动态膜生物反应器处理玉米深加工废水效果研究

高鹏，年跃刚*，闫海红，殷勤，徐璐，颉亚玮，3

1.中国环境科学研究院水污染控制技术中心，北京 100012

2.南开大学环境科学与工程学院，天津 300071

3.清华大学环境学院，北京 100084

动态膜生物反应器处理玉米深加工废水效果研究

高鹏1，年跃刚1*，闫海红1，殷勤1，徐璐2，颉亚玮1，3

1.中国环境科学研究院水污染控制技术中心，北京 100012

2.南开大学环境科学与工程学院，天津 300071

3.清华大学环境学院，北京 100084

应用动态膜原理，以0.105 mm孔径的工业滤布和钢丝网代替固定膜组件构成一体式动态膜生物反应器（DMBR）处理玉米深加工废水。结果表明，工业滤布和钢丝网基材的膜组件动态膜完全形成后，可以将水中绝大多数悬浮物截留下来；工业滤布膜组件可以在更短时间内（30～60 min）完全生成动态膜并达到良好的过滤效果。采用大通量启动、小通量运行的恒流操作方式，出水平均浊度低于1.5 NTU，SS未检出。当水力停留时间为22 h，MLSS浓度为5 g/L时，出水CODCr平均为34.5 mg/L，去除率达93.1%；出水-N平均浓度为5.2 mg/L，去除率达94.8%。

动态膜；膜生物反应器；玉米深加工废水

膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）是膜技术与污水生物处理技术相结合的污水处理新工艺［1］。由于膜的高效分离性能，与采用重力沉降分离为主的传统活性污泥法（conventional activated sludge，CAS）污水处理工艺相比，MBR具有很多突出优点，被认为是最具有发展前景的污水处理与回用技术之一［2-3］，对其进行的研究和开发在世界范围内备受关注。近年来MBR已被用于城市污水和工业废水的处理，但投资较高和膜污染问题限制了其推广应用［4］。

动态膜生物反应器（DMBR）污水处理工艺具有大幅降低膜组件成本的可能［5］，其利用粗网材料（如无纺布、钢丝网等）作为过滤基材，通过形成的动态膜截留和净化污染物，具有投资少、过滤阻力小等优点，有望成为传统沉淀液固分离技术与传统微滤（超滤）膜分离技术中间的一条道路。目前关于动态膜生物反应器的研究多处于小试试验阶段，试验水质多数为模拟废水或生活污水［6-9］。笔者在某玉米深加工企业污水站进行现场试验，以工业滤布和钢丝网作为动态膜基材制成平板型过滤组件构成一体式DMBR，对其运行方式和处理效果进行研究，以期为其工程推广应用及企业污水站的改造提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

膜组件结构类似平板膜，采用140目（孔径0.105 mm）基材包裹有机玻璃边框组成，基材材质为工业滤布和钢丝网（不锈钢）2种，尺寸均为0.4 m×0.6 m，单片有效膜面积0.44 m2，为防止膜面凹陷，在膜组件内置有机栅条支撑。污泥混合液透过过滤面进入膜组件内的空腔，出水口在膜组件上方，经软管和铜三通接头与反应器出水口连接。铜三通设有单独开关，试验中动态膜根据需要可增减膜片数量来改变总过滤面积。反应器采用PP材质，高1.5 m、直径0.9 m，有效容积700 L，设有2个平行出水口，膜组件固定于有机玻璃框架一并嵌入反应器中。反应器以有机玻璃框架为导流板，在侧方及下方均设微孔曝气头（图1）。反应器在日常运行中，通过侧向曝气一方面向混合液供氧，另一方面推动混合液在反应器内形成循环流动，维持反应器内有效的水力循环，下方曝气的作用是通过削减膜面泥饼层厚度来控制膜污染，实现膜清洗。

