聚丙烯无纺布膜生物反应器的水处理性能及膜污染控制研究

2022-01-14刘静璇李晓惠张超阳许艳广

辽宁科技学院学报 2021年6期

刘静璇，李晓惠，张超阳，许艳广

(辽宁科技学院生物医药与化学工程学院，辽宁本溪 117004)

膜生物反应器(MBR)是一种高效的水处理工艺，具有占地面积小、出水水质好、污泥浓度高等优点，在城市污水处理等领域得到了广泛的关注和应用。目前实际应用中的MBR多数采用聚偏氟乙烯中空纤维膜〔1〕，膜的价格相对高昂，更重要的是，由于膜污染问题的存在，需要对膜进行定期的物理及化学清洗，这提高了污水厂的运行费用及管理难度，化学清洗药剂也会导致二次环境污染，另外，频繁的化学清洗也会降低膜的使用寿命，更换新膜也将进一步增加运行成本〔2〕。上述问题大大制约了MBR的推广和应用，因此，寻找膜污染控制方式简单易行的新型廉价膜介质是进一步推广MBR应用的关键。

无纺布具有造价低、质地轻、通透性好、强度高、滤效高以及滤阻低等优势，可作为MBR工艺的替代膜材料〔3〕。但是，无纺布本身孔径较大，在运行初期，对混合液絮体的截留能力相对较差〔4〕，为了使其具有更大的粒子拦截性能，通常需要对无纺布进行表面改性〔5-6〕，或在无纺布表面形成一层动态膜〔7-8〕，以上两种方式或提高了膜的制备成本，或提高了工艺操作的复杂度。因此，开发出对混合液截留效果好、膜污染控制管理方便、环境残留小、造价低、易于规模化推广应用的无纺布MBR工艺，对推广MBR工艺在城市污水处理及其他废水处理领域的应用具有重要的实际意义。

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行条件

试验中以双层聚丙烯无纺布作为过滤介质，将双层聚丙烯无纺布分别固定在聚酯玻璃多孔支撑框架两侧，形成基于无纺布滤膜的膜组件，膜组件有效面积为162 cm2。将基于膜组件置于好氧反应池中，原水由蠕动泵输入好氧反应池，另一蠕动泵与膜组件上部出水管连接抽吸出水，由压差计读取跨膜压力(如图1)。

1、蠕动泵 2、空气压缩机 3、膜组件 4、压差计

好氧反应池的混合液容积为4.5 L，混合液悬浮固体含量为1 809 mg/L～4 427 mg/L，混合液pH值控制为7～8，采用微孔曝气盘曝气，曝气量为0.16 L/min～0.24 L/min，混合液溶解氧浓度控制为2 mg/L～3 mg/L。

原水为模拟生活污水，其主要水质指标如下：COD 360 mg/L～434 mg/L，NH3-N 58 mg/L～95 mg/L，TP 1.8 mg/L～3.6 mg/L。

1.2 短期过滤实验

将膜通量分别控制为10 L/(m2·h)，20 L/(m2·h)，40 L/(m2·h)，60 L/(m2·h)，80 L/(m2·h)，100 L/(m2·h)，135 L/(m2·h)，170 L/(m2·h)，200 L/(m2·h)，每个通量下分别运行30 min，分别测定各个通量下的出水SS浓度。

1.3 长期过滤实验

采用恒通量过滤模式，膜通量为20 L/(m2·h)。反应器共运行54天，连续记录运行过程中跨膜压力随时间变化情况；驯化22天后，处理效果趋于稳定，再连续测定稳定运行阶段32天的进出水COD、氨氮指标。

1.4 分析方法

SS采用重量法测定；COD采用快速消解法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定。

1.5 膜清洗方法

当膜污染导致跨膜压力显著升高后，采用物理清洗方法清洗无纺布膜。具体物理清洗方法为：首先用刮板刮去膜表面污染物累积形成的滤饼层，再用清水冲洗膜表面。

2 结果与讨论

2.1 无纺布膜生物反应器对悬浮物的去除效果

相比于传统膜材料，无纺布膜孔径较大，因此出水悬浮物浓度是考察无纺布膜截留能力的重要指标，为此，采用短期过滤实验考察了不同膜通量下的出水悬浮物含量及跨膜压力，结果如图2所示。当无纺布膜通量从10 L/(m2·h)增大到50 L/(m2·h)时，悬浮物浓度也从0.8 mg/L增大到7.8 mg/L左右，当膜通量由50 L/(m2·h)持续增大到200 L/(m2·h)，悬浮物的浓度维持在4.5 mg/L～5.8 mg/L，并没有随通量增加呈现显著提高的趋势。由此可见，无纺布膜在较宽的通量范围内，对悬浮物去除率基本维持不变，且出水悬浮物浓度小于10 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准中对悬浮物浓度的规定(<10 mg/L)〔9〕。当膜通量从10 L·m-2·h-1增加至200 L·m-2·h-1，跨膜压力仅从0.1 kPa增加至0.27 kPa，表明运行初期双层聚丙烯无纺布滤膜的膜阻力很小，且随膜通量变化不大。

图2 膜通量对膜出水悬浮物浓度及跨膜压力的影响

在54天的长期过滤实验中，运行第一天的出水SS为3.36 mg/L，在之后的运行过程中，基本未检测出SS，这是由于随着运行时间的增加，活性污泥在无纺布表面逐渐形成生物膜，强化了过滤效果。

