悬浮填料控制膜生物反应器膜污染效能研究

仉春华，孙红杰，王 芳

(大连民族学院环境与资源学院，辽宁大连 116605)

悬浮填料控制膜生物反应器膜污染效能研究

仉春华，孙红杰，王 芳

(大连民族学院环境与资源学院，辽宁大连 116605)

以聚丙烯无纺布为膜组件，向浸渍式膜生物反应器中投加软质悬浮填料处理人工废水。通过分析测定膜污染阻力、滤饼层阻力、膜通量、跨膜压力及处理水浊度和CODCr的变化，研究软质悬浮填料控制膜生物反应器膜污染的效能。结果表明，投加软质悬浮填料能有效降低膜污染阻力、滤饼层阻力和跨膜压力，增加膜通量，有利于延缓膜污染，提高膜组件的过滤性能;膜生物反应器(MBR)中投加软质悬浮填料能提高CODCr的生物去除效率，但是降低了膜组件对微小悬浮固体的截留效能，增加了出水浊度和CODCr浓度。

悬浮填料;膜生物反应器;膜污染

膜生物反应器(membrane bioreactor，下称MBR)是实现污水再生回用和废水资源化的一项具有竞争力的新技术，膜污染则是影响MBR长期稳定运行的关键因素。膜污染是指被过滤料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜渗透量下降的现象，MBR分离的目标物质是污泥混合液，所以膜污染物质主要来源于污泥混合液。悬浮固体和上清液是污泥混合液的两大组成部分，而其中的悬浮固体和溶解性有机物是形成膜污染的主要因素［1］。悬浮固体中形成膜污染的主要是粒径为0.5～15 μm的微小颗粒，容易沉积在膜表面而形成滤饼，堵塞膜孔［2］，加速滤饼阻力的形成［3］。有文献报道，悬浮固体、胶体和溶解性大分子有机物对膜污染阻力的贡献分别为65%，30% 和5%［4－5］。减少污泥混合液中的悬浮固体在膜表面形成滤饼层，是减缓和控制膜污染的有效方法之一。目前，防止和减少膜表面滤饼层形成的主要方法是改善MBR中污泥混合液的水利条件，例如增强曝气强度［6－7］。在气液两项中，上升的气流会形成很强的剪切力，冲刷膜表面，防止和减少污泥的沉积，但会增加运行成本。此外过多的供氧也不利于MBR工艺的反硝化脱氮［8］。为了较少增强曝气强度对MBR带来的不利影响，向MBR中添加悬浮填料以减少污泥滤饼层的形成和沉积是一种值得研究的方法。

作者曾报道过硬质悬浮填料对MBR性能的影响，即添加硬质填料后，在增加膜通量的同时对污泥絮体有一定的破坏作用，增加了跨膜压力和出水浊度［9］。针对已有的研究结果，本文又研究了软质填料控制MBR膜污染的效能及对MBR性能的影响，为延缓和控制MBR膜污染提供切实可行的方法和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

悬浮填料如图1，材质为 polyurethane，15mm×12mm×12mm(多孔)。实验用水为人工废水，CODCr值为 500 ～600 mg·L－1。

图1 悬浮填料

1.2 方法

实验装置如图2。反应器A和B(MBR－A和MBR－B)的有效容积为5 L，其中安装的膜组件为公称孔径1 μm的聚丙烯无纺布，有效过滤面积为0.03 m2。按照填料与反应器中混合液(体积之比)1∶3，向MBR－A中添加多孔填料，MBRB为对照组。MBR中污泥质量浓度(MLSS)为(4 000 ±200)mg·L－1，DO 为 3 ～4 mg·L－1。MBR的运行方式为间歇式:6 min运行，2 min停止。装置底部设有微孔曝气头，实现连续曝气。每天分析测定跨膜压力(TMP)、膜通量(FLUX)、出水浊度及CODCr。一周为1个运行周期。每个运行周期结束后，将膜组件分别从MBR中取出，测定跨膜压力及膜通量，计算膜污染阻力(Rf);对膜组件表面进行冲洗，去掉污泥层后，测定跨膜压力及膜通量，计算洗后膜污染阻力R1，R1与Rf的差值为滤饼层污染阻力(Rc)。

图2 实验装置示意图

2 结果与讨论

2.1 膜污染阻力

根据标准的达西定律过滤模型，膜通量可用下式表示:

