旋转膜组件对污染物去除效能及膜污染控制的影响

胡丽丽,赵秋燕

(合肥城市学院，安徽 合肥 238079)

近几年采用膜法净化污水的理论及应用已成为水处理研究领域的热点话题，然而膜污染一直是限制其推广的瓶颈性因素.目前，常规膜组合工艺采用的膜组件静置于反应器中，污泥混合液在膜表面形成的滤饼层被认为是引起膜污染的主要原因[1].水流的紊动是水处理生物反应器中物质和能量传递的重要动力因素，不仅影响活性污泥的特性及微生物的生长和代谢能力，同时也成为水处理生物反应器运行效果和效能的关键因素[2].

由于水流状态决定了活性污泥处理系统中物质和能量传递的主要功能,因此水力条件对活性污泥处理系统的特性有着重要影响[3].本文采用的旋转膜组件在反应器中不仅可以替代传统搅拌器，使得反应器内气相、液相及污泥絮体间的相互碰撞产生不同的剪切作用，强化了系统对污水中各污染物的去除效能，而且膜组件的旋转作用产生的离心力会使膜表面沉积的松散滤饼层污泥絮体不断脱落，滤饼层变薄，有效延缓了膜污染进程.

1 实验条件及方法

1.1 实验装置

实验装置如图1所示，主要有原水箱、高位水箱和生物反应器(材质均为有机玻璃)，其中一组生物反应器(尺寸为25 cm×25 cm×50 cm)内安装旋转膜组件(反应器A)，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，本实验膜组件转速采用的是15 r/min.膜组件选用材质为300目的尼龙布，有效过滤面积约为0.06 m2.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，曝气池底部安装曝气软管，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.曝气池水力停留时间为8 h.

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 实验水质及污泥特性

实验用水为人工配置的模拟生活污水：分别选用磷酸二氢钾提供磷源，氯化铵提供氮源，乙酸钠提供碳源，投加适量的微量元素及碳酸氢钠为缓冲物质.两组反应器原水均来自同一个进水箱，进水水质相同.原水水质：COD为350～400 mg/L，NH3-N为30～40 mg/L，TP为3～5 mg/L，pH为7～8.

接种污泥取自合肥市某污水处理厂曝气池，连续闷曝48 h，静置充分后倒掉上清液，加入人工配置好的模拟生活污水.取100 mL活性污泥静置0.5 h后，测得活性污泥SV30为20%，沉降性能好，污泥质量浓度约4 100 mg/L.活性污泥为黄褐色，在显微镜下观察微生物活性较好.

1.3 实验方法

将接种污泥分别倒入2组反应器中，24 h连续曝气后充分静置，将上清液排出，加入人工配置的模拟生活污水进行稳定培养.经7 d的培养驯化，活性污泥呈现亮黄色且镜检时微生物较多，各污染物的去除率基本稳定在80%以上.如此循环运行，直至污泥质量浓度达到期望值(5 000 mg/L左右)，膜组件表面开始形成一层生物膜，系统进入启动阶段.试验运行周期为30 d，装置运行期间不排泥.

1.4 分析项目与方法

COD、NH3-N、TP及SVI的测定按照《水和废水监测分析方法》[4]进行检测.溶解氧DO由溶解氧仪(HACH LDO101)测定.污泥粒径由粒度仪(Malvernsizer 2000)测定.混合液黏度采用NDJ-8S旋转黏度计测定.PCR-DGGE图谱分析采用美国Bio-Rad Power Pac Basic 电泳仪测定.膜阻力

式中:R为膜阻力，m-1；ΔP为跨膜压差，kPa；μ0为混合液黏度，mPa·s；J为膜通量，L·m-2·h-1.

2 结果与讨论

2.1 污染物去除效能的比较

2.1.1 对脱氮除磷及有机物的影响

脱氮除磷，COD去除效果如图2、图3所示.运行期间，反应器A对NH3-N、TP、COD去除率分别为84.34%、94.76%、96.44%，分别比反应器B提高了5.84%、3.96%、3.97%.与反应器B相比，反应器A中的旋转膜组件除了有固液分离作用以外，还起着搅拌作用.膜组件以一定转速旋转时，会引起水流的紊动特性.有研究指出水流状态会影响活性污泥处理系统中物质和能量的传递，从而影响系统中活性污泥的处理效能[5-6].

图2 脱氮除磷效果对比

图3 COD去除效果对比

活性污泥系统中混合液的紊动特性会促进活性污泥反应器中微生物之间互相碰撞、聚集，产生有效碰撞，是形成降解性能良好的活性污泥的首要动力学因素[7].反应器A中旋转膜组件引起的适度紊动可以使活性污泥中微生物、有机底物和溶解氧三者之间充分混合，有利于促进氧气和营养物质的传递，提高微生物的生长繁殖速度.

