懸浮填料控制膜生物反應器膜污染效能研究

仉春華，孫紅杰，王 芳

(大連民族學院環境與資源學院，遼寧大連 116605)

懸浮填料控制膜生物反應器膜污染效能研究

仉春華，孫紅杰，王 芳

(大連民族學院環境與資源學院，遼寧大連 116605)

以聚丙烯無紡布為膜組件，向浸漬式膜生物反應器中投加軟質懸浮填料處理人工廢水。通過分析測定膜污染阻力、濾餅層阻力、膜通量、跨膜壓力及處理水濁度和CODCr的變化，研究軟質懸浮填料控制膜生物反應器膜污染的效能。結果表明，投加軟質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，提高膜組件的過濾性能;膜生物反應器(MBR)中投加軟質懸浮填料能提高CODCr的生物去除效率，但是降低了膜組件對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;膜生物反應器;膜污染

膜生物反應器(membrane bioreactor，下稱MBR)是實現污水再生回用和廢水資源化的一項具有競爭力的新技術，膜污染則是影響MBR長期穩定運行的關鍵因素。膜污染是指被過濾料液中的某些組分在膜表面或膜孔中沉積導致膜滲透量下降的現象，MBR分離的目標物質是污泥混合液，所以膜污染物質主要來源于污泥混合液。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］。有文獻報道，懸浮固體、膠體和溶解性大分子有機物對膜污染阻力的貢獻分別為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，例如增強曝氣強度［6－7］。在氣液兩項中，上升的氣流會形成很強的剪切力，沖刷膜表面，防止和減少污泥的沉積，但會增加運行成本。此外過多的供氧也不利于MBR工藝的反硝化脫氮［8］。為了較少增強曝氣強度對MBR帶來的不利影響，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。

作者曾報道過硬質懸浮填料對MBR性能的影響，即添加硬質填料后，在增加膜通量的同時對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］。針對已有的研究結果，本文又研究了軟質填料控制MBR膜污染的效能及對MBR性能的影響，為延緩和控制MBR膜污染提供切實可行的方法和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

懸浮填料如圖1，材質為 polyurethane，15mm×12mm×12mm(多孔)。實驗用水為人工廢水，CODCr值為 500 ～600 mg·L－1。

圖1 懸浮填料

1.2 方法

實驗裝置如圖2。反應器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孔徑1 μm的聚丙烯無紡布，有效過濾面積為0.03 m2。按照填料與反應器中混合液(體積之比)1∶3，向MBR－A中添加多孔填料，MBRB為對照組。MBR中污泥質量濃度(MLSS)為(4 000 ±200)mg·L－1，DO 為 3 ～4 mg·L－1。MBR的運行方式為間歇式:6 min運行，2 min停止。裝置底部設有微孔曝氣頭，實現連續曝氣。每天分析測定跨膜壓力(TMP)、膜通量(FLUX)、出水濁度及CODCr。一周為1個運行周期。每個運行周期結束后，將膜組件分別從MBR中取出，測定跨膜壓力及膜通量，計算膜污染阻力(Rf);對膜組件表面進行沖洗，去掉污泥層后，測定跨膜壓力及膜通量，計算洗后膜污染阻力R1，R1與Rf的差值為濾餅層污染阻力(Rc)。

圖2 實驗裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 膜污染阻力

根據標準的達西定律過濾模型，膜通量可用下式表示:

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

式(1)表明，膜通量與膜兩側的壓力差成正比，與總阻力成反比，因此可改寫為

反應器運行期間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。可以看出，添加懸浮填料的MBR－A的膜污染阻力Rf以及濾餅阻力Rc均低于對照組MBR－B，說明懸浮填料對膜表面的附著物質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。祁佩時等人［10］研究了懸浮填料膜生物反應器(SCMBR)和傳統膜生物反應器(CMBR)的膜污染阻力構成及比例。在相同的運行條件下，SCMBR濾餅層阻力占總阻力比率低于相同運行條件下的CMBR，并且SCMBR膜表面濾餅層結構疏松，孔隙較大，說明懸浮填料對膜過濾性能的改善主要表現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，表明膜污染越嚴重。跨膜壓力的變化與膜通量的變化如圖5、圖6。可以看出，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中的軟質懸浮填料在局部范圍內不停擾動，增大了污泥混合液的紊動性，并且懸浮填料對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］進行的有無懸浮填料MBR膜表面的SEM分析說明了這一點，即添加懸浮填料的膜表面的固體堆積量明顯低于對照組。由圖6還可看出，MBR－A的膜通量波動較大、不穩定，而MBR－B的膜通量較小但平穩。這說明懸浮填料的投加，雖然能預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性和不穩定性，因而導致膜通量波動較大。

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MBR－A來說，CODCr的去除是由懸浮填料上的生物膜、反應器中的懸浮污泥和膜組件共同完成的［11］;而對 MBR －B 來說，CODCr的去除是由反應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CODCr的降解能力應大于MBR－B。但從實驗結果看，系統進水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對污水中有機物的去除是反應器中微生物作用的結果，但是膜的截留作用也有一定的貢獻，主要體現在對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理，主要是通過有效減少污泥在膜表面的沉積而實現對膜污染的控制。

圖7 CODCr的變化

圖8 出水濁度的變化

3 結論

(1)MBR中投加軟質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濾性能。

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

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

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

ZHANG Chun－hua，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務費專項資金資助項目(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研究。

(責任編輯 鄒永紅)