商 平，謝先思，楊 健，李 彥

（天津科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

0 前言

近年來(lái)，膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛．但是，其能耗高、組件壽命短、膜通量低和產(chǎn)水率低等問(wèn)題仍是制約其被廣泛應(yīng)用的瓶頸，膜污染則是引起上述所有問(wèn)題的主導(dǎo)因素[1-2]．動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（DMBR）作為一種基于膜生物反應(yīng)器基礎(chǔ)之上的新型膜技術(shù)，在制備條件和運(yùn)行條件控制方面已經(jīng)取得良好成果，能夠達(dá)到和膜生物反應(yīng)器（MBR）同水平的處理效果[3]，其出水水質(zhì)好、通量大，能耗低，投資少已逐漸被認(rèn)可[4-6]．由于DMBR膜組件價(jià)格昂貴、強(qiáng)度較低、使用壽命短[7]，制約了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，其主要原因是DMBR微網(wǎng)的載體基材和結(jié)構(gòu)問(wèn)題．目前大量研究主要集中在載體基材上，如：聚丙烯無(wú)紡布[6-9]、尼龍網(wǎng)[10]、工業(yè)濾布[11]、尼龍紡織布[12-13]等，應(yīng)用這些載體基材制成DMBR裝置，對(duì)各種污水進(jìn)行處理實(shí)驗(yàn)，取得了實(shí)驗(yàn)室研究成果．不管是傳統(tǒng)的膜生物反應(yīng)器技術(shù)，還是現(xiàn)階段還未走出實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器技術(shù)，反沖洗是解決膜污染問(wèn)題的主要控制方法之一．

目前，動(dòng)態(tài)膜的生物反應(yīng)器的反沖洗方式主要為氣反沖、機(jī)械或化學(xué)清洗等[14-15]．利用曝氣反沖的方式能耗高，膜污染清洗效果差[16]；而機(jī)械或化學(xué)清洗的方式，雖然對(duì)動(dòng)態(tài)膜清洗較徹底．但是，一般都需要離線清洗，導(dǎo)致恢復(fù)出水時(shí)間較長(zhǎng)，使產(chǎn)水率降低，用化學(xué)方法來(lái)清洗容易帶來(lái)二次污染問(wèn)題[17]．

國(guó)內(nèi)外大量研究表明，MBR工藝在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用受到了限制．為此研發(fā)出既保持MBR的優(yōu)點(diǎn)，又能克服MBR致命缺點(diǎn)的膜組件和反應(yīng)器十分必要．

本實(shí)驗(yàn)以滌綸為微網(wǎng)基材，針對(duì)膜通量降低時(shí)用氣反沖洗、化學(xué)清洗能耗高，清洗后膜通量高濁度也升高問(wèn)題，用滌綸網(wǎng)為載體基材制成的雙膜構(gòu)件和無(wú)反沖結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤式動(dòng)態(tài)膜微網(wǎng)組件[18]構(gòu)成的DMBR處理生活污水，并對(duì)無(wú)反沖DMBR反應(yīng)器在高通量、無(wú)反沖的情況下運(yùn)行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還對(duì)DMBR反應(yīng)器刷洗控制方法對(duì)緩解系統(tǒng)中膜污染的作用、載體表面動(dòng)態(tài)膜形態(tài)的影響因素進(jìn)行研究，為其工程化應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有實(shí)際應(yīng)用意義．

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)使用自行研制的無(wú)反沖DMBR反應(yīng)器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示．無(wú)反沖DMBR裝置主體長(zhǎng)、寬、高分別為2.5 m、0.5 m、2.3 m，有效容積約2.8 m3．將其分為曝氣區(qū)和反應(yīng)區(qū)．曝氣區(qū)底部設(shè)有側(cè)位曝氣裝置，是向混合液供氧并推動(dòng)混合液在裝置內(nèi)形成環(huán)流；反應(yīng)區(qū)底部設(shè)有底位曝氣裝置,提供剪切動(dòng)力，減薄動(dòng)態(tài)膜層，距池體左端0.5m處設(shè)導(dǎo)流板．DMBR組件為雙腔體圓平板型，直徑150cm，組件外網(wǎng)為200目滌綸網(wǎng)，固定于圓形外框兩側(cè)形成外腔；內(nèi)網(wǎng)為300目滌綸網(wǎng)，固定在扇形平板兩側(cè)，形成內(nèi)腔，為了截留部分動(dòng)態(tài)膜遷移到外腔內(nèi)的細(xì)小顆粒物，從而提高出水的質(zhì)量．外網(wǎng)背水面和內(nèi)網(wǎng)迎水面均設(shè)條形毛刷，由機(jī)械裝置帶動(dòng)組件內(nèi)扇形平板實(shí)現(xiàn)反刷洗操作．組件中心處設(shè)有出水口，底部設(shè)排泥口．無(wú)反沖DMBR反應(yīng)器靠池體標(biāo)準(zhǔn)液位與組件中心出水口之間的水位差（ h）自流出水．

