水处理技术中不同材质的MBR膜的运用探讨

李 娟

（南京城建环保水务股份有限公司，江苏 南京 210000）

在国内近年的飞速发展中，水资源的利用愈加受到重视。在城市内的给水排水系统，也已成为大自然水循环中重要的组成部分。作为自然循环和社会循环的重要联系点，污水深度处理在城市排水系统担任着重要的角色。

在众多的污水处理工艺中，膜分离工艺是近二十年内快速进步的一项新型净水技术，相对较早的传统工艺，其设备更为简单，操作方便且净水效率极高。膜生物反应器MBR（Membrane Bio-Reactor）就是把膜分离工艺和生物反应原理有效联系，从而对水质进行处理[2]。在生物反应器内存在数量众多的微生物，其与容器内的基质进行充分的反应，通过微生物的呼吸作用将有机物降解。之后膜组件对这些部分处理后的水进一步筛分，将富含微生物的污泥截留于生物反应器中，防止微生物的流失。

在MBR膜的工作过程中，物料内的微粒如胶体颗粒和溶质大分子在膜表面或孔洞内堆积，导致膜通量和膜的分离特性发生变化，产生膜污染的现象。膜污染的发生原理如下：较膜孔径更小的颗粒在模孔内部吸附堆积，经由浓缩结晶以及沉淀，造成堵塞从而导致膜污染；物料中的胶体，微生物被膜阻拦，通过吸附等作用相互结合，在膜的表层形成了沉积，降低了膜通量；膜的穿透压力和膜孔的堵塞导致膜的表层发生浓差极化的现象，当其处于极限浓度时，溶液内析出难降解的小分子，其与污泥中部分固态物质相吸附，产生凝胶层，导致膜污 染[3]。

对于膜技术的运用而言，拥有可靠的操作性是最为关键的。而在微滤的过程中，膜污染又是操作可靠性中的关键点。本次研究就是对几类由不同材质的MBR膜进行探讨，对其不同工作环境下投入活性炭，研究其工作特性，尽可能保证MBR膜的工作稳定性。

1 实验方案

1.1 实验装置

本次实验采用两组装置，其运用的膜组件分别为水厂常用的聚偏氟乙烯（PVDF）超滤膜组件和聚氯乙烯（PVC）超滤膜组件。

单个的反应器中有效容积是16 L，其中包括缺氧区和好氧区两个部分，容积分别为4 L和12 L。在曝气区里有内循环的导流板，用于加强水流在膜面的冲刷能力。实验中的来水是用水泵抽送至装置中，PVC超滤膜和PVDF超滤膜的膜生物反应器中都设有两组帘式膜。对于该实验装置，其出水也是模仿水厂工作环境，用抽吸泵抽出。实验中采用的两类膜组件的参数见表1。

表1 膜生物反应器内的实验膜的参数

1.2 实验用水的水质

两个容器的水源都为同一水箱，内装有人工调制的生活污水，BOD5与N、P三者的比例为100：5：1，其主要的成分是无水硫酸钠、氯化铵、硫酸二氢钾。详细参数见表2。

表2 模拟生活污水的成分表

1.3 监测项目和监测方法

在本次研究过程里，我们通过对装置内的各类数据进行测量，从而对MBR膜的运行情况进行分析，实验的监测项目和监测方案如表3所示。

表3 监测项目与监测方案

2 未投加活性炭时MBR膜的处理效果实验

2.1 活性污泥的培养

本次实验中采用的接种污泥源于南京市江心洲污水处理厂二沉池，其颜色是深褐色，通过镜检可以检测到污泥内含有纤毛虫与钟虫。把污泥曝气36个小时后进行静置，去除上清液，再通过筛网进行过滤除去其内所含的大颗粒杂质。用5 g/L的初始浓度接种于两膜生物反应器内，先以低浓度的模拟生活污水驯服，直至COD浓度达到500 mg/L。

2.2 膜组件的处理效果

我们在实验参数里选择进水处COD，测得污泥浓度为9～10 g/L，水体温度则处于25摄氏度左右，而在反应容器内，我们采取间歇空曝气的方法运行60 d进行数据测量，对比不同类型的膜组件对出水水质状态的作用。