式中，Jv为膜通量(m3·m－2·h－1)，ΔP 为膜两侧的压力差(Pa)，μ为溶液的粘度(Pa·s)，Rf为膜污染产生的总阻力(m－1)。

式(1)表明，膜通量与膜两侧的压力差成正比，与总阻力成反比，因此可改写为

反应器运行期间MBR－A和MBR－B的膜污染阻力Rf及滤饼层污染阻力Rc的变化如图3、图4。可以看出，添加悬浮填料的MBR－A的膜污染阻力Rf以及滤饼阻力Rc均低于对照组MBR－B，说明悬浮填料对膜表面的附着物质具有很好的剥离作用，有效地抑制了污泥在膜表面的沉积，显示出了较好的控制膜污染的效果。祁佩时等人［10］研究了悬浮填料膜生物反应器(SCMBR)和传统膜生物反应器(CMBR)的膜污染阻力构成及比例。在相同的运行条件下，SCMBR滤饼层阻力占总阻力比率低于相同运行条件下的CMBR，并且SCMBR膜表面滤饼层结构疏松，孔隙较大，说明悬浮填料对膜过滤性能的改善主要表现在减小了滤饼层阻力。

图3 膜污染阻力Rf的变化

图4 滤饼层阻力Rc的变化

2.2 跨膜压力与膜通量

跨膜压力和膜通量的大小在一定程度上反映了膜组件的污染程度，跨膜压力越大，膜通量越小，表明膜污染越严重。跨膜压力的变化与膜通量的变化如图5、图6。可以看出，MBR－A的跨膜压力明显低于MBR－B，而膜通量则明显高于MBR－B。在曝气条件下，MBR－A中的软质悬浮填料在局部范围内不停扰动，增大了污泥混合液的紊动性，并且悬浮填料对膜表面也有一定的碰撞摩擦作用，有效地减少了悬浮颗粒在膜表面的沉积。酒井等人［8］进行的有无悬浮填料MBR膜表面的SEM分析说明了这一点，即添加悬浮填料的膜表面的固体堆积量明显低于对照组。由图6还可看出，MBR－A的膜通量波动较大、不稳定，而MBR－B的膜通量较小但平稳。这说明悬浮填料的投加，虽然能预防和剥离污泥在膜表面的沉积，增加了膜通量，但这种作用具有随机性和不稳定性，因而导致膜通量波动较大。

图5 跨膜压力的变化

图6 膜通量的变化

2.3 出水CODCr及浊度

对MBR－A来说，CODCr的去除是由悬浮填料上的生物膜、反应器中的悬浮污泥和膜组件共同完成的［11］;而对 MBR －B 来说，CODCr的去除是由反应器中的悬浮污泥和膜组件共同完成的。MBR－A的生物量高于MBR－B，其对CODCr的降解能力应大于MBR－B。但从实验结果看，系统进水CODCr平均值约为500 mg·L－1，MBR－A上清液CODCr平均值为170 mg·L－1，低于 MBR －B平均值209 mg·L－1;而MBR－A出水CODCr平均值为71mg·L－1，高于 MBR－B出水 CODCr平均值(58 mg·L－1)(如图7)。虽然MBR对污水中有机物的去除是反应器中微生物作用的结果，但是膜的截留作用也有一定的贡献，主要体现在对微小悬浮固体的截留上。MBR－A出水浊度明显高于MBR－B(如图8)，说明与未投加悬浮填料的MBR－B中的膜组件相比，添加悬浮填料的MBR－A的截留效率有所降低，这也是MBR－A出水CODCr高于MBR－B的原因。MBR－A和MBR－B出水浊度的变化，再一次证明了悬浮填料延缓控制膜污染的机理，主要是通过有效减少污泥在膜表面的沉积而实现对膜污染的控制。

图7 CODCr的变化

图8 出水浊度的变化

3 结论

(1)MBR中投加软质悬浮填料能有效降低膜污染阻力、滤饼层阻力和跨膜压力，增加膜通量，有利于延缓膜污染，从而提高膜组件的过滤性能。

(2)MBR中投加软质悬浮填料能提高MBR对CODCr的去除效率，但是降低了膜组件对微小悬浮固体的截留效能，增加了出水浊度和CODCr浓度。

(3)软质填料在控制膜污染的同时，虽然增加了出水的CODCr和浊度，但是克服了硬质填料在提高膜通量的同时，跨膜压力也随之增大的缺点，降低了膜污染阻力，节省了运行成本，更具有实际应用的价值。

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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

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC110101)。

仉春华(1966－)，女，黑龙江密山人，副教授，主要从事水污染控制技术研究。

(责任编辑 邹永红)