污泥濃縮過程下膜生物反應(yīng)器的生物特性與膜滲透性評(píng)估

王朝朝,李思敏,鄭照明,李　軍（.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,河北 邯鄲 056038；.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 004）

污泥濃縮過程下膜生物反應(yīng)器的生物特性與膜滲透性評(píng)估

王朝朝1,2*,李思敏1,鄭照明2,李軍2（1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,河北 邯鄲 056038；2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124）

采用中試規(guī)模的好氧膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝處理城市污水,考查了在濃縮過程下膜生物反應(yīng)器的生物特性對(duì)膜滲透性及滲透性恢復(fù)的的影響.在試驗(yàn)中通過投加蔗糖溶液使系統(tǒng)維持恒定污泥負(fù)荷（food to microorganisms, F/M）在0.13,測(cè)定了活性污泥的一系列的生化與理化參數(shù),并通過 SPSS軟件對(duì)污泥性質(zhì)與動(dòng)態(tài)變化的膜滲透性及滲透性恢復(fù)水平的相關(guān)性做了進(jìn)一步的評(píng)估.結(jié)果表明,混合液懸浮固體（MLSS）濃度對(duì)膜滲透性的影響最大（rp=-0.958,P=0.000）；溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）濃度、溶解性化學(xué)需氧量（sCOD）濃度、污泥粒徑（PSD）及毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）對(duì)膜滲透性的影響屬于同一個(gè)水平（|rp|=0.82～0.85,P=0.000）；而污泥沉降性能與絲狀菌指數(shù)對(duì)膜滲透性的影響不大.并且發(fā)現(xiàn)隨著 MLSS濃度的增大,膜絲廊道內(nèi)積累的堵塞固體（ACS）的質(zhì)量以及膜滲透性的絕對(duì)恢復(fù)量（ΔL）也有增加的趨勢(shì),表明 MLSS濃度直接影響著膜生物反應(yīng)器的堵塞性能,也進(jìn)一步證明了膜堵塞是除膜污染之外影響膜滲透性的另一個(gè)重要因素.在低通量［5～6L/（m2·h）］的操作條件下離線清堵聯(lián)合強(qiáng)化化學(xué)反洗（CEB）的方式可以保證膜生物反應(yīng)器工藝在高M(jìn)LSS濃度運(yùn)行下實(shí)現(xiàn)膜滲透性的可持續(xù)恢復(fù).

膜生物反應(yīng)器；污泥濃縮；生物特性；膜滲透性；膜堵塞

膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝以其高品質(zhì)出水在業(yè)界受到廣泛關(guān)注,應(yīng)用到城市污水回用和工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的實(shí)際工程也日益增多［1］.由于MBR工藝是采用膜過濾技術(shù)以實(shí)現(xiàn)泥水分離,因此污泥生物特性對(duì)于分離過程的可持續(xù)性影響很大［2-3］.整體來講,污泥混合液由生物固體、膠體類物質(zhì)和溶解性物質(zhì)三部分組成,每一部分對(duì)于膜滲透性下降的貢獻(xiàn)取決于反應(yīng)器的實(shí)際運(yùn)行條件［4］.以往的研究者對(duì)膜滲透性的降低的機(jī)理分析大部分集中在膜污染上,主要是考查胞外聚合物（EPS）在膜表面的沉積行為和溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）、膠體類物質(zhì)在透膜過程的堵孔行徑［5-6］.然而也有報(bào)道研究了膜絲廊道內(nèi)生物顆粒堵塞物與膜滲透性的關(guān)系,結(jié)果表明膜堵塞可以顯著地降低膜的滲透性,采用傳統(tǒng)的水力反沖洗以及強(qiáng)化化學(xué)反沖洗不能夠可持續(xù)地恢復(fù)膜的滲透性［7］.因此在運(yùn)行過程中膜污染和膜堵塞問題是導(dǎo)致膜滲透性下降的兩大主要因素,從而增加了該工藝的運(yùn)行與維護(hù)的費(fèi)用.

