MBR運行條件的優(yōu)化實驗研究

張寶藝，梁乾偉，潘寧女原，郭 瑩，秦王赟，吳英旭，李永峰

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

MBR運行條件的優(yōu)化實驗研究

張寶藝，梁乾偉，潘寧女原，郭 瑩，秦王赟，吳英旭，李永峰

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

膜生物反應器(Membrane Bioreactor，MBR)是將活性污泥法與膜分離技術相結合的一種高效、穩(wěn)定的新型污水處理技術。研究了操作條件對MBR運行效能和膜污染狀況的影響，結果表明，MBR在HRT為10 h，曝氣強度為0.6 m3/h，抽停時間比例為9:3 min的條件下能夠得到較理想的處理效果，對COD、氨氮、總磷和濁度的平均去除率分別達到94.0%、96.5%、30.0%和96.8%，運行1個月之后TMP達到45.5 kPa左右。雖然污染物去除效率較高，但是膜污染沒有得到顯著改善。被污染的膜組件通過自來水清洗，熱水清洗，次氯酸鈉清洗和浸泡以及乙醇反沖洗等進行清洗后，膜通量可以恢復到新膜的95.3%，有效的清洗方式延長了膜組件的使用壽命。

膜生物反應器；膜污染；運行條件

膜生物反應器是將膜分離技術與活性污泥法結合而成的一種污水處理再生系統(tǒng)[1]，生物反應相和膜組件設備是MBR的核心部件。將待處理水輸送到MBR后，生物反應池中活性污泥所含的微生物利用同化和異化作用來分解、硝化待處理水中的可生化污染物。膜組件的主要作用是截留微生物和過濾出水。膜具有選擇透過性，能夠?qū)⒒旌弦褐形⑸镄躞w和大分子有機物截留下來，延長了微生物在反應器中的停留時間，即延長了污泥齡[2]，同時能夠使反應器中的微生物量保持在較高的水平，有利于提高微生物對有機物的分解效率。膜組件有效地進行泥水分離，可以完全取代二沉池。經(jīng)MBR處理的出水水質(zhì)良好，可以直接進行回用。系統(tǒng)很少排泥，具有較高的抗沖擊能力。MBR是一種較為高效的水處理工藝，但由于膜污染問題的存在限制了其進一步的推廣和應用，目前控制膜污染的方法主要有改善膜材料的特性、優(yōu)化操作條件、改善混合液特性等。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗采用一體式MBR，試驗裝置示意如圖1所示。裝置主要由進水箱、膜組件、生物反應池、曝氣裝置、出水箱、溫控儀等部分組成。其中生物反應池由有機玻璃制成，尺寸為70 cm×52 cm×53 cm，有效容積為125 L。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 試驗材料與儀器

1.2.1 試驗材料

1.2.1.2 膜組件

實驗采用的膜組件為聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜，其具體尺寸為460 mm× 320 mm×5 mm，孔徑為0.2 μm，纖維內(nèi)外徑比為0.6:1.1 mm，膜面積為1 m2，膜通量為10 L/(m2·h)，反應器中并排放置三片膜組件，放置于生物反應池的中上部，距離池底17 cm，膜組件之間的距離為13 cm。

1.2.1.3 接種污泥和試驗用水

接種污泥取自哈爾濱市文昌污水處理廠二次沉淀池，接種污泥濃度為10 g/L，接種量為50 L。

1.2.2 試驗儀器

試驗所用儀器設備如表1所列。

表1 試驗儀器

1.3 試驗設計

1.2.3 污泥的培養(yǎng)與馴化

試驗所用的接種污泥是取自哈爾濱文昌污水處理廠二沉池中的污泥，經(jīng)過過濾、淘洗等操作去除其中的雜物，然后在50 L的塑料桶內(nèi)進行悶曝，間歇排水，進行活性污泥的培養(yǎng)，培養(yǎng)期間適當加入了一些營養(yǎng)物質(zhì)，如微生物所需的碳源(紅糖)、氮源(NH4Cl)、磷源(KH2PO4)以及微量元素等，以加速活性污泥的培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中每天需要停止曝氣1 h進行靜置處理，以除去上層清液并加入清水。經(jīng)過1個月的培養(yǎng)和馴化之后，可觀察到污泥的絮狀結構明顯增多，在污泥馴化末期，污泥的顏色由未馴化的黑色變?yōu)榛液稚?，鏡檢發(fā)現(xiàn)馴化后的活性污泥中存在一定數(shù)量的鐘蟲、輪蟲等原生動物，污泥沉降性良好，此時認為污泥的培養(yǎng)馴化已經(jīng)完成，可進入正式試驗。

