旋转膜组件对MBR内污泥特性及膜污染的影响

赵秋燕,胡丽丽,王 妍,徐 玲

(合肥城市学院 土木工程学院，安徽 合肥 238079)

膜生物反应器(membrane bio-reactor，MBR)，一种由膜分离单元与生物处理单元组合的新型水处理技术，在污水处理和水资源再利用领域已成为研究热点.然而限制膜技术广泛应用的障碍是膜表面的结垢问题，因此，如何有效延缓膜污染是膜技术进一步发展的关键问题[1].目前，延缓膜污染的方法主要有3个：一是改善污泥混合液的特性；二是优化反应器的运行条件；三是研发抗污染的膜基材[2].有研究表明，反应器中水流剪切力的大小对活性污泥种类或数量的增长以及活性污泥特性的变化有重要影响[3-4].目前，关于水流剪切力的大小对膜污染控制的影响机理，相关研究报道较少.常规膜组合工艺采用的膜组件静置于反应器中，致使絮体形成滤饼层逐渐成为主要污染方式.本研究的独特性在于采用旋转膜组件，研究其在不同转速引起的水流剪切力对污泥混合液特性的影响，并通过不同条件下活性污泥指数SVI、比耗氧速率SOUR、粒径分布、胞外聚合物EPS、膜通量及膜阻力等对比，探讨了旋转膜组件引起的水流剪切力对活性污泥特性的影响机理，以期为膜生物反应器的优化设计及运行提供参考.

1 实验部分

1.1 实验装置及材料

实验装置如图1，主要由原水箱、高位水箱和膜生物反应器(有效容积为15 L)组成，材质均为有机玻璃.采用4组平行的MBR装置(内部安装旋转膜组件)，接种合肥市经开区某污水处理厂二沉池的回流污泥，倒入配置的营养液，每组MBR在不同转速条件下进行培养驯化和运行.原水以C6H12O6为碳源、(NH4)2SO4为氮源、KH2PO4为磷源，按照生活污水的进水浓度范围进行配置，此外还加入了适量的NaHCO3、CaCl2、MgSO4及其他少量微量元素.原水质量浓度：CODCr为350～400 mg/L，NH3-N为30～40 mg/L，TP(以PO43-计)为3～5 mg/L.培养驯化启动结束后，4组MBR膜组件转速分别在5、10、15、20 r/min条件下稳定运行，监测各反应器的污染物去除效能和活性污泥参数，同时镜检各反应器中活性污泥的微生物活性.

1.进水泵；2.阀门；3.空气泵；4.转子流量计；5.曝气软管；6.旋转膜组件；7.集水管；8.中空转轴装置；9.压力表；10.出水泵

1.2 实验条件及过程

膜生物反应器(尺寸为25 cm×25 cm×40 cm)内安装旋转膜组件，膜组件尺寸为宽10 cm，高25 cm，反应器内部设置沿垂直方向延伸的中空转轴，膜组件固定在中空转轴上，当中空转轴以一定速度转动时，带动膜组件在反应器中旋转.膜组件有效过滤面积约为0.05 m2材质为尼龙布(300目).中空转轴的内部固定安装有一个同轴设置的集水管，膜组件过滤后出水进入集水管经蠕动泵抽吸后排出，反应器底部安装曝气软管，经空气泵对反应器内部提供氧气，反应器内溶解氧含量经转子流量计控制在2～3 mg/L.运行期间，混合液的溶解氧质量浓度(2～3 mg/L)和水温(20±2 ℃)保持不变.反应器内水流剪切力通过调节膜组件的转速来控制.MBR经过15 d的培养驯化后，各项指标趋于平稳，且膜表面已形成一层生物膜，系统进入启动阶段，继续运行30 d，定期监测活性污泥特性及膜通量等相关指标.

1.3 分析检测项目及方法

分析监测项目有溶解氧质量浓度(DO)、活性污泥浓度(MLSS)、污泥粒径、混合液黏度、胞外聚合物EPS 中的多糖和蛋白质、污泥容积指数SVI、比耗氧速率SOUR、膜通量及膜阻力.分析监测方法见表1.