無(wú)反沖DMBR裝置連續(xù)進(jìn)、出水的主要運(yùn)行參數(shù)為：污泥濃度2 000～4 000 g/L，膜通量為45L/m3h，水力停留時(shí)間約8.5 h，溶解氧為2 mg/L，刷洗周期為30d．無(wú)反沖DMBR反應(yīng)器進(jìn)水與動(dòng)態(tài)膜組件出水處均設(shè)有流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥并保持進(jìn)、出水量一致，池體設(shè)有溢流口以保持液位穩(wěn)定，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間為恒流作業(yè)的過(guò)程，試驗(yàn)期間（90 d）未排泥．

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用污水取自某工業(yè)園區(qū)內(nèi)化糞井污水，其水質(zhì)見表1．

1.3 分析方法

本實(shí)驗(yàn)采用的分析指標(biāo)有COD、TN、TP和濁度，其分析方法見表2．

圖1 DMBR實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Thedynamic membranebioreactor experimental device

表1 進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 Influent quality

表2 分析指標(biāo)及分析方法Tab.2 Analysis indexs and methods

2 結(jié)果與討論

2.1 反刷洗前后出水濁度的變化

在無(wú)反沖DMBR實(shí)驗(yàn)本中，刷洗流程如下：關(guān)閉清水池調(diào)節(jié)閥和側(cè)位曝氣→開啟底位曝氣和反刷洗傳動(dòng)設(shè)備→打開排泥調(diào)節(jié)閥（流量與進(jìn)水相同，為45L/m3h）→關(guān)閉排泥調(diào)節(jié)閥并開啟干擾水調(diào)節(jié)閥（流量與進(jìn)水相同，為45 L/m3h）→定時(shí)間檢測(cè)出水濁度，當(dāng)DMBR反應(yīng)器<1.0NTU時(shí)開始正常出水．

實(shí)驗(yàn)中，無(wú)反沖DMBR刷洗操作間每隔5 min檢測(cè)1次出水濁度，刷洗持續(xù)1 h，其濁度變化如圖2所示．刷洗操作是在無(wú)反沖DMBR正常穩(wěn)定運(yùn)行30 d后，觀察到膜通量有下降趨勢(shì)時(shí)開始進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)外網(wǎng)上敷有約10mm的動(dòng)態(tài)微生物膜層且外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)扇板表面貼緊；反刷洗的同時(shí)利用底位曝氣以提高混合液在組件表面的錯(cuò)流速度，對(duì)外網(wǎng)迎水面的動(dòng)態(tài)膜層進(jìn)行減?。蓤D2可以看出，操作期間，隨著刷洗時(shí)間的延長(zhǎng)，在排泥口檢測(cè)到的出水濁度值呈遞減趨勢(shì)．操作前5 min內(nèi)，可以觀測(cè)到排泥口有大量碎泥，說(shuō)明在反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)態(tài)膜可以透過(guò)外網(wǎng)向網(wǎng)內(nèi)遷移，并且這種遷移量是隨著動(dòng)態(tài)膜的不斷更新而逐漸積累的，當(dāng)過(guò)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)膜累積達(dá)到一定程度（即外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)扇板之間的空腔被動(dòng)態(tài)膜過(guò)網(wǎng)累積產(chǎn)物逐漸填實(shí)），就可能引起動(dòng)態(tài)膜組件出水通量下降．持續(xù)反刷洗1 h后，排泥口出水基本觀察不到活性污泥，檢測(cè)其濁度為5.59NTU，刷洗在一定程度上對(duì)遷移到組件外腔內(nèi)動(dòng)態(tài)膜的清洗效果較好，這時(shí)將排泥閥關(guān)閉，底位曝氣切換成側(cè)位曝氣并打開調(diào)節(jié)閥出水，每隔5 h檢測(cè)一次出水濁度，其濁度變化值如圖3所示．