基于MBR工藝高效的泥水分離作用,并且可以在高M(jìn)LSS濃度下運(yùn)行,該工藝已經(jīng)應(yīng)用到污泥的濃縮過程［8］.Wang等［9］采用平板膜生物反應(yīng)器處理剩余污泥,并同步實(shí)現(xiàn)了污泥的濃縮與好氧消化過程,實(shí)現(xiàn)了污泥減量的作用.Kim 等［10］在使用MBR實(shí)現(xiàn)污泥濃縮減量過程時(shí),發(fā)現(xiàn)通過投加無機(jī)混凝劑改善了污泥性質(zhì),從而提高了膜的滲透性.因此在MBR工藝應(yīng)用到污泥濃縮過程時(shí)考查污泥性質(zhì)的變化是極其重要的.本研究將中試規(guī)模MBR工藝在恒污泥負(fù)荷的條件下應(yīng)用到了污泥濃縮過程（MLSS濃度范圍：8～35g/L）,全面考察了污泥在濃縮過程中的污泥性質(zhì)和膜滲透性以及膜滲透性恢復(fù)的動(dòng)態(tài)變化,并采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件闡明其相關(guān)性,分析了污泥性質(zhì)對(duì)膜滲透性降低的影響,深入探討了膜堵塞對(duì)膜滲透性降低的影響機(jī)制,并對(duì)不同清洗方式對(duì)膜滲透性恢復(fù)的影響進(jìn)行了綜合評(píng)估,為MBR工藝在污泥濃縮領(lǐng)域的應(yīng)用及其優(yōu)化運(yùn)行提供技術(shù)支持.

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

膜生物反應(yīng)器中試裝置（由圖1所示,總有效體積為 6.75m3）包括一個(gè)生物池（占總有效體積的74%）和膜池（占26%）.生物池底部裝有微孔曝氣盤,通過人工調(diào)節(jié)曝氣量保證在試驗(yàn)階段好氧池的溶解氧（DO）濃度維持在 1～2mg/L.生物池與膜池通過一個(gè)污泥循環(huán)泵連接,污泥由膜池到生物池的回流比為 400%.通過蠕動(dòng)泵向生物池內(nèi)輸入蔗糖溶液,保證實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程以恒污泥負(fù)荷（F/M=0.13）下運(yùn)行.另外通過溶解氧（DO）,懸浮物（SS）和溫度探頭對(duì)生物池的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

膜池內(nèi)裝有兩組豎狀的聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維簾式膜,膜孔徑為 0.04μm,膜的有效過濾總面積為 46.4m2.通過蠕動(dòng)泵的抽吸實(shí)現(xiàn)產(chǎn)水過程,并同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)水力反沖洗的功能.在膜組件底部100mm以下安裝有穿孔曝氣管路,對(duì)膜表面進(jìn)行間歇性的曝氣沖刷（10s開,10s關(guān)）,保證單位膜面積每小時(shí)的曝氣量（SADm）為0.25m3.

1.2運(yùn)行工況

整個(gè)反應(yīng)器的進(jìn)水,污泥循環(huán),產(chǎn)水,膜組件曝氣和污泥排放過程由可編程邏輯控制器（PLC）和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)控制.生物池內(nèi)配備有液位計(jì),在膜組件出口處備有壓力傳感器以記錄跨膜壓差（PTM）的數(shù)值.跨膜壓差、產(chǎn)水通量（J）和產(chǎn)水凈通量（Jnet）數(shù)值每 30s由壓力傳感器和超聲流量計(jì)傳送到SCADA系統(tǒng)記錄.水力反洗的通量（Jb）為15L/（m2·h）,每10min反沖洗 30s.整個(gè)試驗(yàn)階段膜生物反應(yīng)器是在可持續(xù)凈通量下運(yùn)行,具體運(yùn)行參數(shù)由表1所示.產(chǎn)水凈通量（Jnet）和膜滲透性（L）的具體計(jì)算方法如下式：

式中： n為一個(gè) CEB周期內(nèi)包含的物理清理次數(shù)；J為產(chǎn)水通量,L/（m2·h）；Jb為水力反洗通量, L/（m2·h）；tp為水力反洗間隔周期,h；τp為水力反洗持續(xù)時(shí)間；tc為CEB間隔周期,h；τc為CEB持續(xù)的時(shí)間,h；T 為產(chǎn)水水溫,℃；PTM為跨膜壓差,Pa.