1.2 试验用水与运行

试验在吉林省某大型玉米深加工企业污水处理站内进行，装置进水为污水站厌氧膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）出水。试验期间CODCr为317～793 mg/L（平均为508 mg/L）-N浓度为77～196 mg/L（平均为116 mg/L）。试验时间为2013年9— 11月。接种污泥为污水站曝气池活性污泥，混合液污泥浓度（MLSS）为1 850 mg/L，在污泥浓度达到5 g/L时开始排泥，污泥浓度保持在5 g/L左右。

图1 动态膜生物反应器Fig.1 Sketch of dynamic membrane bioreactor

试验启动前，进行静态试验，初步研究不同材质膜组件的过滤效果。采用大通量启动、小通量运行，变水头、定通量的运行方式，靠液位差自流出水，采用侧方及下方同时曝气。试验启动期后，设置16和22 h 2个水力停留时间运行阶段。试验第56天气温骤降，采取加温措施，使水温保持在25℃左右。运行过程中膜通量逐渐衰减，当水位差（ΔH）为15 cm时对膜组件进行水力冲刷。试验分析水样均在下方曝气清洗前取得。

1.3 测试方法

CODCr采用COD快速测定仪（承德市华通环保仪器有限公司）测定；-N浓度采用纳氏试剂分光光度法测定；悬浮物浓度、MLSS浓度采用减重法测定；浊度采用HACH 2100P便携式浊度仪（美国哈希公司）测定；溶解氧浓度采用YSI DO200便携式溶氧测定仪（美国YSI公司）测定。

2 结果与讨论

2.1 静态试验

动态膜的固液分离能力是其能否替代固定膜构成MBR的前提条件，也是DMBR形成的关键［10-11］。因此在小试试验启动前设计了静态试验，研究动态膜的截留效果。静态试验出水通量保持为250 L/h，水位差为10 cm，试验中过滤出水多数情况下的SS浓度接近于零，故以浊度来代替SS浓度表征膜过滤性能。

静态试验中钢丝网和工业滤布动态膜组件出水浊度的变化情况如图2所示。由图2可以看出，钢丝网膜组件出水瞬间浊度高达20.1 NTU，可能是由于过滤前一些微细颗粒透过膜面进入空腔；出水初期浊度下降较快，2 min时浊度下降至10.1 NTU；30 min时降至4.78 NTU，通过对膜表面的观察可以看到膜面已覆盖有少量生物膜；之后浊度下降趋势逐渐变缓，60 min时出水浊度为3.44 NTU，肉眼仍能观察到少许颗粒物质，膜表面虽然附着有一定厚度的动态膜，但易松动；延长过滤时间至105 min时出水浊度下降至1.80 NTU。

图2 出水浊度随时间的变化Fig.2 Variations of effluent turbidity

以工业滤布制作的膜组件在出水瞬间浊度仅6.78 NTU，5 min时浊度已下降至3.97 NTU，低于企业污水站二沉池的出水浊度（5 NTU左右）；35 min时浊度降至2.5 NTU以下，通过对膜表面的观察可以看出滤饼层初步形成；60 min出水浊度下降至1.75 NTU，趋于稳定，肉眼基本观察不到颗粒物质，可以认为此时动态膜已完全形成。

静态试验结果发现：1）钢丝网膜组件初期出水浊度远高于工业滤布膜组件初期出水浊度。其原因是工业滤布膜面本身对污泥有一定的截留能力，在动态膜未形成时起到过滤部分污泥颗粒的作用。叶茂盛［12］对工业滤布的电镜观察发现工业滤布纤维间空隙仅10 μm，表面略显粗糙，具有很多丝端，因而短纤维能对颗粒物起到有效的架桥固定作用，降低初期出水浊度。2）2种基材膜组件的动态膜完全形成后，都可截留水中绝大多数悬浮物；工业滤布膜组件可在较短时间内（30～60 min）完全生成动态膜并达到良好的过滤效果，钢丝网膜组件前期出水浊度较高，实现对污泥颗粒的有效拦截需要的时间较长（105 min），同时生成的动态膜易脱落，这与范彬等［13-15］采用钢丝网基材及洪俊明等［16-17］采用工业滤布基材膜组件的出水效果一致。