1.4 試驗的運行與控制

采用連續(xù)流的運行方式，在進水COD為300～400 mg/L，氨氮濃度為30～40 mg/L，溫度為20℃的條件下啟動反應器，分別對水力停留時間(HRT)、曝氣強度和抽停時間比例進行優(yōu)化設計。

HRT分別設置為9,10,11 h，曝氣強度分別設置為0.2，0.4，0.6，0.8 m3/h，抽停時間比例分別設置為6:3、9:3、12:3 (min)。

得到適宜的MBR運行條件后不投加填料運行反應器1個月，考察MBR對污水的處理效率以及膜污染的情況。

2 結果與討論

2.1 HRT的優(yōu)化

HRT在微觀上影響著水體的流態(tài)，對微生物的生長、生物膜的厚度、水體與微生物之間的傳質(zhì)等有著一定的影響[3]，因此它是生物反應器中一個很重要的控制參數(shù)，與反應器的容積和所需的膜面積有著直接關系，而且還會影響到處理設施和投資的多少，所以在保證理想的出水水質(zhì)的前提下，確定最適宜的 HRT 具有重要的工程價值。

2.1.1 HRT對有機物去除的影響

不同HRT下MBR對有機物的去除情況如圖2所示。

圖2 HRT對COD去除的影響

在HRT分別為9 h、10 h和11 h時，COD的平均去除率分別為84.63%、90.09%和90.93%。COD去除率隨HRT的增長而提高，但在不同增長的區(qū)間的增加幅度并不相同，當HRT由 9 h 增加到 10 h 時增加幅度較大，當HRT為 11 h 時能夠達到較好的水平，但是去除率的增加幅度較小。

試驗結果表明，微生物作用在水處理過程中需要一定的時間保證，在一定范圍內(nèi)，HRT越長，有機物去除效果越好，但是處理投資規(guī)模也會相應提高。適宜的HRT需要同時兼顧處理效率和投資成本。

2.1.2 HRT對氨氮去除的影響

HRT對氨氮的去除效果如圖3所示。

圖3 HRT對氨氮去除的影響

由圖3可知，MBR系統(tǒng)對氨氮的去除率與COD去除率呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，隨著HRT的延長氨氮去除率提高，在不同的區(qū)間增長幅度也不相同。當HRT由9 h增加到 10 h時增加幅度較大，平均去除率由86.93%增加到92.22%，HRT延長1 h對氨氮去除率有較大影響。HRT為10 h和11 h時，對氨氮去除率的影響不是很大，平均去除率分別為92.22%和92.56%，相差較小。經(jīng)分析認為，硝化菌是自養(yǎng)型微生物，硝化反應需要較長時間，在過短的HRT下，使得系統(tǒng)內(nèi)氨氮負荷增大并且污水與微生物接觸時間縮短，造成硝化效果不理想。

2.1.3 HRT對膜污染的影響

膜污染情況可以用跨膜壓差(TMP)來表示。根據(jù)膜組件設計的要求，在恒流抽吸條件下，管道吸引壓力需保持在5～50 kPa的范圍內(nèi)才能延長膜的使用壽命，當TMP超過50 kPa就需要對膜組件進行清洗。在恒流抽吸作用下運行MBR，隨著膜污染的加劇，TMP會不斷升高。圖4是HRT對膜污染的影響情況。

從圖4中可以看出，較短得HRT條件下，膜污染進程明顯加快，當HRT為9 h時，經(jīng)過15 d的運行，TMP就已經(jīng)達到44.1 kPa，因為當HRT較短時相應的流量就大，在水流紊動下，污染物能夠快速移動并積聚到膜表面沉積下來。當HRT延長1 h時，膜污染改善情況較為顯著，運行至15 d時TMP比HRT為9 h時降低了10.2 kPa。再將HRT延長至11 h時，膜污染進程也有所減緩，但是減緩程度不明顯。所以將HRT控制在10 h，既可以減緩膜污染，同時可保證每日的處理量。

