膜生物反應(yīng)器中污泥齡對(duì)膜污染的影響

陳子亮

摘要? ? 試驗(yàn)以跨膜壓差作為宏觀角度，以掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡作為微觀角度，研究了15、30、45 d污泥齡下膜生物反應(yīng)器中膜污染的情況。結(jié)果顯示，SRT為30 d時(shí)，跨膜壓差的平均上升速率最小，并且膜表面的粗糙度Ra和Rq值最小，且污泥齡為30 d時(shí)，膜污染最輕。同時(shí)，SRT在一定程度的改變不會(huì)對(duì)膜生物反應(yīng)器的出水水質(zhì)產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞? ? 膜生物反應(yīng)器;污泥齡;膜污染

中圖分類號(hào)? ? X703.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）22-0112-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

近年來，由于國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，越來越緊缺的水源和水的供應(yīng)，以及競(jìng)爭(zhēng)成本的提高，膜生物反應(yīng)器（MBR）系統(tǒng)已經(jīng)成為公認(rèn)的最有效的生活污水處理技術(shù)[1-3]。然而，膜污染是膜生物反應(yīng)器運(yùn)行、擴(kuò)建和升級(jí)改造的最大弊端。膜污染導(dǎo)致膜通量銳減、操作運(yùn)行壓力急劇增長(zhǎng)，同時(shí)增加清洗和更換膜組件的頻率。因此，選擇最佳的操作運(yùn)行條件是提高M(jìn)BR效率的直接途徑[4-9]。

膜生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了污泥齡（SRT）和水力停留時(shí)間的分離。TIAN Y等[10]用修改的黏附侵蝕模型（AE-模型）評(píng)估膜生物反應(yīng)器活性污泥絮體的穩(wěn)定性時(shí)發(fā)現(xiàn)，SRT越長(zhǎng)，污泥絮體越穩(wěn)定;SRT越短，污泥絮體中的胞外聚合物（EPS）含量越高，絲狀菌越多。污泥絮體大小、混合液污泥濃度（MLSS）、EPS含量等都是影響MBR膜污染的重要因素，且與MBR的SRT密切相關(guān)[11]。

本試驗(yàn)主要通過掃描電鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）從微觀角度研究SRT對(duì)膜污染的影響。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為浸沒式膜生物反應(yīng)器，容積為10 L。膜組件采用天津膜天公司的簾式中空纖維膜。膜材料為PVDF改性膜，膜面積0.1 m2/支，纖維外徑1.0 mm，內(nèi)徑0.65 mm，膜孔徑0.22 μm。反應(yīng)器水力停留時(shí)間為8 h?；钚晕勰嗳∽孕熘菽澄鬯脸鼗亓魑勰囫Z化培養(yǎng)后開始運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行90 d。本試驗(yàn)分3個(gè)階段運(yùn)行。第一階段連續(xù)運(yùn)行15 d，SRT為15 d;第二階段連續(xù)運(yùn)行30 d，SRT為30 d;第三階段連續(xù)運(yùn)行45 d，SRT為45 d。當(dāng)膜組件跨膜壓差達(dá)到30 kPa會(huì)更換，同時(shí)調(diào)整SRT后也會(huì)更換膜組件。

1.2? ? 試驗(yàn)用水

根據(jù)實(shí)際生活污水配制試驗(yàn)用水。COD、氨氮、總氮、總磷的濃度分別為380～420、37～46、52～58、4～6 mg/L，pH值為6.7～8.2。

1.3? ? 分析方法

COD、氨氮、總氮、MLVSS和MLSS等采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[12]。膜表面的微觀污染情況通過掃描電鏡和原子力顯微鏡來觀測(cè)。膜表面的宏觀污染情況通過跨膜壓差（TMP）來表現(xiàn)。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 不同污泥齡對(duì)出水水質(zhì)的影響

不同污泥齡下，膜生物反應(yīng)器出水水質(zhì)情況如圖1所示?？梢钥闯觯珻OD處理效果在不同污泥齡下變化很小。15 d的污泥齡下，COD的處理效率為93%～95%，出水COD濃度在15～25 mg/L之間，達(dá)到污水排放一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)。在SRT為30 d和45 d時(shí)，COD的處理效率以及出水COD濃度同在15 d的SRT下沒有很大的波動(dòng)。這說明污泥齡的調(diào)整對(duì)于膜生物反應(yīng)器的COD處理效果沒有很大的影響。15 d的污泥齡下，氨氮和總氮的處理效率分別為88%～92%和80%～87%，出水氨氮和總氮濃度同樣達(dá)到污水排放一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)。在SRT為30 d和45 d時(shí)，氨氮和總氮的處理效率以及出水氨氮和總氮的濃度同在15 d的SRT下沒有很大的波動(dòng)。因此可以得出，SRT在一定程度上的改變不會(huì)對(duì)膜生物反應(yīng)器的出水水質(zhì)造成很大的影響。這也與前人的研究結(jié)果相同[13-15]。