我们从实验中可得出如下结论，在进水情况较稳定的情形下，两组膜生物反应器的出水COD浓度并没有太大的差距。在净水工艺中，我们常把膜生物反应器对有机物的去除分成两个步骤，前者为生物反应器对有机物的降解和去除作用，后者则是膜对有机物去除的作用过程。在膜生物反应器内，由于膜组件的存在，容器内部的活性污泥不会丢失，微生物浓度一直处于较高的水平，从而大大提升了活性污泥与污染物的接触时间，加强了该流程中有机物的去除水平。

在另一方面，针对溶解性的有机物，膜对其的去除作用主要分为三个方面，首先是膜通过其自身所含的膜孔对有机物进行筛分截留；其次是膜的表层已经膜孔处的吸附作用；最后则是在膜表面堆积出的沉淀层，对有机物的筛分与吸附。根据含有不同的特性的污泥以及不同材质特性的膜组件，膜生物反应器对有机污染物的净化能力各有差异，三种作用在其净化流程系统内所占权重各有不同。

在本次实验过程中，两组膜生物反应器采用的是两种材质不同的膜组件，而膜丝孔径也有所差异，PVC超滤膜的孔径是0.01微米，PVDF超滤膜的孔径则为0.02微米，但从图二的实验数据中我们可以看出，两者出水的COD浓度相差极小。

3 投加活性炭对反应器净化规律的影响

本次实验主要研究的是投加活性炭后对膜污染的控制作用。在实验过程内，外来颗粒物的投加可能使污染物原有的降解规律产生相应的影响，故而在接下来的实验中，在投加等量活性炭后，我们除了对水体COD方面去除规律影响的相关数据外，再增添对膜通量的衰减速率的比较实验，通过分析这些数据研究活性炭的投加对膜污染的影响。

3.1 COD的去除

我们对两个生物反应器取同等的进水与操作条件，两者在工作过程中的COD去除效率基本都处于90%以上，而总去除效率更是超过95%，出水处COD数值处于10 g/L以下。至于两容器的生物去除率，只在开始的半月内有所波动，之后稳定保持于90%的数值。

两生物反应器都拥有，对COD的较高去除率，但是反应器2号的处理效果并非十分优越。通过分析可得出其原因。首先由于PVC超滤膜的孔径较PVDF超滤膜更小，而本次实验中所使用的污水为模拟配置用水，可生化性相对较高，有机物浓度相对不是太高。其次，本实验中我们所使用的是A/O工艺，在缺氧区，通过不完全厌氧处理水体内有机物的方法，提升废水水体的可生化性。在膜组件工作过程中，其筛滤作用只能截留溶解性有机物里分子体量大于膜的截留能力的有机物。而针对那些小分子有机物，则是通过膜和沉积物的吸附作用。

3.2 膜通量衰减速率的比较

膜通量的物理意义为在单位时间内单位膜面积上所通过渗透液的体积，是MBR性能评价的重要指标，其反映的就是膜污染的状况。

为尽可能减少温度对膜通量的影响，本次实验中所有实验数据都折算成25摄氏度时的通量

公式内的J25指折算为25摄氏度时的膜通量，JT则指温度为T时所测得的实际流通量，ηT指温度为T时纯水的粘度，η25代表的是25摄氏度下纯水的粘度。

又通过达西方程我们可以得知，膜的固有阻力计算式为

在该公式中，R表示过滤的总阻力，ΔP指作用于膜两侧的压强，μ代表的是透过液的粘度，J指的是膜通量。

经过六个月的运行测量后我们可以得出如下结论，膜通量的衰减处于一个较快的状态，正常新膜的清洗周期是2～4个月。在同一个清洗的周期内，两容器内的膜组件有着相类似的通量变化规律。在一个清洗周期内，我们比较了两生物反应器膜通量的衰减速率，得出下表：

表4 一个清洗周期内膜通量衰减速率比较

由表中可知，投加了活性炭的PVDF超滤膜较PVC超滤膜的膜通量衰减速率更小，由此我们可知，在利用活性炭投加解决MBR膜的膜污染问题上，PVDF超滤膜运用该方案解决膜污染的性价比更高。

4 结语

总之，在未来的水处理过程中，我们还要将研究重点放在MBR膜如何更好地处理膜污染问题上，推广新型污水处理技术，合理利用好水资源。