表1　膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行工況Table 1　MBR operational conditions

1.3實(shí)驗(yàn)用水和接種污泥

該試驗(yàn)進(jìn)水來自某污水處理廠的初級(jí)沉淀池出水,總化學(xué)需氧量（tCOD）為（487.2±190.1）mg/L,sCOD為（120±59.1） mg/L,氨氮（NH4+-N）為（30.1±7.5） mg/L時(shí),總氮（TN）為（45.3±11.6） mg/L,總磷（TP）為（6.2±2.5） mg/L,懸浮固體（SS）為（220.5±80.6） mg/L,pH 值 7.1～8.2.配置的蔗糖溶液濃度以COD的當(dāng)量為1142g/L,每天需要調(diào)整其流量,以保證其協(xié)同城市污水達(dá)到所需的有機(jī)負(fù)荷.該中試裝置接種污泥取自該污水廠A2O工藝的好氧池,接種污泥的 MLSS濃度約為 8g/L,其中揮發(fā)性混合液固體（MLVSS）占到 75%左右,在經(jīng)過 MBR工藝馴化之后的整個(gè)試驗(yàn)過程中MLVSS/MLSS的比例穩(wěn)定在85%左右.

1.4分析方法

tCOD、sCOD、TN、NH4+-N、TP、SS、MLSS、MLVSS的濃度采用水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［11］中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定.污泥和污水中的sCOD測(cè)定： 將污水或污泥樣品使用離心機(jī)在12000r/min下離心15min,取其上清液通過0.45 μm微濾膜,過濾后測(cè)定 COD濃度.pH值用便攜式WTW Multi 340i 檢測(cè)儀測(cè)定.通過測(cè)定稀釋的污泥體積指數(shù)（DSVI）來表示污泥沉降性能,將污泥樣品的MLSS濃度稀釋至3g/L,放置到1L的量筒中測(cè)定其污泥沉積指數(shù).污泥粒徑（PSD）采用馬爾文粒徑儀（Malvern 2000,Mastersizer,英國）測(cè)定,以平均粒徑（D50）計(jì).可溶性微生物產(chǎn)物（SMP）和胞外聚合物（EPS）采用熱處理法進(jìn)行萃取和分析［12］,SMP以總有機(jī)碳（TOC）的濃度計(jì),mg/L,EPS以比污泥總有機(jī)碳濃度計(jì),mg/g.

每周采用數(shù)碼顯微鏡（KEYENCE VH-Z75,日本）對(duì)污泥的形態(tài)學(xué)進(jìn)行觀察.并根據(jù)Eikelboom等［13］測(cè)定絲狀菌指數(shù)的方法（FI范圍為 1～5）,分析污泥樣品中絲狀菌的數(shù)量與絮體狀態(tài),其中1表示絲狀菌數(shù)量較少,5表示絲狀菌過度地增長(zhǎng).

1.5膜滲透性恢復(fù)分析

當(dāng)該中試膜生物反應(yīng)器的跨膜壓差升高到了40kPa以上時(shí),會(huì)首先對(duì)膜生物反應(yīng)器進(jìn)行強(qiáng)化化學(xué)反沖洗（CEB）作業(yè).在產(chǎn)水箱中投加次氯酸鈉溶液（稀釋至500mg/L）,進(jìn)行10個(gè)脈沖的化學(xué)反沖洗,每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間為 30s,每個(gè)脈沖的間隔為2min,化學(xué)反沖洗的通量為25L/（m2·h）.如果當(dāng)強(qiáng)化化學(xué)反洗作業(yè)之后,膜滲透性在 24h之內(nèi)恢復(fù)到清洗前的水平,將會(huì)進(jìn)行膜組件的離線清堵作業(yè).將膜組件從膜池內(nèi)提升出來之后,采用低壓自來水沖洗膜絲廊道內(nèi)的堵塞顆粒物,并將沖掉的顆粒物收集,烘干.清堵作業(yè)完成之后,將膜組件放回膜池后,再進(jìn)行一個(gè)周期的強(qiáng)化化學(xué)反洗作業(yè),然后開始試驗(yàn)過程.