2.2 无纺布膜生物反应器对COD的去除效果

进出水COD及COD去除率随时间变化情况如图3所示。在连续测定的32天内，原水COD为360 mg/L～434 mg/L，无纺布膜生物反应器的出水COD维持在33 mg/L～52.5 mg/L之间，COD去除率维持在87%～90%之间。多数情况下，出水COD浓度满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准中对COD浓度的规定(<50mg/L)〔9〕，仅有少数几天略高于50 mg/L。

图3 进出水COD及去除率

一般情况下，城市污水处理厂进水COD在200 mg/L～350 mg/L左右，城市污水处理厂二级生物处理工艺对原水COD的去除率维持在85%以上，本实验原水COD高于一般城市污水厂的进水COD值，去除率高于其常规去除率，可以推断，应用本无纺布膜生物反应器处理城市污水，有望通过进一步优化操作参数使出水COD稳定在50 mg/L以下。

2.3 无纺布膜生物反应器对氨氮的去除效果

进出水氨氮及氨氮去除率随时间变化情况如图4所示。在系统稳定运行期间，进水氨氮浓度约为58 mg/L～95 mg/L，属较高氨氮污水，出水氨氮浓度最低为2.91 mg/L，最高为5.6 mg/L，氨氮去除率在91%～96%之间，出水氨氮浓度满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准中对氨氮浓度的规定(<5mg/L)〔9〕。一般城市污水厂进水氨氮浓度在20 mg/L～40 mg/L，本实验原水氨氮浓度远高于该值，结果表明，尽管原水中氨氮含量较高，无纺布膜生物反应器对氨氮去除效率较高且处理效果比较稳定。由于该无纺布膜生物反应器固液分离效果好，实现了反应器水力停留时间和污泥龄的完全分离，有利于增殖缓慢地硝化细菌的截流、生长和繁殖，系统硝化效率得以提高，因此，相比于一般的活性污泥工艺，本MBR工艺具有更高的氨氮去除率。

图4 进出水氨氮及去除率

2.4 无纺布膜生物反应器的膜污染分析

无纺布膜的跨膜压力随时间变化情况如图5所示。无纺布膜在54天的运行时间内共运行了3个周期，每周期运行结束后，将膜组件从反应器中取出，进行物理清洗，清洗后再次投入下一周期的运行。第一周期共运行19天，在前17天内，跨膜压力由0.5 kPa缓慢增加至20.5 kPa，但在随后的2天内，跨膜压力由20.5 kPa迅速增加至65.6 kPa；第二周期共运行17天，在前15天内，跨膜压力由2.5 kPa缓慢增加至22 kPa，在随后的2天内，跨膜压力由22 kPa迅速增加至66.2 kPa；第三周期共运行18天，在前15天内，跨膜压力由2.6 kPa缓慢增加至23 kPa，在随后的3天内，跨膜压力由23 kPa迅速增加至67.1 kPa。第一次物理清洗后，跨膜压力恢复至2.5 kPa，第二次物理清洗后，跨膜压力恢复至2.6 kPa，且每个周期的运行时长并没有随周期呈现明显地降低趋势，表明简单的物理清洗即可有效恢复双层聚丙烯无纺布膜的膜通量。无纺布膜的3周期的运行结果表明，当膜污染导致跨膜压力增加至20 kPa～25 kPa时，如继续运行，跨膜压力将进入急剧增长期，说明当双层聚丙烯无纺布膜组件的跨膜压力增加至20 kPa～25 kPa时，需进行物理清洗，即双层聚丙烯无纺布膜组件在好氧膜生物反应器中运行的物理清洗周期约为15天，其工作跨膜压力应为0 kPa～20 kPa。目前在污水处理MBR中常用的膜为有机高分子聚合物中空纤维膜，其工作跨膜压力为0 kPa～60 kPa〔10〕，与之相比，本无纺布膜生物反应器具有操作压力低的技术优势。

图5 跨膜压力随时间变化情况

2.5 无纺布膜生物反应器的截留机理分析

第三周期结束后，将膜组件从反应器取出，然后将聚丙烯无纺布从膜组件上拆下，用显微镜分别对第一层无纺布、第二层无纺布以及新无纺布进行镜检。如图6所示，新的聚丙烯无纺布膜内部呈纤维交织网状结构(图6a)，在好氧膜生物反应器中长期运行后，第一层无纺布表面由于机械筛滤作用形成了明显的污泥滤饼层(图6b)，第二层无纺布的内部纤维结构上由于接触吸附作用附着了少量污泥絮体(图6c)。

(a)新无纺布，(b)运行后，(c)物理清洗后

在运行初期，由于无纺布的大孔结构，部分无法通过机械筛滤作用被第一层无纺布截留的小颗粒絮体可以进一步通过接触吸附作用被第二层无纺布截留，因此，这种双层无纺布滤膜结构可实现对MBR活性污泥絮体的有效拦截，使得运行初期的出水SS含量低于10 mg/L(图2)，保证系统运行稳定性。在运行后期，随着第一层无纺布膜污染的加剧，膜孔径显著减小，对SS的机械筛滤作用增强，绝大部分污染物主要累积在第一层无纺布表面形成滤饼层，所以，在每周期的运行期末，第二层无纺布上仅累积少量膜污染物。