圖2 連續(xù)刷洗前出水濁度變化Fig.2 Theturbidity of treated water beforetheoperation in DMBR

圖3 停止刷洗后出水濁度變化Fig.3 Theturbidity of treated water after theoperation in DMBR

由圖3可以看出，在停止刷洗操作約50 h后檢測(cè)到出水濁度值為0.93 NTU．說(shuō)明在恒定的進(jìn)、出水流量下，載體表面已重新附著了較為理想的動(dòng)態(tài)膜層．這也表明，通過(guò)刷洗操作可以解決動(dòng)態(tài)膜組件膜通量下降的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器無(wú)反沖運(yùn)行．

2.2 對(duì)COD的去除效果

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用無(wú)反沖DMBR實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)COD的去除效果如圖4所示．由圖4可以看到，經(jīng)過(guò)90 d的連續(xù)運(yùn)行，在進(jìn)水COD平均質(zhì)量濃度值為293 mg/L時(shí)，出水COD平均值為36.3 mg/L，最低出水可達(dá)23.3 mg/L，其平均去除率為85.1%．試驗(yàn)期間，取B池混合液用濾紙進(jìn)行死端過(guò)濾，測(cè)得 COD值與DMBR出水水質(zhì)相近．結(jié)果表明，DM（動(dòng)態(tài)膜）的截留對(duì) COD的去除發(fā)揮了重要的作用，無(wú)反沖DMBR對(duì)COD的去除效果良好．

2.3 對(duì)濁度的去除效果

實(shí)驗(yàn)中，在育膜為完成階段的出水濁度值均較高，且出水中伴隨著少量的大顆粒物質(zhì)．而在育膜完成后，為期90 d的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，其出水濁度值的變化如圖4～圖5所示．

圖4 DMBR對(duì)COD的去除效果Fig.4 COD removal efficiency in DMBRin DMBR

由圖5可以看出，無(wú)反沖DMBR在育膜完成后，出水濁度降至<1.0 NTU．DMBR對(duì)濁度的去除并不是尼龍網(wǎng)本身的截留作用，而是DM在微網(wǎng)表面發(fā)揮作用．在發(fā)生污泥膨脹階段時(shí)，出水濁度迅速上生至>5.0 NTU時(shí),出水較渾濁，其中含有不沉降的絮狀物質(zhì)；附著DM層變薄且松散，但生物膜仍比較完整．這可能是由于污泥膨脹而引起了DM層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，使貼近微網(wǎng)或網(wǎng)孔內(nèi)的凝膠層性狀發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致出水質(zhì)量下降．以當(dāng)出水濁度可以維持在<1.0 NTU時(shí)，膠體物質(zhì)能被DM層有效截留．

無(wú)反沖DMBR分別運(yùn)行28 d、57 d、83 d左右時(shí)，發(fā)現(xiàn)膜過(guò)濾通量均有不同程度的下降，遂進(jìn)行反刷洗操作．在外微網(wǎng)表面有近1.5 cm的DM存在．隨著反應(yīng)器的持續(xù)運(yùn)行，DM層不斷的增厚和密實(shí)會(huì)增大過(guò)膜阻力引起膜過(guò)濾通量的降低；在操作后的近1～3 d，出水濁度>1.0 NTU．實(shí)驗(yàn)中反刷洗操作后生成新的DM層需要1～2d，且隨著膜組件的運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)而遞增．反刷洗操在一定程度上可以緩解膜堵塞．

2.4 對(duì)TN和TP的去除效果

無(wú)反沖DMBR運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)出水TN和TP的濃度變化如圖6和圖7所示．

由圖6可以看出，試驗(yàn)進(jìn)水TN質(zhì)量濃度在45～95 mg/L之間，平均質(zhì)量濃度為70.9mg/L，出水TN平均質(zhì)量濃度為34.8 mg/L，無(wú)反沖DMBR對(duì)TN去除的主要途徑是反應(yīng)器內(nèi)微生物的硝化作用．