2.2 DMBR运行方式研究

静态试验表明，DMBR可以实现良好的固液分离效果，因此下一步试验重点为DMBR的实际运行方式研究。如何实现连续稳定进出水，在出水优异的前提下获得较长的运行周期和较高的单位时间产水量，是动态膜运行方式研究中要解决的主要问题。通过反应器试运行试验尝试，并借鉴梁娅等［18-19］的研究经验，确定了大通量启动、小通量运行，变水头、定通量的运行方式。静态试验中若使钢丝网膜组件表面形成动态膜需要较长时间（105 min）的大通量过滤，且出水浑浊需不断回流，因而反应器试运行阶段弃用钢丝网膜组件，只研究工业滤布基材膜组件下的运行方式。

图3为动态膜生物反应器运行方式示意。

图3 DMBR运行方式示意Fig.3 Schematic diagram for DMBR operation

反应器一个运行周期大致分为3个阶段：1）启动期。出水前反应器液面与出水口高差达15 cm，这是上一周期膜污堵严重、通量下降造成，该阶段正是利用高水位差快速形成动态膜；膜组件在高水位差下靠虹吸自流出水，反应器内液面迅速下降，45 min后水位差降至数cm，同时动态膜快速形成，此时出水浊度已降至2 NTU以下，SS未检出。值得注意的是，出水在5 min内浊度便低于5 NTU，避免了DMBR启动期出水需大量回流的问题［20-21］。2）稳定期。随着过滤的进行，膜污染加重，通量下降，引起液面的上升，水位差的增大提高了通量，因而进出水流量处于一种动态平衡，稳定期内基本实现恒通量运行。3）衰竭期。运行1～2 d后，膜污染不断加重，出水通量衰减速率加快，反应器内水面迅速上升，当水位差增至15 cm时，停止进出水，进行反冲洗，进入下一周期。水位差随运行时间的变化如图4所示。试运行证明，该运行方式可以快速形成动态膜，解决了流量需随通量改变的问题，实现了连续稳定运行，具有很强的可操作性。

图4 水位差随运行时间的变化Fig.4 The water head trends over running time

一个试验周期结束后，取出膜组件观察发现，工业滤布表面生物质层可以分为滤饼层和凝胶层，外层结构较疏松，主要由污泥絮体组成，容易冲刷下来；内层凝胶层与工业滤布结合较紧，也更致密，可能是由微生物产物、污泥等不断聚集而成。静态试验时，膜面上形成滤饼层后，在水位差恒定情况下出水通量没有变化，表明滤饼层对膜阻力贡献较小，对膜污染起主要作用的可能是不断增厚变密的凝胶层，而范彬等［22-23］的研究结果正好相反。关于二者在动态膜过滤过程中的作用还需要进一步的研究。

2.3 DMBR运行效果

2.3.1 CODCr去除效果

反应器共运行65 d，前15 d为启动期，之后调整水力停留时间为16和22 h，各运行25 d，运行期间反应器内DO浓度为2～3 mg/L。图5为试验期间DMBR对CODCr的去除情况。从图5可以看出，在启动期（第1～15天），尽管进水波动较大（317～778 mg/L），但动态膜对 CODCr去除率达到了89.1%，出水平均 CODCr为45.9 mg/L；第16～40天，调整水力停留时间为16 h，CODCr平均去除率达到92.2%，出水平均CODCr为38.2 mg/L，水质较启动期更加稳定；第41～65天，调整水力停留时间为22 h，进水量为32 L/h，该工况下CODCr平均去除率达到93.1%，出水平均CODCr为34.5 mg/L。