表1 分析监测项目及方法

水流剪切力[5]：

式中：μ为水的动力黏滞系数；C为阻力系数，取值范围为 0.2～0.5，本实验取为0.2；ρ为水的密度；ω为膜组件旋转的角速度；Z为膜组件数目；b为膜组件高度，本实验b=0.25 m；R为垂直轴中心至膜组件外缘的距离，本试验所用膜组件的R=0.05 m；r为垂直轴中心至膜组件内缘的距离，膜组件与垂直轴紧接时r=0；n为垂直轴的转数；V为池中被搅动的水体体积；P为流体所耗功率；G为速度梯度.旋转膜组件不同转速下的系统水流剪切力计算结果见表2.

表2 不同转速下的水流剪切力

2 实验结果分析

2.1 污泥特性的比较

2.1.1 水流剪切力对SVI值的影响

SVI值的高低反映了活性污泥的疏散程度及凝聚、沉降性能.若SVI值低，即污泥颗粒结构紧密，沉降性能好；反之则活性污泥沉降性能差，可能会发生膨胀现象[6].有研究[7-9]报道，当活性污泥发生膨胀时，会加重膜污染，污泥膨胀产生的泡沫对膜表面的污染能力比正常污泥高达百倍.

由图2可看出，4组反应器中的污泥沉降指数SVI值均随着运行时间的延长而逐渐下降并最终趋于稳定.当系统稳定后，污泥沉降指数SVI值随着水流剪切力的增加而降低，且污泥沉降指数降低幅度先大后小，如1号反应器水流剪切力为0.03 Pa，运行29 d时，SVI值为108.30 mL/g，2～4号反应器SVI值依次为1号的77.38%、60.39%、50.97%，降幅依次为22.62%、16.99%、9.42%.由图2可知，当水流剪切力大于0.14 Pa(3号反应器)时，增大水流剪切力，对SVI值的影响很小.

图2 SVI变化对比

2.1.2 水流剪切力对粒径的影响

当活性污泥粒径总体上大于膜孔径时，导致膜孔堵塞的几率会降低，其中粒径较小的污泥颗粒会不断附着在膜表面，使滤饼层致密化导致膜孔堵塞.

由表3 可见，在运行期间，各反应器中活性污泥絮体颗粒的平均粒径随运行时间的增加而增大，平均粒径分别从68.18、69.17、68.13、68.23 μm增加到81.36、85.13、92.31、84.01 μm.当剪切力小于0.14 Pa(3号反应器)时，污泥粒径随水流剪切力的增大而增大，增大幅度先大后小.但剪切力大于0.14 Pa时，污泥粒径略微有所减小.由此可见，水流剪切力适当地增加，有助于颗粒污泥变得活性更强、密实度更高、沉淀性能更好，但剪切力太大也会使颗粒污泥破碎或解体，导致粒径减小[10].

表3 运行期间污泥粒径变化

2.1.3 水流剪切力对SOUR的影响

氧气是微生物代谢所必需的条件之一，而水体中DO含量由曝气量决定[11].活性污泥比耗氧速率(spectific oxygen uptake rate,SOUR)，是评价污泥微生物代谢活性的一个重要指标，反映单位质量的活性污泥在单位时间内所利用氧的量.适当的水流剪切力能有效促进好氧微生物与废水中的污染物及氧气的充分接触，提高污泥中的氧传质效率，不仅能降低能耗还能提高污染物的去除效能.

由图3可见，在运行初期，水流剪切力对SOUR的影响不是很明显.在第10 d以后，水流剪切力的增加开始对活性污泥SOUR的影响有明显的提高，在运行至第21 d时，4组反应器内的SOUR(mgO2/(gMLSS·h))分别由第1 d的25.88、26.48、27.08、25.98下降到7.53、12.84、20.53、18.74.但当水流剪切力大于0.14 Pa(3号反应器)时，活性污泥的SOUR提高幅度反而略微有所下降.有研究[10]指出，适当的水流剪切力，会改变活性污泥中优势菌种的类型和数量，影响污泥的碰撞聚集行为及污泥活性等.

