无纺布动态膜生物反应器处理生活污水的研究

程恒卫，张彦平，韩晓栋，李静，李一兵，党晨凯

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

无纺布动态膜生物反应器处理生活污水的研究

程恒卫1，张彦平2，韩晓栋1，李静2，李一兵2，党晨凯2

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

采用无纺布动态膜生物反应器处理生活污水，考察了其对污水的处理效果，并对膜污染和膜阻力进行了分析．结果表明：无纺布动态膜生物反应器对COD和NH3-N有较好的去除效果，平均去除率分别为93%和90%；表面通量和透膜压力对膜污染影响显著，增加表面通量或透膜压力，将加快污泥颗粒在膜表面沉积速度，膜污染加剧，过滤阻力增加；无纺布过滤阻力主要来自泥饼层，约占总阻力的98%．

无纺布动态膜；膜生物反应器；膜污染；生活污水处理

膜生物反应器（MBR）是将膜技术与生物技术相结合的一种水处理技术，具有处理效率高、出水水质稳定、设备紧凑、占地省等优点[1-2]．但MBR系统中膜组件造价过高，运行能耗高，膜污染严重，限制了其进一步的推广[3]．动态膜生物反应器（Dynam icMembrane Bioreactor，DMBR）是以廉价微网材料为膜基材，通过预涂剂或微生物及其代谢产物在膜材料表面形成动态膜起到截留作用的一种污水处理新工艺[4]．该工艺具有传统MBR生物反应器的出水水质稳定、容积负荷高、剩余污泥产量低等优点，同时有效降低了投资和运行成本，是一种具有发展潜力的污水处理技术[5]．目前，国内外研究者广泛开展了采用新型廉价膜材料制备动态膜生物反应器用于各类废水的处理，均取得了较好的处理效果[6-7]，但是在动态膜的过滤特性以及膜污染等方面仍然缺乏深入研究．

本实验采用廉价的无纺布为膜基材，通过过滤曝气池中混合液逐渐形成动态膜生物反应器，研究了该动态膜生物反应器对生活污水中COD、NH3-N的去除效果，并探讨了系统运行过程中透膜压力和膜通量对膜污染的影响，并对动态膜过滤阻力进行了分析．

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验采用的反应器装置如图1所示．整个系统由好氧生物反应器和无纺布组件组成．生物反应器长0.5m，宽0.2m，高0.8m，有效容积为50 L．实验采用工业用无纺滤布，材质为涤纶，过滤孔径为15m．原水由水箱进入好氧生物反应器，污水在反应器内经微生物降解后，出水经无纺布重力流出，然后经蠕动泵排至出水箱．试验过程中由浮球阀控制反应器内的液位，通过空气压缩机连续曝气充氧，曝气量由阀门、气体流量计控制、调节，试验水温保持18℃左右．

1.2 实验用水

采用人工配水模拟生活污水，废水水质见表1．接种污泥来自某污水处理厂A/O反应池O段的活性污泥，接种污泥浓度为1.78 g/L．

1.3 分析项目与方法

COD采用5B-6型COD速测仪进行测定；氨氮采用纳氏试剂比色法；MLSS/SS采用重量法测定（ALC-110.4梅特勒-托利多电子天平、PHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱）；浊度测定采用WG2-200浊度仪．

图1 动态膜生物反应器试验装置Fig.1 Schematic diagram of DMBR

表1 试验用水水质Tab.1 Waterquality of the experiment

2 结果与讨论

2.1 动态膜处理效果分析

2.1.1 对COD的去除效果

在系统运行初期是动态膜逐渐形成的过程，出水浊度值逐渐降低，形成稳定的动态膜之后，出水浊度维持在1.0NTU以下，整个过程SS未检出．试验期间未经无纺布过滤以及经的无纺布过滤后出水COD的变化如图2所示．