對(duì) TP的去除效果如圖7所示．從圖中可以看出，進(jìn)水TP平均質(zhì)量濃度為10.2mg/L時(shí)，出水的平均質(zhì)量濃度為5.1 mg/L，平均去除率為50%．

2.5 刷洗對(duì)微網(wǎng)網(wǎng)孔的清洗效果

圖5 DMBR的出水濁度Fig.5 Theeffluent turbidity in DMBR

圖6 DMBR對(duì)TN的去除效果Fig.6 TN removal efficiency in DMBR

圖7 DMBR對(duì)TP的去除效果Fig.7 TPremoval efficiency in DMBR

圖8 沖刷前的微生物在微網(wǎng)基材表面附著情況Fig.8 Thephoto about thesurfaceof net beforeoperation

圖9 沖刷后微生物在微網(wǎng)基材表面附著情況Fig.9 Thephoto about thesurfaceof net after operation

本實(shí)驗(yàn)采集了無(wú)反沖DMBR外網(wǎng)刷洗前、后滌綸微網(wǎng)基材的照片，對(duì)比微網(wǎng)基材表面動(dòng)態(tài)膜形態(tài)的變化,如圖8、圖9所示．由圖8，圖9可以看出，在刷洗前，微網(wǎng)基材表面附著著大量粘稠狀的生物質(zhì)層，厚度近10mm；而經(jīng)過(guò)反刷洗后，生物質(zhì)層已基本被去除，滌綸絲表面的附著物得到了一定的清洗，這對(duì)恢復(fù)組件膜通量有積極的影響．同時(shí)，還可以觀察到基材表面只有少量的網(wǎng)孔被清洗干凈，這可能與反刷洗操作的時(shí)間、曝氣方式等因素有關(guān)．因?yàn)檫^(guò)于徹底的清洗后，可能會(huì)延長(zhǎng)組件預(yù)膜時(shí)間，從而影響到反應(yīng)器的出水水質(zhì)．實(shí)驗(yàn)表明，利用底位曝氣配合腔內(nèi)反刷洗的可有效的減薄動(dòng)態(tài)膜層和提高膜通量．

2.6 污泥活性對(duì)出水水質(zhì)的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)反沖DMBR出現(xiàn)2次由于進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷過(guò)高而引起了池內(nèi)混合液微生物污泥膨脹現(xiàn)象，污泥沉降性能差導(dǎo)，致出水各項(xiàng)指標(biāo)下降，此時(shí)的無(wú)反沖DMBR組件通量明顯下降．對(duì)于傳統(tǒng)的膜生物反應(yīng)器，由于其過(guò)濾機(jī)理為致密膜基材的死端過(guò)濾，活性污泥質(zhì)量的好壞對(duì)其幾乎沒(méi)有影響．而DMBR對(duì)污廢水的凈化機(jī)理并非是單一的死端過(guò)濾，還包括載體表面動(dòng)態(tài)膜的生物吸附和降解作用，在無(wú)反沖DMBR反應(yīng)器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中保持良好的污泥活性，也是維持無(wú)反沖DMBR正常穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一．

3 結(jié)論

1）保持膜通量為45L/(m2h)，無(wú)反沖DMBR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行了90d，產(chǎn)水率>95%，出水濁度<1.0NTU．

2）無(wú)反沖DMBR通量下降后，經(jīng)過(guò)1 h的刷洗恢復(fù)組件通量．停止刷洗50 h后，系統(tǒng)出水濁度仍然在<1 NTU，刷洗后可以緩解膜污染，無(wú)反沖DMBR實(shí)現(xiàn)無(wú)反沖運(yùn)行．

3）無(wú)反沖DMBR經(jīng)過(guò)刷洗可以有效清除附著在基材表面的老化的生物膜層，可以在控制時(shí)間內(nèi)恢復(fù)無(wú)反沖DMBR膜通量．

4）保持良好的污泥活性，是維持無(wú)反沖DMBR穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵因素．

5）無(wú)反沖DMBR組件出水濁度在<0.5 NTU時(shí)的膜通量有下降，可以把水濁度<0.5 NTU作為無(wú)反沖DMBR反應(yīng)器刷洗周期的技術(shù)指標(biāo)之一．

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