GACS定義為單位膜面積積累堵塞固體（ACS）的干重,g/m2.K定義為膜表面對(duì)顆粒固體的截留率,可以反映膜堵塞的程度,ΔL定義為膜滲透性絕對(duì)恢復(fù)量（采用強(qiáng)化化學(xué)反洗聯(lián)合離線清堵的方式清洗）,具體計(jì)算方法如下式：式中： t為過濾時(shí)間,h；ρMLSS為MLSS濃度,g/L； Lc為清洗后的膜滲透性,10-5L/（m2·h·Pa）； Le是上一個(gè)過濾周期結(jié)束時(shí)的膜滲透性,10-5L/（m2·h·Pa）.

1.6SPSS統(tǒng)計(jì)分析

本研究中采用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,直觀地反映污泥性質(zhì)對(duì)膜滲透性及膜滲透性恢復(fù)的影響程度,皮爾遜系數(shù)（rp）是一個(gè)介于-1.0到 1.0之間的無量綱指數(shù),反映了兩個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性方向與強(qiáng)度,其中-1.0表示完美負(fù)相關(guān),1.0表示完美正相關(guān),0表示無相關(guān)性.本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性在統(tǒng)計(jì)學(xué)上被認(rèn)為在 95%的置信區(qū)間內(nèi)顯著（P＜0.05）.

2　結(jié)果與討論

2.1MBR濃縮過程的運(yùn)行特性

濃縮過程中 MLSS濃度、膜滲透性及凈通量的具體變化情況由圖2可見.在濃縮過程中隨著MLSS濃度的升高,膜的滲透性和可持續(xù)凈通量都在降低.具體而言,MLSS濃度由8g/L提高到35g/L左右時(shí),膜滲透性和可持續(xù)凈通量分別由364.8×10-5L/（m2·h·Pa）和 18.2L/（m2·h）降低到了77.1×10-5L/（m2·h·Pa）和 4.7×10-5L/（m2·h·Pa）.在濃縮過程完成后（高 MLSS濃度）的穩(wěn)定運(yùn)行中,膜滲透性可以保持在 126×10-5L/（m2·h·Pa）左右.同時(shí)也可以看到MLSS濃度增加到18g/L時(shí),膜的滲透性與可持續(xù)凈通量出現(xiàn)急劇下降,該 MLSS濃度可以推測(cè)為MBR工藝明顯出現(xiàn)堵塞行為的臨界域值,這與Rosenberger等［6］在研究中空纖維膜生物反應(yīng)器時(shí)的結(jié)果（臨界域值為 15g/L）近似吻合.

由于MBR系統(tǒng)采用恒污泥負(fù)荷的運(yùn)行模式,隨著 MLSS濃度的提高,進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷也由0.4kg/（m3·d）提高到了 4.23kg/（m3·d）,系統(tǒng)出水的COD濃度由21.2mg/L上升到了288.6mg/L, 但是COD的去除率始終保持在93%以上.同時(shí)由于污泥增長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求作用,TN和TP的去除率由低MLSS濃度（MLSS濃度在8g/L左右）下的32%和40.6%,分別提高到了高M(jìn)LSS濃度下的（MLSS濃度在32g/L左右）達(dá)到了78.9%和90%.在整個(gè)試驗(yàn)過程中 NH4+-N的去除率基本穩(wěn)定在99.5%以上.

