān)測方法見表1.

表1 分析監(jiān)測項目及方法

水流剪切力[5]：

式中：μ為水的動力黏滯系數(shù)；C為阻力系數(shù)，取值范圍為 0.2～0.5，本實驗取為0.2；ρ為水的密度；ω為膜組件旋轉的角速度；Z為膜組件數(shù)目；b為膜組件高度，本實驗b=0.25 m；R為垂直軸中心至膜組件外緣的距離，本試驗所用膜組件的R=0.05 m；r為垂直軸中心至膜組件內(nèi)緣的距離，膜組件與垂直軸緊接時r=0；n為垂直軸的轉數(shù)；V為池中被攪動的水體體積；P為流體所耗功率；G為速度梯度.旋轉膜組件不同轉速下的系統(tǒng)水流剪切力計算結果見表2.

表2 不同轉速下的水流剪切力

2 實驗結果分析

2.1 污泥特性的比較

2.1.1 水流剪切力對SVI值的影響

SVI值的高低反映了活性污泥的疏散程度及凝聚、沉降性能.若SVI值低，即污泥顆粒結構緊密，沉降性能好；反之則活性污泥沉降性能差，可能會發(fā)生膨脹現(xiàn)象[6].有研究[7-9]報道，當活性污泥發(fā)生膨脹時，會加重膜污染，污泥膨脹產(chǎn)生的泡沫對膜表面的污染能力比正常污泥高達百倍.

由圖2可看出，4組反應器中的污泥沉降指數(shù)SVI值均隨著運行時間的延長而逐漸下降并最終趨于穩(wěn)定.當系統(tǒng)穩(wěn)定后，污泥沉降指數(shù)SVI值隨著水流剪切力的增加而降低，且污泥沉降指數(shù)降低幅度先大后小，如1號反應器水流剪切力為0.03 Pa，運行29 d時，SVI值為108.30 mL/g，2～4號反應器SVI值依次為1號的77.38%、60.39%、50.97%，降幅依次為22.62%、16.99%、9.42%.由圖2可知，當水流剪切力大于0.14 Pa(3號反應器)時，增大水流剪切力，對SVI值的影響很小.

圖2 SVI變化對比

2.1.2 水流剪切力對粒徑的影響

當活性污泥粒徑總體上大于膜孔徑時，導致膜孔堵塞的幾率會降低，其中粒徑較小的污泥顆粒會不斷附著在膜表面，使濾餅層致密化導致膜孔堵塞.

由表3 可見，在運行期間，各反應器中活性污泥絮體顆粒的平均粒徑隨運行時間的增加而增大，平均粒徑分別從68.18、69.17、68.13、68.23 μm增加到81.36、85.13、92.31、84.01 μm.當剪切力小于0.14 Pa(3號反應器)時，污泥粒徑隨水流剪切力的增大而增大，增大幅度先大后小.但剪切力大于0.14 Pa時，污泥粒徑略微有所減小.由此可見，水流剪切力適當?shù)卦黾?，有助于顆粒污泥變得活性更強、密實度更高、沉淀性能更好，但剪切力太大也會使顆粒污泥破碎或解體，導致粒徑減小[10].

表3 運行期間污泥粒徑變化

2.1.3 水流剪切力對SOUR的影響

氧氣是微生物代謝所必需的條件之一，而水體中DO含量由曝氣量決定[11].活性污泥比耗氧速率(spectific oxygen uptake rate,SOUR)，是評價污泥微生物代謝活性的一個重要指標，反映單位質量的活性污泥在單位時間內(nèi)所利用氧的量.適當?shù)乃骷羟辛δ苡行Т龠M好氧微生物與廢水中的污染物及氧氣的充分接觸，提高污泥中的氧傳質效率，不僅能降低能耗還能提高污染物的去除效能.

由圖3可見，在運行初期，水流剪切力對SOUR的影響不是很明顯.在第10 d以后，水流剪切力的增加開始對活性污泥SOUR的影響有明顯的提高，在運行至第21 d時，4組反應器內(nèi)的SOUR(mgO2/(gMLSS·h))分別由第1 d的25.88、26.48、27.08、25.98下降到7.53、12.84、20.53、18.74.但當水流剪切力大于0.14 Pa(3號反應器)時，活性污泥的SOUR提高幅度反而略微有所下降.有研究[10]指出，適當?shù)乃骷羟辛Γ瑫淖兓钚晕勰嘀袃?yōu)勢菌種的類型和數(shù)量，影響污泥的碰撞聚集行為及污泥活性等.