圖4 HRT對膜污染的影響

2.2 曝氣強度的優(yōu)化

曝氣強度與水中溶解氧濃度密切相關，影響著微生物的生長狀態(tài)，因此，選擇合適的曝氣強度對MBR的處理效率起著關鍵作用[4]。

2.1 曝氣強度對有機物去除的影響

圖5顯示了曝氣強度對COD去除效果的影響。

圖5 曝氣強度對COD去除的影響

從圖5可以明顯看出在不同的曝氣強度下，COD的去除情況變化較大。曝氣量為0.2，0.4，0.6，0.8 m3/h時，COD的最大去除率分別為71.4%、86.5%、95.4%、95.4%，隨著曝氣量的增大，COD去除率逐漸升高。但是當曝氣強度達到0.8 m3/h時，最大去除率和0.6 m3/h時基本相同，而經(jīng)過10 d的反應，去除率出現(xiàn)明顯下降，主要是因為曝氣強度太大，打碎了污泥絮體，從而對微生物的生長造成較大的影響。當曝氣量為0.6 m3/h時，COD的去除率變化不大，穩(wěn)定在93.6%～95.4%，去除效果良好。

2.2 曝氣強度對氨氮去除的影響

曝氣強度對氨氮去除效果的影響如圖6所示，可以看出曝氣強度對氨氮去除的影響規(guī)律和對COD去除的影響相似。當曝氣強度為0.6 m3/h時，氨氮的去除率達到最高，此時氨氮的平均去除率為95.82%，最大去除率為97.3%。曝氣強度為0.2 m3/h時，溶解氧含量較低，氧的傳質(zhì)效率也較低，氨氮的去除率比較低，平均去除率只有84.5%左右。提高曝氣強度能夠微生物提供足夠的溶解氧，但是曝氣強度過大時，一方面會增加動力消耗，另一方面由于對污泥絮體的破壞嚴重影響了氨氮去除率，當曝氣強度為0.8 m3/h時，氨氮去除率下降到90%左右。

圖6 曝氣強度對氨氮去除的影響

2.3 曝氣強度對膜污染的影響

圖7是在不同曝氣強度下膜污染的變化情況,從圖中可見，在前6 d膜污染最嚴重，之后膜污染速度逐漸減緩，曝氣強度為0.2 m3/h時，由于對膜組件的沖刷作用較小，不足以將附在膜表面的污泥和微生物分泌的胞外聚合物沖刷回反應池導致膜污染持續(xù)發(fā)生，第13 d時TMP超過50kPa。隨著曝氣強度的增大，各組膜污染速率逐漸減緩，而當曝氣強度達到0.8 m3/h時，前6 d的膜污染速率較慢，主要是因為反應器內(nèi)有較高的錯流流速，污泥顆粒等污染物不易沉積到膜絲表面，但是大量氣泡對污泥絮體的沖擊作用也很大，會將部分絮體打碎，從而影響了其過濾特性，導致膜污染的加劇，因此，必須選擇合適的曝氣強度，既保證能為生物反應池提供充足的溶解氧，也要不影響污泥過濾特性。本試驗中最佳的曝氣強度為0.6 m3/h。

圖7 曝氣強度對膜污染的影響

2.4 抽停時間比例的優(yōu)化

為了充分保護膜組件，將停止抽吸的時間固定為3 min，逐漸增長抽吸時間來研究抽停時間比例對處理效率和膜污染的影響。

2.4.1 抽停時間比例對有機物去除的影響

圖8是不同抽停時間比例對COD去除效果的影響。當抽停時間為6:3和9:3 min時，COD的平均去除率分別為94.31%和94.62%，兩者相差很近。當增加抽吸時間到12 min時，COD的去除效率明顯下降，平均去除率為86.6%，且去除率波動變化較大。通過比較，當抽停時間為9:3 min時，COD的去除率較高，而且去除效果穩(wěn)定，是本試驗最適宜的時間。

圖8 抽停時間比例對COD去除的影響

2.4.2 抽停時間比例對氨氮去除的影響

不同抽停時間比例對氨氮去除效果的影響如圖9所示。當抽停時間為6:3 min時，系統(tǒng)對氨氮的去除能夠保持較高的效率，最大去除率可達97.5%，最終的去除率穩(wěn)定在95.4%～97.5%。增加抽吸時間到9 min時，雖然平均去除率也較高，達到95.1%，但是去除率上下波動較大。當抽吸時間增加到12 min時，氨氮去除率出現(xiàn)下降，最終穩(wěn)定在90.0%～92.5%。可見縮短抽吸時間有利于微生物對氨氮的硝化和反硝化，但是從處理量和運行成本的角度考慮，抽吸時間不宜過短，從試驗結果來看，抽停時間比例以9:3 min為宜。