圖2　濃縮過程下L, Jnet和MLSS濃度的變化Fig.2　Variations in L, Jnetand MLSS concentrationthroughout thickening process

2.2濃縮過程中污泥性質(zhì)的變化

濃縮過程下污泥性質(zhì)的變化由圖 3可見.隨著濃縮過程的進(jìn)行,污泥中的SMP和sCOD的濃度呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì),這是由于在有機(jī)負(fù)荷的增加的情況下,微生物的增長(zhǎng)過程會(huì)增加代謝產(chǎn)量［14］.然而EPS的比污泥濃度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)（圖3（a））.Wang等［15］在使用MBR濃縮剩余污泥時(shí)也同樣發(fā)現(xiàn)污泥上清液中 SMP和膠體類物質(zhì)含量在增加的同時(shí)EPS的含量卻在降低.在高M(jìn)LSS濃度下的DSVI和FI量值高于其在低MLSS濃度下的情況,然而濃縮過程中兩者并沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)（圖3（b））.PSD和毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）的量值在濃縮過程中表現(xiàn)出了相反的變化趨勢(shì)（圖3（c））.PSD在污泥濃縮過程中逐漸減小,這是由于隨著有機(jī)負(fù)荷和 MLSS濃度的增加,為保證好氧池內(nèi)的DO濃度（控制在1～2mg/L）,曝氣量也隨之增大（由16m3/h提高到了220m3/h）,因此加大了對(duì)污泥絮體的剪切作用,致使污泥絮體粒徑的減小.同樣,通過CST的量值的增加可以知道,污泥的濃縮過程導(dǎo)致了污泥可濾性的降低.具體的污泥參數(shù)與膜滲透性相關(guān)性的分析由表2所示.

圖3　濃縮過程下EPS, SMP, sCOD, DSVI, FI, CST, PSD的變化Fig.3　Variations in, EPS, SMP, sCOD, DSVI, FI, CST, PSD throughout thickening process

2.2.1MLSS濃度對(duì)膜滲透性的影響在以往考查MLSS濃度對(duì)MBR影響的研究中,重點(diǎn)主要集中在對(duì)膜污染的影響上,而且研究的結(jié)果各不相同［16］,這也許是由于研究者的反應(yīng)器形式以及考查的 MLSS濃度范圍不同所致.一般來講,MLSS濃度的提高必定會(huì)提高膜組件抽吸的顆粒物負(fù)荷,因此在膜曝氣沖刷有限的條件下,污泥顆粒物在膜絲廊道內(nèi)的積累量會(huì)增加,從而引起膜滲透性能的下降.由表2可知,MLSS濃度與膜滲透性呈現(xiàn)很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性（rp=-0.958,P= 0.000）,表明在污泥濃縮過程中 MLSS濃度顯著地影響著膜的滲透性.Le-Clech等［4］在研究中發(fā)現(xiàn),在低MLSS濃度（MLSS濃度≤8g/L）下運(yùn)行時(shí)大分子質(zhì)量溶解性有機(jī)質(zhì)是導(dǎo)致MBR工藝膜滲透性降低的主要因素,而隨著MLSS濃度的升高,污泥當(dāng)中的顆粒物組分會(huì)對(duì)膜的滲透性會(huì)產(chǎn)生顯著的影響.

表2　污泥參數(shù)與膜滲透性線性相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2　Statistical results of linear correlations between sludge parameters and membrane permeability