图3 SOUR变化对比

2.2 膜污染控制的比较

2.2.1 水流剪切力对EPS分布的影响

胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)成分非常复杂，其中70%～80%是由蛋白质和多糖构成，20%～30%来源于腐殖酸、核酸和脂类等[12-13].当蛋白质质量浓度从30 mg/L增加到100 mg/L时，膜阻力会增加10倍[14-15].由此可见，EPS中对膜污染贡献最大的是蛋白质的含量.

由图4可见，运行期间，4组反应器内的蛋白质和多糖含量均呈增加趋势，1～4号反应器中，多糖含量(mg/gMLSS)分别从8.93、9.35、9.62、9.45增加到19.85、23.98、26.43、24.74，蛋白质含量(mg/gMLSS)分别从6.95、6.53、6.72、6.57增加到19.92、19.85、20.03、20.38.多糖含量与混合液黏度线性相关，蛋白质含量与混合液Zeta电位线性相关.经对比发现，当水流剪切力小于0.14 Pa(3号反应器)时，多糖含量随剪切力的增大而增大，剪切力对多糖的变化较明显，而对蛋白质的影响不大，4组反应器混合液蛋白质含量与Zeta电位线性关系如图.剪切力过大(如4号反应器)，会使EPS的含量降低，导致活性污泥破碎和解体.Shin等[16]通过改变曝气强度研究EPS含量变化时发现，随剪切力增加，EPS 中多糖含量会显著上升，而对蛋白质含量几乎没有影响.同时,污泥絮体的结构和强度均会受EPS含量的影响，从而改善活性污泥的沉降性能，促进微生物的生长[17-18].

图4 多糖和蛋白质含量变化

2.2.2 水流剪切力对膜通量和膜阻力的影响

由图5可知，随着运行时间的延长，4组反应器膜通量均会下降，从1号到4号分别由25 L/(m2·h)下降到11.39、14.32、18.05、19.02 L/(m2·h).4组反应器膜阻力逐渐上升，从1号到4号分别由0增加到6.62、4.41、2.43、1.78(×1012m-1).由此可见随着水流剪切力的增大，膜通量降低及膜阻力上升速率明显减小.原因可能是膜组件转速的增加引起的水流剪切力也随之增大，膜表面堆积的滤饼层在水流剪切力的作用下变的更加松散，最终在旋转的离心力作用下不断脱落、更新，使膜表面的滤饼层厚度不断降低，延缓了膜通量的下降及膜阻力的上升速率，有效控制了膜污染进程[19-20].由图5可知，当水流剪切力大于0.14 Pa(3号反应器)时，增大水流剪切力对膜通量的降低及膜阻力的上升的影响很小.

图5 膜通量和膜阻力变化对比

3 结论

1)旋转膜组件引起的水流剪切力会对活性污泥颗粒之间的碰撞聚集、污泥絮体的形态、污泥粒径和孔隙结构、污泥沉降性能及活性等理化特性产生重要影响.适当的剪切力作用有利于改善反应器中活性污泥特性.

2)EPS中影响膜污染的主要物质为蛋白质，适当的水流剪切力会增加污泥混合液EPS中多糖含量(mg/gMLSS)，而对蛋白质含量(mg/gMLSS)影响不大，故对膜污染的影响不大.膜表面的滤饼层在膜组件旋转引起的水流剪切力下结构变得更加松散，易于脱落、更新，降低了滤饼层厚度，延缓了膜通量的下降及膜阻力的增加速率.

3)综上可知，当水流剪切力小于0.14 Pa时，混合液特性及膜污染进程随着水流剪切力的增加而得到有效改善，当水流剪切力大于0.14 Pa时，增加水流剪切力对其影响很小.因此，当水流剪切力值为0.14 Pa时，达到最佳运行条件.