懸浮填料延緩DMBR膜污染的研究

趙秋燕，宋　箭，伍昌年，方　濤，鮑　超，孔張成，孫冰香，張　睿，楊　浩

懸浮填料延緩DMBR膜污染的研究

趙秋燕，宋箭，伍昌年，方濤，鮑超，孔張成，孫冰香，張睿，楊浩

（安徽建筑大學水污染控制與廢水資源化安徽省重點實驗室，安徽合肥，230601）

采用兩組平行動態(tài)膜生物反應器（DMBR）處理模擬生活污水，對比研究投加懸浮填料對DMBR中污泥混合液特性、胞外聚合物（EPS）及膜污染的影響。投加和未投加懸浮填料的反應器分別記為反應器A、B。實驗結果表明：運行期間，反應器A混合液中污泥濃度、Zeta電位降低與粘度增加程度、膜通量衰減及膜阻力增大速度均小于反應器B，且Zeta電位與蛋白質含量呈強負向相關、而粘度與多糖含量呈強正向相關。由反應器A、B膜基材的掃描電鏡可直觀地看出，未投加懸浮填料的膜表面沉積大量的污染物，致使膜孔堵塞；而投加懸浮填料的膜表面污染物較少，抗污染性能明顯有所改善。在DMBR中投加懸浮填料有利于延緩膜污染。

動態(tài)膜生物反應器 懸浮填料 膜污染

0　引 言

動態(tài)膜生物反應器（Dynamic Membrane Bioreactor, DMBR）是一種將動態(tài)膜過濾技術和生物處理工藝相結合的污水處理工藝[1]，與傳統(tǒng) MBR相比，動態(tài)膜生物反應器在保留膜生物反應器工藝優(yōu)點的同時，可大幅降低過濾組件的造價，同時還具有出水水質優(yōu)良、通量大、抗污染能力顯著提高、膜污染清除簡易、依靠自流出水、能耗小等突出優(yōu)點[2]。DMBR的膜污染與MBR的膜污染形式相似，即小分子溶質被膜孔吸附和大分子溶質阻塞膜孔并堆積在膜表面使濾餅層增厚，引起膜污染。根據(jù)影響膜污染的因素，通常集中在3方面[3]：膜組件抗污染性質的改進、運行條件的優(yōu)化及活性污泥混合液特性的改善。目前，應用最為廣泛的是向DMBR中投加物質以改變污泥混合液特性延緩膜污染[4]。懸浮填料投入到DMBR中，可為微生物提供載體，降低活性污泥濃度，減小混合液的黏度，進而減緩了膜污染[4]。本文采用兩組DMBR平行系統(tǒng)，研究投加懸浮填料對膜污染的影響及控制，考察污泥混合液特性、胞外聚合物對膜通量及膜阻力的影響，進而為延緩和控制膜污染提供切實可靠的方法和理論依據(jù)。

1　實驗裝置和方法

1.1實驗裝置裝置

實驗裝置如圖1，兩組平行裝置均由有機玻璃制成的進水箱、缺氧池、DMBR組成。缺氧池和DMBR有效容積均為15 L。其中一組DMBR內置懸浮填料（記為反應器A），聚丙烯材質、中空結構，規(guī)格為φ10 mm、填充率為30%左右。運行期間，懸浮填料置入塑料籠內以避免懸浮填料在動態(tài)膜表面摩擦影響動態(tài)膜的形成。膜組件有效過濾面積為0.052 m2，膜基材為300目的尼龍布。池底部用微孔曝氣軟管進行曝氣（DO控制在2～3 mg/L），污泥回流比為200%。DMBR以間歇方式出水，運行5 min，停止1 min，HRT為12 h，SRT為45 d。

圖1　實驗流程示意圖

1.2實驗廢水水質及污泥特性

實驗進水為模擬生活污水水質：用工業(yè)級葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4和微量元素等混合配制，其物質的質量濃度分別為COD為300～400 mg/L，TN為45～55 mg/L，TP為4.5～5.5 mg/L，適量加入微量元素。

試驗接種污泥取自合肥市某污水廠好氧池，MLSS在4000 mg/L左右，SV30為25%左右，沉降性能較好。在顯微鏡下可觀察到活性污泥中微生物較多。

1.3分 析項目與方法

EPS采用甲醛-氫氧化鈉法提取[5]，提取液中的蛋白質、多糖分別采用考馬斯亮藍G-250法[6]和苯酚硫酸法[7]；MLSS采用重量法；混合液粘度和Zeta電位分別采用NDJ-8S旋轉粘度計測定和Zetasizer NS90測定。

2　結果與討論

2.1污泥濃度變化

在DMBR的應用中，污泥濃度（MLSS）作為一個重要的工藝參數(shù)，不僅影響系統(tǒng)的處理效果，而且是影響膜污染的重要因素[8]。 運行期間，A、B反應器內MLSS變化情況如圖2所示。馴化階段，反應器不排泥，MLSS迅速增加，在正式啟動時，反應器內MLSS達7000 mg/L左右。在正式運行期間，每天定量排泥，將SRT控制在45 d。

圖2　污泥濃度對比

由圖2可看出，A、B反應器在運行期間MLSS呈下降趨勢，這可能是因為每天定量排泥所致。運行后期，反應器B中MLSS穩(wěn)定在5500 mg/L左右，而反應器A中MLSS僅在4300 mg/L左右，A反應器內懸浮污泥中的MLSS明顯比B反應器內的少，原因是隨著運行時間的延長，A反應器內附著在懸浮填料上的活性污泥量逐漸增加，因此降低了反應器內懸浮的污泥濃度，進而減少了膜表面濾餅層污泥的沉積量。