2.2.2EPS、SMP與 sCOD對(duì)膜滲透性的影響EPS和SMP常被用來作為膜污染因子.EPS在保證為微生物絮體的完整性方面起到了很大的作用,其可以為微生物絮體以及生物膜內(nèi)部細(xì)菌的聚集、粘連提供一個(gè)良好的保護(hù)區(qū)域［17］. EPS通過吸附到膜孔或沉積到膜表面形成膜污染,從而導(dǎo)致膜滲透性的下降.SMP通常與微生物細(xì)胞代謝過程或生物量衰減有關(guān),其大分子質(zhì)量組分在膜孔內(nèi)形成的吸附或堵塞成為不可逆污染的主要貢獻(xiàn)者.在膜的抽吸作用力下,SMP不能被水力剪切的作用給予較高的反向傳輸速度,因此很容易地沉積到膜表面上［18］.sCOD則是表征了污泥組分中溶解性有機(jī)質(zhì)和膠體類物質(zhì)的含量.由表2可知,SMP和sCOD與膜滲透性具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性（rp=-0.822,P=0.000；rp= -0.850,P=0.000）,表明SMP和sCOD含量的增加會(huì)導(dǎo)致摸滲透性的降低,說明濃縮過程下膜的污染程度也在增加；然而EPS比MLSS濃度與膜滲透性卻呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性（rp=0.782,P=0.000）,可以推斷在污泥濃縮過程中污泥絮體附著性的EPS產(chǎn)量減少的同時(shí)溶解態(tài)SMP的產(chǎn)量在增加.

2.2.3DSVI與FI對(duì)膜滲透性的影響污泥沉降性經(jīng)常被用來作為評(píng)估污泥膨脹和絮凝能力的指示性參數(shù),污泥的沉降性對(duì)于膜生物反應(yīng)器內(nèi)污泥的可濾性及膜污染的影響很大［19］. Meng等［20］在研究中發(fā)現(xiàn)解體污泥導(dǎo)致的膜污染速率高于常規(guī)污泥,這主要是由于解體污泥中含有較高濃度的EPS和SMP所致.然而由表2可知,在污泥濃縮過程中,污泥的沉降性能與膜滲透性存在較弱的負(fù)相關(guān)性（rp=-0.469,P=0.001）,表明污泥的沉降性能對(duì)膜滲透性的影響不大,這與 Kim等［21］的研究結(jié)果不同.同樣FI與膜滲透也存在著較弱負(fù)相關(guān)性（rp=-0.562,P=0.000）,表明絲狀菌的繁殖程度與膜的滲透性并沒有必然的聯(lián)系.盡管FI在由低MLSS濃度時(shí)的1～2 提高到了高M(jìn)LSS濃度時(shí)的 3～4,但是在整個(gè)試驗(yàn)的運(yùn)行過程中并沒有發(fā)生嚴(yán)重地污泥膨脹和污泥泡沫現(xiàn)象.因此FI并不能夠指示污泥的可濾性或者膜滲透性.

2.2.4PSD與CST對(duì)膜滲透性的影響由2.2可知隨著曝氣剪切力的增加,污泥絮體遭到破壞,從而導(dǎo)致污泥粒徑在濃縮過程中減小,同時(shí)導(dǎo)致污泥組分中膠體類物質(zhì)增多.由表2可知,污泥粒徑與膜滲透性存在著較強(qiáng)的正相關(guān)性（rp=0.831, P=0.000）,這與 Lim等［5］的研究結(jié)果一致.較小粒徑的污泥顆粒更容易在膜表面上沉積,并且會(huì)增加濾餅層的密實(shí)度.CST常常作為污泥脫水性和可濾性的指示性指標(biāo).較高的CST值通常表示污泥的脫水性和可濾性變差.由表2可知,CST與膜的滲透性具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性（rp=-0.831,P= 0.000）,表明 CST對(duì)膜滲透性具有較為顯著的影響,污泥可濾性變差的同時(shí)也映現(xiàn)了膜滲透性的降低.Wang等［15］采用CST來作為膜滲透性降低的非線性指示指標(biāo).

2.3MLSS濃度與其他污泥參數(shù)的相關(guān)性關(guān)系

整體來講,MLSS濃度的增加會(huì)提高污泥中的顆粒物、膠體類物質(zhì)以及溶解性物質(zhì)的組分含量.由表3可知,MLSS濃度與EPS、SMP及sCOD存在較強(qiáng)的相關(guān)性（rp=-0.828,P=0.000；rp=0.900, P=0.000；rp=0.899,P=0.000）,再次證明污泥絮體代謝過程中EPS和SMP的產(chǎn)量存在著動(dòng)態(tài)平衡.此外,MLSS濃度與PSD、CST同樣存在著較強(qiáng)的相關(guān)性（rp=-0.879,P=0.000；rp=0.901,P=0.000）,表明 MLSS濃度顯著地影響著污泥的可濾性, MLSS濃度增加的情況下,污泥的可濾性變差, MLSS濃度可以指示污泥的可濾性.然而DSVI、FI與MLSS濃度的存在較弱的相關(guān)性（rp=-0.494, P=0.001；rp=0.638,P=0.000）,MLSS濃度不能指示污泥的沉降性能.

