两种填料对ABR-MBR工艺膜污染的影响

2018-08-31陈茂林沈耀良徐乐中

净水技术 2018年8期

陈茂林，丁敏，吴鹏，沈耀良，徐乐中

(1.苏州淡林环境科技有限公司，江苏苏州 215011；2.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009)

本课题组将有机污染物去除效率高、能耗低的厌氧折流板反应器(ABR)[1]与出水水质优良的膜生物反应器(MBR)[2]进行组合，用于城市污水处理[3-4]。膜污染以及能耗较高等问题很大程度上限制了MBR反应器的普及应用[7-11]。间歇曝气可以使MBR反应器在好氧和厌氧环境下交替运行，提高反硝化脱氮效率。研究发现间歇曝气有利于MBR反应器获得较好的去污效果，但容易加剧膜污染的进程[8-10]。

本课题组利用4隔室ABR反应器，将ABR第4隔室改造为膜池，第3隔室进行间歇曝气，在MBR反应器内通过添加颗粒填料增加其与膜表面的摩擦作用，缓减了膜污染[12-14]。然而在反应器内添加颗粒填料，发现颗粒填料会沉积于池底，减少对膜表面的冲刷作用。故本试验选取了成本较低、附着生物量较高的海绵颗粒来替代颗粒填料对膜表面的冲刷作用，同时也可以提高生物量。本研究采用间歇曝气的方式运行MBR反应器，研究海绵颗粒对生活污水脱氮除磷效能的影响，进而研究海绵颗粒对膜污染和膜表面污染物成分的影响。

1 材料与方法

1.1 试验水质

工艺进水参考文献[13]。

1.2 接种污泥、颗粒填料和海绵颗粒

接种污泥和颗粒填料参考文献[13]。

海绵颗粒为正方体，尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，密度为30～45 kg/m3，材质主体为聚氨酯，海绵内部孔径约为1 mm，其投加量为有效容积的15%。

1.3 ABR-MBR一体化工艺

试验装置如图1所示。工艺运行参考文献[13]，运行条件如表1所示。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of Experimental Setup

表1 试验运行条件Tab.1 Experimental Conditions

1.4 膜污染物的提取和检测方法

每个工况膜清洗时，进行膜污染物的提取。在膜污染物提取前，先用自来水清洗去除膜表面的泥饼层。然后将剪取的污染膜浸泡于30 ℃、pH值为12的氢氧化钠溶液中24 h，提取膜污染物[15-16]。

2 结果与讨论

2.1 不同工况脱氮除磷效果

表2 工艺进出水水质Tab.2 Characteristics of Influent and Effluent Water Quality

2.2 不同工况跨膜压差的变化情况

图2为跨膜压差(TMP)的变化情况，由图2可知，可用化学药洗恢复TMP至15 kPa。化学清洗后，工况1膜组件可维持运行33 d；而工况2运行9 d后，TMP很快上升至23 kPa，随即向MBR反应器内投加颗粒填料，TMP迅速减小到18 kPa，之后TMP逐渐增大，并且可维持运行45 d，膜清洗周期大大提高；另外，工况3运行9 d后，TMP增加到23 kPa，立即向MBR反应器内投加海绵颗粒，TMP下降速度相比添加颗粒填料要慢，不过也能大幅降低至18 kPa，之后TMP也是慢慢增大，膜组件可维持运行49 d，有效降低了膜清洗频率。工况3膜组件运行9个月后没有发现损坏现象，表明添加海绵颗粒极大地增强了MBR反应器的实际应用性能。

图2 不同运行工况跨膜压差的变化Fig.2 Variation of TMP under Different Operation Conditions

2.3 膜表面污染物成分检测

向MBR反应器内添加颗粒填料或海绵颗粒后，由于曝气作用，颗粒填料或海绵颗粒对膜表面的冲刷和撞击会引起膜表面污泥颗粒反向扩散及沉积层脱落[25]，膜表面很难形成泥饼层，有利于缓解膜污染。另外，分析了经物理清洗仍粘附在膜表面的污染物成分以进一步阐明膜污染的成因。

由表3可知，物理清洗后，TMP从40 kPa显著减小至20～30 kPa，表明膜表面形成的泥饼层是限制膜通量的重要因素。分析投加颗粒填料的工况2和投加海绵颗粒的工况3的膜表面污染物成分，发现变化更明显，单位面积膜表面污染物明显增加，其中多糖含量明显增大，蛋白质含量显著降低。TMP经物理清洗后明显上升，说明多糖是引起膜污染的重要因素[26-27]。而工况1经物理清洗后，TMP从40 kPa降低到20 kPa，说明泥饼层是常规膜污染的首要因素。而投加颗粒填料的工况2和投加海绵颗粒的工况3经物理清洗后，TMP从40 kPa分别降低到30 kPa和28 kPa，降幅明显变小，说明添加颗粒填料或海绵颗粒后，膜污染的首要因素是多糖，而泥饼层变为了次要因素。工况3的多糖含量相比工况2显著降低，很好地解释了工况3更能有效延缓膜污染的原因，表明添加海绵颗粒比添加颗粒填料更能缓解膜污染。不过经化学清洗后，TMP均能恢复至初始值，说明添加颗粒填料或海绵颗粒不影响膜通量的恢复。工艺运行9个月后，添加海绵颗粒不会损坏膜表面，不影响膜组件继续使用的性能。