图5 DMBR对CODCr去除效果Fig.5 CODCrelimination by DMBR

一般而言，废水处理试验的启动阶段对污染物的去除效果并不太好，去除率在80%以下甚至更低［24-25］，试验在启动期便取得较好的污染物去除效果，其主要原因是系统污泥是从现有污水站直接泵入，污泥活性良好，反应器内曝气搅拌充分，且试验进水与曝气池进水完全相同，无需驯化和适应现有水质。从2个水力停留时间的CODCr去除效果来看，去除率均在89%以上，水力停留时间从16 h增加到22 h，对应的CODCr去除率仅增加0.9%，表明16 h的曝气时间对CODCr的去除已经足够充分。

图6 DMBR对-N的去除效果Fig.6-N elimination by DMBR

2.3.3 对SS、浊度的去除效果

DMBR在运行期间对出水SS截留效果稳定，试验期间共进行了31次检测，其中有5次检出，其余26次均未检出。试验第56～59天，该地区气温骤降，影响了反应器生化效果，混合液上清液浑浊，DMBR出水SS浓度也突然增高，说明动态膜对胶体物质的截留作用有限，要得到良好的出水水质，生化系统的控制也是非常重要的。运行期间，出水浊度为0.75～3.10 NTU，其中绝大部分时间在1.5 NTU以下，肉眼几乎观察不到颗粒物。在运行周期的稳定期内，出水浊度会维持在较恒定的范围。

3 结论

（1）工业滤布和钢丝网基材的膜组件动态膜完全形成后，可以将水中绝大多数悬浮物截留下来；工业滤布膜组件可以在较短时间内（30～60 min）完全生成动态膜并达到良好的过滤效果，钢丝网膜组件前期出水浊度较高，实现对污泥颗粒的有效拦截需要的时间要长些（105 min），同时生成的动态膜易脱落。

（2）工业滤布膜组件的DMBR采用大通量启动、小通量运行的恒流操作，可以实现连续稳定运行。

（3）DMBR工艺可以有效去除玉米深加工废水中的污染物，稳定运行下出水平均浊度低于1.5 NTU，SS未检出。在水力停留时间为22 h，MLSS浓度为5 g/L时，出水CODCr去除率达到93.1%，出水平均CODCr为34.5 mg/L；出水-N去除率达94.8%，出水平均浓度5.2 mg/L，出水完全达到排放标准。

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Performance of Dynamic Membrane Bioreactor for Corn Starch Processing Wastewater Treatment

GAO Peng1，NIAN Yue-gang1，YAN Hai-hong1，YIN Qin1，XU Lu2，XIE Ya-wei1，3
1.Water Pollution Control Research Center，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2.College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China
3.School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084，China

The dynamic membrane forming on the surface of 0.105 mm industrial filter cloth and steel mesh was utilized to replace the static membrane，so as to develop a submerged dynamic membrane bioreactor（DMBR）for corn starch processing wastewater treatment.The results showed that after forming of dynamic membrane on the two substrate membranes，most of the suspended solids could be held back completely.Furthermore，dynamic membrane was generated faster（in 30-60 min）on filter cloth and achieved better filtering efficiency.With the constant-flow operation mode of starting with high flux and running with low flux，the effluent turbidity was below 1.5 NTU on average，and SS not checked out.When HRT was 22 h，MLSS was 5 g/L，the removal efficiency of CODCrand-N reached 93.1%and 94.8%respectively，and the effluent average concentrations were 34.5 and 5.2 mg/L，respectively.

dynamic membrane；membrane bioreactor；corn starch processing wastewater

X703.1

A

10.3969/j.issn.1674-991X.2014.04.046

1674－991X（2014）04－0282－05

2014－03－31

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07202－009－01）

高鹏（1989—），男，硕士，主要从事水污染控制及回用研究，18810403739＠163.com

*责任作者：年跃刚（1963—），男，研究员，博士，主要从事生态修复、中水回用研究，nianyg＠craes.org.cn