表3　MLSS濃度與其他污泥參數(shù)線性相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3　Statistical results of linear correlations betweenMLSS concentration and other sludge parameters

由于污泥參數(shù)中除DSVI與FI之外對(duì)膜滲透性的影響較大,并且MLSS濃度與這些參數(shù)的相關(guān)性良好,因此可以采用MLSS濃度這一單一指標(biāo)來指示膜滲透性,具體的擬合結(jié)果如下：

式中：L為膜的滲透性,10-5L/（m2·h·Pa）；ρMLSS為 MLSS濃度,g/L.

2.4膜滲透性恢復(fù)

在整個(gè)試驗(yàn)中,膜絲廊道內(nèi)積累的堵塞固體干重質(zhì)量在0.01～6.4kg變化.在MLSS濃度低于18g/L運(yùn)行時(shí)并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的堵塞固體的積累（GACS＜0.25g/m2）,經(jīng)過污泥濃縮之后GACS達(dá)到了120g/m2左右.由表4可知,MLSS濃度與GACS存在較弱的正相關(guān)性（rp=0.540,P=0.028）,在一定程度上表明MLSS濃度的增加,膜絲廊道內(nèi)積累的堵塞顆粒物增多.此外,MLSS濃度與K具有較強(qiáng)的相關(guān)性（rp=0.852,P=0.000）,表明MLSS濃度對(duì)膜表面顆粒物的截留率影響很大,也直接反映出MLSS濃度的越大,膜組件對(duì)污泥中的顆粒組分的截留效果越明顯.膜滲透性絕對(duì)恢復(fù)量（△L）, 是MBR工藝在MLSS濃度處于20～35g/L時(shí)采用離線清堵聯(lián)合強(qiáng)化學(xué)反洗的方式實(shí)現(xiàn)的,其恢復(fù)量的范圍在 70～170×10-5L/（m2·h·Pa）.MLSS濃度與△L的存在較弱的相關(guān)性（rp=0.467,P= 0.045）,在一定程度上反映出隨著 MLSS濃度的增加,膜滲透性絕對(duì)恢復(fù)量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì).因此MLSS濃度可以用來表征膜的堵塞性能.

表4　MLSS濃度與膜滲透性恢復(fù)線性相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4　Statistical results of linear correlations between MLSS concentration and membrane permeability recovery

圖4　高M(jìn)LSS濃度下不同清洗方式對(duì)膜滲透性恢復(fù)的影響Fig.4　Effects of different cleaning methods on the membrane permeability recovery at high MLSS concentrations

MBR工藝在低MLSS濃度下運(yùn)行時(shí),由于沒有明顯的膜堵塞存在,可以單獨(dú)采用CEB的清洗方式實(shí)現(xiàn)膜滲透性的可持續(xù)恢復(fù).然而在高M(jìn)LSS濃度運(yùn)行時(shí),單獨(dú)CEB的清洗方式對(duì)膜滲透性的恢復(fù)不存在可持續(xù)性.由圖4可見,在前一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束之后,在相同的低凈通量（5～ 6L/（m2·h））運(yùn)行下,單獨(dú) CEB及離線清堵聯(lián)合CEB的方式均可以將膜滲透性恢復(fù)到相同的水平（150 ×10-5L/（m2·h·Pa）左右）,然而即使是在相同低通量（5～6L/（m2·h））運(yùn)行的條件下,單獨(dú)采用CEB清洗后的膜滲透性在7h之內(nèi)急劇地降低到了20×10-5L/（m2·h·Pa）,而采用離線清堵聯(lián)合CEB清洗后的膜滲透性僅降低到了 100×10-5L/（m2·h·Pa）. 在整個(gè) 30h之內(nèi),為了維持運(yùn)行,需要進(jìn)行4次單獨(dú)CEB的清洗作業(yè),說明在發(fā)生嚴(yán)重膜堵塞的情況下,單獨(dú)CEB的清洗方式對(duì)膜滲透性的可持續(xù)恢復(fù)具有一定的局限性,只有依靠離線清堵聯(lián)合CEB的清洗方式才能保證系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行.