圖3 SOUR變化對比

2.2 膜污染控制的比較

2.2.1 水流剪切力對EPS分布的影響

胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)成分非常復雜，其中70%～80%是由蛋白質和多糖構成，20%～30%來源于腐殖酸、核酸和脂類等[12-13].當?shù)鞍踪|質量濃度從30 mg/L增加到100 mg/L時，膜阻力會增加10倍[14-15].由此可見，EPS中對膜污染貢獻最大的是蛋白質的含量.

由圖4可見，運行期間，4組反應器內(nèi)的蛋白質和多糖含量均呈增加趨勢，1～4號反應器中，多糖含量(mg/gMLSS)分別從8.93、9.35、9.62、9.45增加到19.85、23.98、26.43、24.74，蛋白質含量(mg/gMLSS)分別從6.95、6.53、6.72、6.57增加到19.92、19.85、20.03、20.38.多糖含量與混合液黏度線性相關，蛋白質含量與混合液Zeta電位線性相關.經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，當水流剪切力小于0.14 Pa(3號反應器)時，多糖含量隨剪切力的增大而增大，剪切力對多糖的變化較明顯，而對蛋白質的影響不大，4組反應器混合液蛋白質含量與Zeta電位線性關系如圖.剪切力過大(如4號反應器)，會使EPS的含量降低，導致活性污泥破碎和解體.Shin等[16]通過改變曝氣強度研究EPS含量變化時發(fā)現(xiàn)，隨剪切力增加，EPS 中多糖含量會顯著上升，而對蛋白質含量幾乎沒有影響.同時,污泥絮體的結構和強度均會受EPS含量的影響，從而改善活性污泥的沉降性能，促進微生物的生長[17-18].

圖4 多糖和蛋白質含量變化

2.2.2 水流剪切力對膜通量和膜阻力的影響

由圖5可知，隨著運行時間的延長，4組反應器膜通量均會下降，從1號到4號分別由25 L/(m2·h)下降到11.39、14.32、18.05、19.02 L/(m2·h).4組反應器膜阻力逐漸上升，從1號到4號分別由0增加到6.62、4.41、2.43、1.78(×1012m-1).由此可見隨著水流剪切力的增大，膜通量降低及膜阻力上升速率明顯減小.原因可能是膜組件轉速的增加引起的水流剪切力也隨之增大，膜表面堆積的濾餅層在水流剪切力的作用下變的更加松散，最終在旋轉的離心力作用下不斷脫落、更新，使膜表面的濾餅層厚度不斷降低，延緩了膜通量的下降及膜阻力的上升速率，有效控制了膜污染進程[19-20].由圖5可知，當水流剪切力大于0.14 Pa(3號反應器)時，增大水流剪切力對膜通量的降低及膜阻力的上升的影響很小.

圖5 膜通量和膜阻力變化對比

3 結論

1)旋轉膜組件引起的水流剪切力會對活性污泥顆粒之間的碰撞聚集、污泥絮體的形態(tài)、污泥粒徑和孔隙結構、污泥沉降性能及活性等理化特性產(chǎn)生重要影響.適當?shù)募羟辛ψ饔糜欣诟纳品磻髦谢钚晕勰嗵匦?

2)EPS中影響膜污染的主要物質為蛋白質，適當?shù)乃骷羟辛黾游勰嗷旌弦篍PS中多糖含量(mg/gMLSS)，而對蛋白質含量(mg/gMLSS)影響不大，故對膜污染的影響不大.膜表面的濾餅層在膜組件旋轉引起的水流剪切力下結構變得更加松散，易于脫落、更新，降低了濾餅層厚度，延緩了膜通量的下降及膜阻力的增加速率.

3)綜上可知，當水流剪切力小于0.14 Pa時，混合液特性及膜污染進程隨著水流剪切力的增加而得到有效改善，當水流剪切力大于0.14 Pa時，增加水流剪切力對其影響很小.因此，當水流剪切力值為0.14 Pa時，達到最佳運行條件.