2.2 Zeta電位變化

Zeta電位反映污泥混合液的電位情況，能客觀地體現(xiàn)活性污泥性質的變化趨勢。隨著 Zeta電位的降低，膜阻力呈線性增加趨勢，即Zeta電位越低，膜污染越嚴重。Wilén[9]等人研究發(fā)現(xiàn)，EPS中蛋白質是影響污泥顆粒帶電的決定性因素。蛋白質中所含的硫酸根、磷酸根和羧基等帶負電，可導致污泥混合液的Zeta電位降低[10]。污泥混合液的Zeta電位和蛋白質含量隨運行時間的變化如圖3所示。

圖3　Zeta電位對比

由圖3可以看出，反應器A、B混合液中蛋白質含量（mg/gMLSS）從7.10、8.19增加到30.49、33.80，Zeta 電位（mv）分別從-5.98、- 6.32降低到 -12.12、-16.23，Zeta電位與蛋白質含量呈強負向相關（RA= -0.972，RB= -0.963）。經(jīng)對比可知，反應器B中Zeta電位隨蛋白質含量增加而降低速度較反應器A快。

2.3混合液粘度變化

混合液粘度的增大不僅會使污泥絮體易于粘附在膜表面，而且導致曝氣產生的氣液流速降低，使膜表面形成的剪切作用減小，減緩對膜表面濾餅層的沖刷，加劇膜污染[11]。EPS中多糖為親水性大分子，其粘性力較大，多糖含量積累可使混合液粘度增加，使其易吸附在膜表面，形成粘性較強的凝膠層[12]。圖4為混合液粘度與多糖含量運行期間的變化。

圖4　混合液粘度對比

如圖4所示，A、B反應器多糖含量（mg/ gMLSS）由9.04、9.54增加到27.27、29.06，混合液粘度（mpa?s）分別由1.17、1.2增加到1.47、1.68，且混合液粘度與多糖含量呈強正向相關（RA=0.942，RB=0.920）。對比后可知，反應器B內混合液粘度隨多糖含量增加而增加的速度較快。

2.4膜通量及膜阻力變化

式中，R為膜阻力，m-1；ΔP為跨膜壓差，kPa；0μ為混合液粘度，mPa?s；J為膜通量，L?m-2?h-1。兩組反應器膜通量與膜阻力隨時間的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5　膜通量與膜阻力對比

由圖5可知，反應器B膜通量下降速率，膜阻力增加速率均比反應器A快。主要是由于隨運行時間的延長，附著在懸浮填料上污泥量增加，降低了混合液中活性污泥的濃度，進而降低引起膜污染的EPS濃度。此外，懸浮填料在曝氣環(huán)境下在反應器局部范圍自由移動，增大了混合液的紊流，進而能減少膜組件表面泥餅層沉積量，膜通量衰減、膜阻力增加速率均有所減小。

2.5膜表面掃描電鏡分析

截取A、B反應器中運行一個月后的膜組件上的一小塊尼龍布，分別進行掃描電鏡觀察，獲取兩塊尼龍布SEM照片并與原始新尼龍布表面進行對比，如圖6所示

圖6　掃描電鏡對比分析

從SEM圖上可看出，新鮮尼龍布表面光滑、膜孔清晰可見，而污染后的膜表面粗糙、膜孔均被泥餅覆蓋。對比6.a與6.b可知，投加懸浮填料的膜表面附著的污染物較少，仍可辨別膜表面的孔狀結構；而未投加懸浮填料的膜表面沉積了大量的污染物質，污染層已將膜孔堵塞。反應器A中濾餅層污泥沉積量的降低是由于反應器內懸浮污泥量的減少而致。通過掃描電鏡觀察，可直觀的判斷投加懸浮填料可延緩膜污染。

3　結論

投加懸浮填料的A反應器混合液中Zeta電位隨EPS中蛋白質含量遞減速率，粘度隨EPS中多糖含量遞增速率均比B反應器快。DMBR中的懸浮填料可為污泥提供附著點，降低混合液中懸浮生長的活性污泥量，減少膜表面濾餅層污泥的沉積量，進而延緩了膜通量降低與膜阻力的增加速度，減少了膜組件清洗次數(shù)。觀察SEM可看出A反應器中膜組件上附著的污染物明顯比B反應器少。綜上可知，投加懸浮填料有利于延緩膜污染。

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Study on the Effects of Suspension Packing on Dynamic Membrane Bioreactor Membrane Fouling

ZHAO Qiuyan, SONG Jian, WU Changnian, FANG Tao, BAO Chao KONG Zhangcheng, SUN Bingxiang, ZHANG Rui, YANG Hao
(Provincial Key Laboratory of Water Pollution Control and Wastewater Reutilization, School of Environment and Energy Engineering, Hefei, 230601)

Two paralleled dynamic membrane bioreactor (DMBR) were employed to treat simulation of sewage, and the effect of sludge mixture characteristic, extracellular polymers (EPS) and membrane fouling with the addition of suspension packing were studied. Reactors (with and without suspension packing ) were named as reactor A and B. It was shown that reactor A was lower than reactor B in MLSS, Zeta potential decline, sludge viscosity increase, membrane flux decline and transmembrane pressure increase during operation. The content of protein had positive correlation with Zeta potential, and the content of polysaccharide had negative correlation with viscosity. Scanning electron microscopy (SEM) of nylon fabric in two reactors showed the membrane surface without suspension packing deposited pollutants, the film hole were blocked. And less pollutants in the membrane surface added suspension packing, pollution resistance was improved significantly. It could be concluded that suspension packing has positive effects on controlling membrane fouling.

dynamic membrane bioreactor suspended packing membrane fouling

X703

A

2095-8382(2016)03-059-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160313

2015-12-23

國家水體污染控制與治理科技重大專項課題(2014ZX07405003)

趙秋燕（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向為： 水處理理論與技術。