3　結(jié)論

3.1通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,在MBR工藝濃縮過程下MLSS濃度比其它污泥性質(zhì)（EPS,SMP,sCOD, DSVI,FI,PSD,CST）對(duì)膜滲透性更具有顯著影響；在高M(jìn)LSS濃度運(yùn)行下,常用來指示膜污染程度的膜污染因子SMP, EPS和FI對(duì)膜滲透性的影響不大；

3.2MLSS濃度與固體截留率 K具有良好的相關(guān)性,并且 MLSS濃度在一定程度上反映了強(qiáng)化化學(xué)反洗聯(lián)合離線清堵之后的膜滲透性恢復(fù)水平,MLSS濃度可以作為膜堵塞性能的指示性指標(biāo)；

3.3強(qiáng)化化學(xué)反洗的方式對(duì)膜滲透性的恢復(fù)水平取決于膜堵塞性能；在低通量（5～6L/（m2·h））的操作條件下,離線清堵聯(lián)合強(qiáng)化化學(xué)反洗的方式可以保證MBR在高M(jìn)LSS濃度下成功地實(shí)現(xiàn)膜滲透性的可持續(xù)恢復(fù).

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Assessment of biomass characteristics and membrane permeability in a membrane bioreactor under thickening operation.

WANG Zhao-zhao1,2*, LI Si-min1, ZHENG Zhao-ming2, LI Jun2（1.College of Urban Construction, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China；2.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2367～2374

A pilot-scale aerobic membrane bioreactor （MBR） process was operated to treat municipal wastewater regarding on the influences of biomass characteristics on membrane permeability as well as the membrane permeability recovery. Sucrose solution was added to maintain system operation of a constant food to microorganisms （F/M） ratio at 0.13 and a series of physicochemical and biochemical parameters of activated sludge were also measured throughout the whole trial, with correlations between biomass properties and membrane permeability as well as the membrane permeability recovery were further assessed by using Statistical Product and Service Solutions （SPSS） analyses. Results showed the mixed liquor suspended solids （MLSS） concentration exerted the greatest influence on membrane permeability （rp=-0.958, P=0.000）； soluble microbial products （SMP） concentration, soluble chemical oxygen demand （sCOD） concentration and particle size diameter （PSD） had similar weaker effects on membrane permeability （|rp|=0.82～0.85）. Whereas the sludge settleability, and filamentous index （FI） had no evident influences on membrane permeability. The accumulated clogged solids （ACS） in membrane channels and absolute membrane permeability recovery increased with the increasing MLSS concentrations, implying that the MLSS concentration had direct effects on membrane clogging propensity and further proved that membrane clogging being another important factor affecting the membrane permeability except for membrane fouling. The off-line declogging combined with enhanced chemically backflushing （CEB） could ensure the sustainable membrane permeability recovery under the condition of low-flux ［5～6L/（m2·h）］ operation at high MLSS concentrations.

membrane bioreactor；sludge thickening；biomass characteristics；membrane permeability；membrane clogging

X703.5

A

1000-6923（2015）08-2367-08

2014-12-28

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX07203003）

* 責(zé)任作者, 講師, W-Z-Z@163.com

王朝朝（1985-）,男,河北邯鄲人,博士,講師,主要從事膜生物反應(yīng)器污水處理工藝技術(shù)研究.發(fā)表論文20余篇.