2.1.2 变性梯度凝胶电泳分析(DGGE)

物种是构成生物群落而组成生态系统的基本单元，生物多样性的关键因素取决于遗传多样性[8].目前，DGGE技术已广泛用于分析自然环境中古菌、微型真核生物、细菌、蓝细菌、真核生物及病毒群落的生物多样性.通过DGGE分析后得到的指纹图谱，每一个条带代表某个微生物优势菌群，通过测序和序列比对，可以得出此优势菌群的种类.条带信号的强弱能够反映菌种的数量.

由图4可以看出，A反应器中微生物群落丰富程度整体较高.分析对比条带发现，条带 4、6在A、B反应器中均存在，表示该条带所代表的微生物为A、B反应器的共有菌群，通过信号强弱可见即使是共有菌群在不同反应器中的优势地位也有差异，如条带4在B反应器中可视为顶级优势菌群，但在A反应器中只是一般优势菌群.条带 1、2、3、6、7 在反应器A中信号较强.综合DGGE图谱分析来看，说明A、B反应器污染物去除效能的差异，很大程度上与系统内部的微生物群落结构及丰富程度变化有关.膜组件旋转引起的水流剪切力会刺激微生物的呼吸作用，使活性污泥有所增加，改变活性污泥的微生物生态系统[7].

图4 DGGE分离图谱对比

2.2 膜污染控制的比较

2.2.1 对污泥粒径及污泥容积指数的影响

活性污泥的粒径及污泥容积指数均与膜污染有关.混合液中污泥粒径的大小不仅影响处理后的出水水质，还影响活性污泥颗粒在膜组件表面的沉积，从而影响膜污染进程[9].Choi等[10]研究指出，当系统发生污泥膨胀时，膜污染状况会更严重.Chang等[11]也发现反应器中污泥膨胀产生的泡沫对膜的污染能力比正常污泥高100倍.

如图5所示，与反应器B相比，反应器A中活性污泥颗粒粒径分布整体向后平移，反应器A、B中粒径小于10 μm的污泥颗粒体积分数分别为4.13%、5.62%，且污泥平均粒径分别为92.92 μm 和68.18 μm，这表明在运行后期，反应器A中活性污泥絮体颗粒的平均粒径比反应器B中的大.图6表明反应器A在运行期间污泥容积指数SVI一直低于反应器B，反应器A中SVI值在100～150 mg/L波动，反应器B中SVI值在110～250 mg/L波动.

图5 污泥粒径分布对比

图6 污泥容积指数SVI对比

旋转膜组件在系统中引起适度的水流剪切力，会使得活性污泥中微生物的种类和数量发生改变，影响活性污泥的碰撞、聚集，以及污泥絮体的形态、粒径、孔隙结构、沉降性能、活性、浓度、污染物降解速率等理化特性[12].因此，反应器A中有利于形成密实度更高、沉淀性能更好、活性更强的颗粒污泥.

2.2.2 对膜通量及膜阻力的影响

膜污染，是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象.膜污染会导致膜通量的降低及膜阻力的增加.膜通量(或称透过速率)是膜分离过程的一个重要工艺运行参数，是指单位时间内通过单位膜面积上的流体量，由图7、图8可见，运行期间，反应器A膜通量降低速率、膜阻力增加速率均小于反应器 B.反应器B在运行第17 d时，由于膜污染较严重导致膜通量较低，对膜组件进行了清洗，清洗后的膜通量恢复率为95.28%.发生这种现象的可能性原因为反应器A中膜组件旋转可以通过产生剪切力来加剧水流紊乱程度来减缓膜污染.膜组件表面形成的滤饼层在离心力的作用下脱落，降低了滤饼层的厚度，进而延缓了膜污染进程.

图7 膜通量对比

图8 膜阻力对比

3 结论

1)生物反应器内旋转膜组件增大了水流的紊动特性，直接影响活性污泥的降解性能.适度的紊动会促进固相、液相、气相三者的充分接触，提高微生物降解污染物的效率.DGGE图谱表明，膜组件旋转引起的水流剪切力改变了反应器内的微生物菌群种类和数量，进而影响污染物的去除效能.

2)旋转膜组件引起的水流剪切力能使活性污泥形成密实度更高、沉淀性能更好、活性更强的颗粒污泥，增大污泥颗粒的尺寸，改善污泥的沉降性能.

3)膜表面的滤饼层会在旋转膜组件引起的离心力作用下松散或脱落，降低滤饼层的厚度，进而延缓膜通量的降低及膜阻力的增加速率.