圖9 抽停時間比例對氨氮去除的影響

2.5 抽停時間比例對膜污染的影響

圖10反映了不同抽停時間比例對膜污染進程的影響。當停止抽吸時間固定時，隨著抽吸時間的增長，膜污染的速率增加。當抽吸時間為6 min和9 min時，膜污染情況的規(guī)律相似，前6 d膜污染速率較大，之后膜污染逐漸變緩，最終TMP分別為32.5 KPa和35.2 KPa。而當抽吸時間為12 min時，膜污染持續(xù)加劇，運行相同的時間后，即第15 d TMP增加至45.5 KPa。在負壓抽吸的條件，污泥顆粒和微生物分泌的胞外聚合物會不斷沉積到膜表面，停止抽吸時在空曝氣條件下可以將部分污染物沖刷回反應池中，達到清洗的目的，但是如果長時間抽吸而停止時間較短，不能有效解除膜組件內(nèi)的負壓，不能使得污染物被錯流清洗，進一步加劇了膜污染，因此，選擇合適的抽吸時間比例對緩解膜污染，延長膜壽命至關重要。

從圖10中可以看出，6:3和9:3時，運行相同時間后，膜污染的程度相差不大，而運行時間太短會導致日處理量的下降，總體上提高了運行成本，所以綜合經(jīng)濟和效率兩方面因素來說，抽吸9 min停止3 min是比較合理的操作條件。

2.6 優(yōu)化條件下MBR運行效能

通過比較可以得出該反應器在HRT為10 h，曝氣強度為0.6 m3/h，抽停時間比例為9:3min條件下處理效率能夠達到較為理想的水平。水質(zhì)條件不改變，在該條件下正式運行反應器1個月，得到MBR穩(wěn)定運行的效能(后5 d的平均值)如表2所示。

圖10 抽停時間比例對膜污染的影響

水質(zhì)指標進水出水去除率/%COD/(mg/L)375.00(±25.00)18.25(±0.56)93.43～95.51氨氮/(mg/L)37.50(±2.50)0.94(±0.08)96.21～97.35TP/(mg/L)8.45(±0.83)6.05(±0.74)21.54～42.78濁度/NTU8.75(±0.27)0.20(±0.06)96.23～97.12TMP/kPa45.5(±3.5)

由表2中可以看出運行1個月之后出水水質(zhì)比較穩(wěn)定，COD和氨氮的去除率分別達到93.43%和96.21%以上，達到了較高的水平；對濁度的去除率也很高，遠高于一般生物反應器的處理效率。但是總磷的去除效果依然較差，說明MBR工藝的除磷效率與傳統(tǒng)工藝相比并沒有顯著提高。TMP主要體現(xiàn)了膜污染的情況，測得運行開始時的TMP為9.2 kPa，運行1個月之后達到45.5 kPa左右，已接近于膜組件要求的TMP范圍(5～50 kPa)上限，長期在這種條件下運行不僅出水水質(zhì)穩(wěn)定性不能得到很好的保障，而且會嚴重縮短膜組件的使用壽命。因此，還需要對MBR進行進一步的試驗和探索，尋求既能使處理效率進一步提高，達到中水回用要求，同時又能預防或減緩膜組件污染的運行方式或操作條件。

2.6.1 膜的清洗

即使在試驗過程中選擇了較合適的膜組件，優(yōu)化了操作條件，但經(jīng)過一段時間的運行和反應，生物反應池中的懸浮雜質(zhì)和污染物依然會堵塞膜孔，膜的透水性能隨運行時間的增長而下降是不可避免的，這會使得膜組件的使用壽命縮短，所以必須對膜組件進行清洗，使膜表面和膜孔內(nèi)污染物得到去除,使膜的透水性能得到一定程度的恢復,從而延長膜壽命的目的。

本試驗選擇的PVDF中空纖維膜組件為新膜時在操作壓力為10 kPa，溫度為20℃條件下，在清水中的初始膜通量為167 mL/min，經(jīng)過1個月時間的運行之后，從生物反應池中取出，在纖維束表面可以很明顯觀察到覆有一定量的污泥層，在膜的表面形成了一層生物膜，并且在中空纖維膜的纖維絲之間也存在不少的污泥。取出膜組件之后，將膜組件放入清水中，迅速測得污染后的膜通量為33.9 mL/min，此時的膜通量只有初始通量的20.3%。

膜組件清洗的操作步驟：先用自來水進行沖洗以去除膜表面覆蓋的污泥層，之后用熱水沖洗進一步去除膜表面和膜間隙的污染物，然后再用5%～7%的次氯酸鈉溶液進行清洗，并將膜組件在該溶液中浸泡24 h，最后用95%的乙醇進行反沖洗，每一操作之后進行測量膜通量。各種方法清洗之后膜通量的恢復情況如圖11所示。