由图2可知，经过无纺布过滤的反应器出水COD值与未经无纺布过滤的反应器出水COD值比较接近，但后者略小，说明动态膜生物反应器对COD的去除主要依靠混合液中微生物的代谢作用完成的，但在无纺布表面形成动态膜之后，能有效的拦截一些粒径细微的颗粒有机污染物质和大分子有机物，无纺布动态膜对有机物的去除率最大为12%．这是因为在过滤过程中，曝气池中的混合液在无纺布表面聚集，形成了具有有效拦截作用的生物膜，同时由于无纺布内部的立体网状结构及大量空隙为微生物生长提供了良好的栖息点，使无纺布本身又具有了一定的生物降解作用．在整个试验期间，对COD的平均去除率为93%，出水平均COD值小于30mg/L，系统运行稳定性好．系统运行期间发生污泥膨胀，但系统出水水质并未受到明显影响，这说明污泥膨胀对系统出水水质影响较小，但是对膜污染影响明显，过滤阻力明显增加．

图2 对COD的去除效果Fig.2 Performance ofCOD removal in DMBR

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

2.1.2对氨氮的去除效果

图3为经过无纺布动态膜生物反应器处理之后出水NH3-N的变化情况．从图3可以看出，整个试验期间进水NH3-N值波动范围较大，在14～39mg/L之间变化，无纺布动态膜对NH3-N的去除效果均较稳定，平均去除率达到90%，平均出水氨氮值为2.8mg/L．这是由于无纺布动态膜形成之后，截留了世代时间较长的硝化细菌，完成了氨氮的硝化过程．另一方面，系统出水氨氮值与未经动态膜过滤的上清液相比无明显差异，这是因为氨氮在废水中以氨离子的形式存在，属于无机小分子，其大小要比无纺布动态膜孔径小很多，因此动态膜的拦截作用对氨氮的去除效果影响不大．

2.2 动态膜污染分析

2.2.1 表面通量的影响

表面通量是影响无纺布动态膜生物反应器运行的重要参数，它直接决定了系统的产水率．系统在运行过程中，污泥颗粒会在无纺布表面和纤维空隙间沉积，造成过滤面积的减小以及形成泥饼层，从而导致膜污染．膜污染将会导致透膜压力（Trans-membrane pressure，TMP）不断升高以及膜通量显著下降，从而使得动态膜的透水性降低[8]．试验研究了在不同表面通量下运行对透膜压力的影响，见图4．

图4结果显示，当表面通量为27 L/(m2h)时，在测定时间内TMP没有明显变化，始终保持在40 Pa左右．随着通量的增加，TMP上升速率加快，并且随着运行时间的延长，TMP呈指数增长趋势．在表面通量分别为36 L/(m2h)、45 L/(m2h)、54L/(m2h)时，仅10h TMP就分别达到1 840Pa、2600Pa和2950Pa．这是由于无纺布表面动态膜形成的过程中，同时存在着污泥颗粒在无纺布表面的沉积作用和由于浓差极化现象向混合液中的扩散作用，当两者相对平衡时，膜污染速度最慢，这时的表面通量称为临界通量．当运行通量小于临界通量时，污泥颗粒向无纺布表面沉积的速率较小，膜阻力上升缓慢；当运行通量大于临界通量时，颗粒在无纺布表面沉积速度加快，大大超过扩散速度，污泥层不断压缩，污泥的比阻不断增大，为维持原表面通量，TMP上升，随着污泥层的压实，TMP会呈指数上升，系统稳定运行时间大大缩短．实际运行过程中考虑到经济性，一般可采用次临界通量运行．

2.2.3 透膜压力的影响

提高TMP可以一定程度上提高无纺布表面通量，提高产水率，而在较高的TMP下，无纺布纤维会发生变形或损坏，从而造成膜使用寿命的降低[9]．为了研究TMP对动态膜污染的影响，考察了在不同TMP条件下运行时动态膜表面通量的衰减情况，见图5．

从图5可以看出，透膜压力越大，初始表面通量就越大，但通量衰减迅速．TMP为1500Pa时，仅4 h初始表面通量就从85L/(m2h)下降到35 L/(m2h)；而当TMP为30Pa时，表面通量基本无变化，运行稳定．可见在高TMP下运行，过滤阻力增加迅速，并不能维持高通量的持续运行．这是由于随着TMP的增加，污泥颗粒受到的过滤压差造成的推动力大于浓差极化造成的扩散力，从而污泥颗粒在无纺布表面沉积速度加快，并且在膜组件表面不断累积与压实，导致孔隙率下降，空隙结构变的密实，过滤阻力增加，表面通量减小；当TMP较低时，污泥颗粒在无纺布膜表面沉积速度减缓，系统稳定运行时间延长．因此，系统运行时应尽可能保持低压力．