2.2? ? 不同污泥齡下TMP變化情況

在不同污泥齡下，跨膜壓差隨時(shí)間變化情況如圖2所示?？梢钥闯?，15 d、30 d和45 d的污泥齡下，TMP平均上升速率為（1.94±1.14）、（1.26±0.56）、（1.50±1.10）kPa/d。在污泥齡為15 d時(shí)，膜污染速率最快，其次是污泥齡為45 d時(shí)，而污泥齡為30 d時(shí)膜污染最輕。肖? 椿等[15]通過研究不同污泥齡下SMP對(duì)膜污染的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著SRT的延長(zhǎng)，上清液中SMP高分子量組分所占比例升高。而高分子量有機(jī)物是造成膜污染的主要因素。在短SRT下SMP產(chǎn)生最嚴(yán)重膜污染的原因主要在于膜污染層內(nèi)高分子量的多糖含量最高。還有學(xué)者研究表明，SRT更長(zhǎng)時(shí)，膜生物反應(yīng)器中污泥粒徑也就越小[16-17]。而當(dāng)污泥粒徑與膜孔孔徑比較接近時(shí)，則會(huì)造成嚴(yán)重的膜污染[18]。這也可以解釋45 d的SRT下膜污染反而比30 d下的膜污染更加嚴(yán)重。因此，在膜生物反應(yīng)器運(yùn)行過程中，要選擇適當(dāng)?shù)腟RT，保證反應(yīng)器能正常穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行。

2.3? ? 不同污泥齡下的膜表面結(jié)構(gòu)、形貌及粗糙度變化

不同污泥齡下膜表面掃描電鏡圖像如圖3所示?？梢钥闯?，沒有被污染的原膜表面紋理清晰。而在15 d污泥齡下被污染后的膜表面則會(huì)看出明顯的溝壑，膜表面沉積了部分污染物，污染物黏附于致密的膜表面，故膜面呈現(xiàn)凹凸不平。30 d的污泥齡下，污染情況則要比15 d的要好一點(diǎn)，膜表面與原膜表面形貌基本相同。45 d的污泥齡下，同樣可以看到膜表面黏附一層致密的污染物，膜表面已經(jīng)看不出原膜的形貌。

不同污泥齡下膜表面原子力顯微鏡圖像如圖4所示?？梢钥闯?，原膜的Rq值與Ra值分別為48.6 nm和35.1 nm。SRT為15、30、45 d時(shí)的Rq值分別為95.6、75.0、58.6 nm，Ra值分別為47.1、68.2、54.2 nm。SRT為15 d時(shí)，膜表面粗糙度最高;其次是SRT為45 d時(shí);而SRT為30 d時(shí)，膜表面粗糙度最低。這與跨膜壓差的變化趨勢(shì)（圖2）以及SEM圖像（圖3）均完全符合。

前人研究發(fā)現(xiàn)，SRT會(huì)直接影響膜生物反應(yīng)器內(nèi)部的Zeta電位、SVI、EPS含量及其各組分的含量[19-23]。曹占平等[22]研究SRT對(duì)膜生物反應(yīng)器內(nèi)部EPS及其各組分的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，SRT增大會(huì)導(dǎo)致EPS中松散附著胞外聚合物（LB）中的蛋白質(zhì)和多糖的含量增加，這就會(huì)導(dǎo)致Zeta電位下降以及大分子有機(jī)物外延，從而產(chǎn)生更多的微小絮體及造成SVI上升。當(dāng)污泥齡為15 d時(shí)，膜生物反應(yīng)器內(nèi)污泥負(fù)荷高，所以跨膜壓差會(huì)上升得很快，同時(shí)會(huì)在膜表面吸附一層致密的污染。當(dāng)污泥齡為45 d時(shí)，此時(shí)微生物營(yíng)養(yǎng)匱乏，內(nèi)源呼吸加劇，EPS增加，LB中多糖和蛋白質(zhì)含量上升，產(chǎn)生更多的微小絮體[24]。同時(shí)，細(xì)菌也由不穩(wěn)定R形態(tài)轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的S形態(tài)，污泥顆粒粒徑也不斷變小。從而會(huì)出現(xiàn)圖3（d）與圖4（d）中膜表面沉積一層厚厚的污染物，造成嚴(yán)重的膜污染。當(dāng)污泥齡為30 d時(shí)，此時(shí)TMP的平均增速以及膜表面粗糙度相對(duì)于其他2個(gè)條件下的膜生物反應(yīng)器的狀況要好一點(diǎn)。這是由于SRT的改變會(huì)直接影響反應(yīng)器內(nèi)部其他諸多因素的改變。而在SRT為30 d時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)部的Zeta電位、EPS含量以及其各組分的含量、細(xì)菌的存在狀態(tài)以及污泥混合液的性質(zhì)等都可以保持在一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)[10，22-23，25]。因此，控制合適的SRT對(duì)膜生物反應(yīng)器更加經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的運(yùn)行十分重要。

3? ? 結(jié)論

（1）SRT在一定程度上的改變不會(huì)對(duì)膜生物反應(yīng)器的出水水質(zhì)造成很大的影響。

（2）SRT在30 d左右時(shí)，膜生物反應(yīng)器的膜表面粗糙度比SRT為15 d或者45 d時(shí)更小，膜污染程度更輕。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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