圖11 各種方法清洗后膜通量恢復情況

由圖11可以看出，膜組件經(jīng)過一系列的清洗，最終的膜通量可恢復到新膜通量的95.3%，大大延長了膜組件的使用壽命。經(jīng)清洗后膜組件能夠恢復到較高的膜通量，一方面和運行條件有關，如適宜的曝氣量，曝氣孔釋放出的氣泡沖刷掉膜面的污染物避免沉積，同時不將污泥絮體沖擊破碎；另一方面和處理的水質(zhì)有關，如果含有酸堿等可對膜產(chǎn)生不可逆污染的物質(zhì)，需要在污水進入反應池之前進行調(diào)節(jié)以避免不可逆性污染的產(chǎn)生。

3 結論

通過在不同條件下對MBR的運行，探索了MBR運行的適宜條件，試驗結果表明：

(1)通過對比可以得出該反應器在其他條件不變時，HRT為10 h時的處理效率良好，同時膜污染也能得到有效控制，雖然在HRT為11 h時的運行效果更佳，但是相對于HRT為10 h時提高不明顯，而且考慮到要達到較高的處理量，所以HRT以10 h為宜；同樣的，在其他條件不改變時曝氣強度為0.6 m3/h，抽停時間比例為9:3min條件下處理效率能夠達到較為理想的水平。

(2)反應器在HRT為10 h，曝氣強度為0.6 m3/h，抽停時間比例為9:3 min條件下運行1個月后，COD、氨氮、總磷、濁度的平均去除率分別可以達到94%、96.5%、30%和96.8%，TMP可達到45.5 kPa左右。雖然在優(yōu)化后的條件下運行，MBR的處理效率較高，但對膜污染的控制效果仍然較差，經(jīng)過1個月的運行后膜組件的運行時的跨膜壓差已經(jīng)接近其正常工作的上限(50 kPa)，還需要進一步采取改進措施，改善膜污染的狀況，延長膜組件的使用時間。

(3)利用適宜的方法對膜進行清洗，可使膜表面和膜孔的污染物得到有效去除。通過自來水洗，熱水清洗，次氯酸鈉清洗和浸泡以及乙醇反沖洗等步驟對膜組件進行清洗后，膜通量由清洗前的33.9 mL/min上升至159.2 mL/min，恢復到新膜的95.3%，大大延長了膜組件的使用壽命。

[1]Aileen N, Albert S. A Mini-review of modeling studies on membrane bioreactor (MBR) treatment for municipal waters[J].Desalination, 2007,212(1-3):261-268.

[2] Strand S E, Harem G, Stensel H. Activated-sludge yield reduction using chemical uncouples. Water environmental research, 1999, 71(4): 45-48.

[3]陳 立, 耿新新, 馬琳娜, 等. MBR系統(tǒng)運行條件對污水中 COD 去除效果影響的實驗研究[J].水處理技術, 2015, 41(2):100-101.

[4] 周英群, 王士芬. 環(huán)境工程微生物學[M]. 3版. 北京:高等教育出版社, 2008:302-305.

(本文文獻格式：張寶藝，梁乾偉，潘寧女原，等.MBR運行條件的優(yōu)化實驗研究[J].山東化工，2017，46(08)：179-184.)

Experimental Study on Optimization of MBR Operating Conditions

ZhangBaoyi,LiangQianwei,PanNingyuan,GuoYing,QinWangyun,WuYingxu,LiYongfeng

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Bioreactor (Membrane, MBR) is a new type of wastewater treatment technology, which combines the activated sludge process with membrane separation technology. Effect of operating conditions on the performance and membrane fouling of MBR operation results show that the MBR in HRT was 10 h, aeration intensity was 0.6 m3/h, to get the ideal pumping time ratio of 9:3 min under the conditions of COD, ammonia nitrogen, total phosphorus and turbidity average removal rate reached 94% 96.5%, 30% and 96.8%, respectively, after 1 months of operation of TMP is about 45.5 kPa. Although the removal efficiency of pollutants is high, membrane fouling has not been significantly improved. Membrane polluted by tap water cleaning, hot water cleaning, washing and soaking in ethanol and sodium hypochlorite backwash cleaning, the membrane flux can be recovered to 95.3% of the new membrane cleaning methods, effectively prolong the service life of membrane components.

membrane bioreactor;membrane fouling;operating conditions

2017-04-07

東北林業(yè)大學生創(chuàng)新訓練項目(201610225011)；黑龍江省自然科學基金 (2013E54)

張寶藝(1994—)，女，在讀本科生，研究方向為水污染控制工程；通信作者：李永峰(1961—)，博士，教授，研究方向為水污染控制工程與生物技術。

X703

A

1008-021X(2017)08-0181-06