2.3 过滤阻力分析

图4 不同表面通量对TMP的影响Fig.4 Effects of different flux on TMP of DMBR

图5 不同透膜压力对表面通量的影响Fig.5 Effectsof different TMP on flux of DMBR

系统运行过程中，无纺布表面动态膜逐渐增厚，压实，TMP增大，阻力增加．动态膜过滤阻力主要源于动态膜污染，其次是动态膜自身和浓差极化产生的阻力．动态膜主要由胞外聚合物、无机盐和微生物组成[10]，通过活性污泥絮体和无机盐在膜上的沉积和吸附形成，其污染经历了初期快速吸附、稳定增长和透膜压力呈明显跳跃式升高的3个阶段[11]．本试验中无纺布孔径较大，本身阻力很小，因此主要阻力来自于泥饼层阻力和凝胶层阻力．为了考察膜阻力分布，根据达西定律在TMP为100 Pa，水温为20℃时测定了各阻力值，见表2．从表2可见，无纺布动态膜生物反应器过滤总阻力比传统膜生物反应器过滤总阻力小2个数量级[12]；无纺布动态膜过滤阻力主要来自泥饼层，约占总阻力的98%，这部分阻力经清洗后可以去除，属于可逆污染；孔隙及凝胶层阻力相对较小，占1.8%，说明膜的内部污染缓慢，并且无纺布膜固有阻力相对也较小，仅占0.2%．同时，试验发现随着运行时间的延长，孔隙及凝胶层阻力逐渐增加，而该部分污染为不可逆污染，当其增加到一定程度时标志无纺布动态膜老化，这时需要及时更换膜基材．

表2 无纺布过滤阻力分析Tab.2 Analysisof filtration resistanceof non-woven fabric

以上数据分析表明，无纺布膜具有通量大、易清洗、内部污染轻等特点，适于动态膜生物反应器的过滤需求，能有效降低膜生物反应器的造价和运行能耗，值得推广．

3 结论

1）无纺布动态膜生物反应器对COD和NH3-N有较好的去除效果，对COD和NH3-N的平均去除率分别为93%和90%，系统运行稳定性好．

2）表面通量对膜污染影响显著，随着通量的增加，污泥颗粒在无纺布表面沉积速度加快，污泥层不断压缩，膜污染加剧，TMP上升，并且TMP随运行时间呈指数增长趋势．

3）TMP越大，污泥颗粒在膜表面沉积速度越快，过滤阻力迅速增加，表面通量减小；TMP较低时污泥颗粒在膜表面沉积速度减缓，系统稳定运行时间延长．

4）无纺布动态膜通量大、易清洗，其过滤阻力主要来自泥饼层，约占总阻力的98%，无纺布固有阻力以及孔隙和凝胶层阻力相对较小．

[1]程恒卫，张景成，张彦平，等．FBR工艺处理生活污水试验研究[J]．水处理技术．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]薛念涛，夏俊林，邢家乐，等．自生动态膜—生物反应器影响因素的研究进展[J]．膜科学与技术，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]李龙，湛含辉．动态膜技术及其在污水处理中的研究进展[J]．膜科学与技术，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]李艳，陈伟楠，王灿，等．无纺布膜生物反应器膜污染分析及其控制技术[J]．化工进展，2013，32（7）：1695-1700．

[10]古杏红，熊江磊．自生动态膜形成过程中生物膜性质与阻力变化相关性研究[J]．给水排水，2011，37（增刊）：82-86．

[11]刘艳鹏，杨凤林，柳丽芬，等．膜生物反应器中新型无纺布膜过滤特性及膜污染特征[J]．环境工程学报，2009，3（5）：844-848．

[12]伍海辉，高乃云，万金保．聚偏氟乙烯膜生物反应器处理城市污水的膜污染分析[J]．工业水处理，2006，26（1）：55-58．

[责任编辑 杨屹]

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

河北省建设科技研究项目（2014-235）

程恒卫（1977-），男（汉族），高级工程师．通讯作者：张彦平（1978-），女（汉族），讲师，E-mail：zyphit63.com．

数字出版日期：2015-01-23数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150123.1526.001.html