梁乾偉，李永峰，程國(guó)玲（東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

研究開(kāi)發(fā)

軟硬性填料對(duì)MBR處理效率和膜污染的影響

梁乾偉，李永峰，程國(guó)玲
（東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

膜生物反應(yīng)器（MBR）在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，填料的投加對(duì)MBR污水處理效率和膜污染進(jìn)程有一定的影響。本文分別向MBR中投加不同量的軟性和硬性懸浮填料，研究了懸浮填料對(duì)MBR運(yùn)行效率及膜污染的影響。結(jié)果表明，投加填料后MBR對(duì)COD、氨氮和總磷等污染物的處理效率有所提高，明顯減緩了膜污染的進(jìn)程。軟性填料對(duì)MBR的改善效果優(yōu)于硬性填料，投加20%的軟性填料時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD、氨氮和總磷的去除率分別可達(dá)96.53%、98.21%和52.75%，系統(tǒng)運(yùn)行30天時(shí)的膜污染情況比未投加填料的系統(tǒng)減緩了41.43%。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)軟性填料能夠?yàn)槲⑸锾峁└蟮纳婵臻g，提高反應(yīng)器內(nèi)的微生物量，從而提高M(jìn)BR對(duì)污水的處理效率同時(shí)改善膜污染，是一種加強(qiáng)MBR系統(tǒng)的適宜填料，最佳投加量為反應(yīng)器有效體積的20%。

膜生物反應(yīng)器；懸浮填料；膜污染；最佳投加量

膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor，MBR）是近些年來(lái)興起的一種新型水處理工藝，該工藝將活性污泥法和膜分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，兼具兩者的優(yōu)勢(shì)［1］。水資源短缺和水污染現(xiàn)象嚴(yán)重是我國(guó)亟待解決的矛盾之一，近年來(lái)國(guó)家對(duì)污水處理的要求逐漸提高，MBR工藝由于具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、污泥產(chǎn)率低、污染物去除率高以及可進(jìn)行中水回用等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注［2-4］。

膜污染是一直以來(lái)制約MBR工藝進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸［5］，在以往的研究中對(duì)膜污染機(jī)理和現(xiàn)象有多種論述［6-7］，但目前對(duì)于膜污染的控制方法主要集中在新型膜材料的開(kāi)發(fā)、改善混合液特性和優(yōu)化操作條件 3個(gè)方面［8-10］。現(xiàn)有的研究表明，向一體式MBR投加適當(dāng)?shù)奶盍峡捎行p緩膜污染，同時(shí)還能提高系統(tǒng)的處理效率［11-12］。常用的填料有顆?；钚蕴浚℅AC）［13-14］、粉末活性炭（PAC）［15-16］、懸浮填料［17-19］、絮凝劑［20］等，不同類(lèi)型的填料改善MBR運(yùn)行效能的原理各異。

本試驗(yàn)向MBR中分別投加了硬性和軟性懸浮填料，對(duì)比分析了不同類(lèi)型懸浮填料對(duì)MBR處理效率和膜污染進(jìn)程的影響，為選擇適宜的填料提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由進(jìn)水箱、膜生物反應(yīng)器、曝氣裝置、出水箱等部分組成。膜生物反應(yīng)器有效容積為125L。實(shí)驗(yàn)采用的膜組件為聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維膜，孔徑為0.2μm，纖維內(nèi)外徑比為0.6mm∶1.1mm，膜面積為1m2，膜通量為10L/（m2·h），反應(yīng)器中共有3件膜組件。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

硬性填料為柱狀聚丙烯填料，直徑和長(zhǎng)度均為1cm；軟性填料為聚氨酯填料，聚氨酯被裁剪成1cm×1cm×1cm的立方體。填料在加入活性污泥前加入反應(yīng)器，在MBR底部曝氣裝置的作用下呈均勻流化狀態(tài)分布，填料投加量按照填料體積占反應(yīng)器有效體積的比例進(jìn)行計(jì)算。

1.2接種污泥和試驗(yàn)用水

接種污泥取自哈爾濱市文昌污水處理廠，接種污泥濃度為10g/L，接種量為50L。試驗(yàn)用水采用人工配水模擬生活污水，主要添加紅糖、NH4Cl和KH2PO4來(lái)作為碳源、氮源和磷源，利用 NaHCO3來(lái)調(diào)節(jié)pH，添加少量營(yíng)養(yǎng)液補(bǔ)充微量元素，水質(zhì)參數(shù)COD為350～400mg/L，NH4+-N為35～40mg/L，pH為6.5～8.0。

13試驗(yàn)方法

在水力停留時(shí)間（HRT）為 10h、曝氣強(qiáng)度為0.6m3/h、抽吸 9min停抽 3min的條件下運(yùn)行一套MBR裝置，在不投加填料的情況下進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)運(yùn)行兩套MBR裝置，分別向兩套裝置中投加軟性填料（MBR-A）和硬性填料（MBR-B），填料按反應(yīng)器有效容積的10%、20%和30%進(jìn)行投加，在3種投加量下各運(yùn)行一個(gè)月，考察兩種懸浮填料對(duì)MBR處理效率及膜污染進(jìn)程的影響情況。

1.4主要分析項(xiàng)目及方法

COD的測(cè)定采用雷磁COD-571型COD測(cè)定儀；氨氮采用納氏試劑分光光度法進(jìn)行測(cè)定；總氮（TN）測(cè)定利用堿性過(guò)硫酸鉀消解氧化法；總磷（TP）測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀消解氯化亞錫還原光度法；跨膜壓差（TMP）利用電子真空表測(cè)定；其余指標(biāo)均采用國(guó)標(biāo)方法。

2　結(jié)果與討論

2.1不投加填料情況下水質(zhì)變化

為了對(duì)比分析投加填料后MBR對(duì)污水處理效果和膜污染的改善情況，并列運(yùn)行一套不投加填料的裝置一個(gè)月，進(jìn)水中污染物濃度和運(yùn)行穩(wěn)定后出水結(jié)果如表1所列。

表1　不投加填料情況下水質(zhì)變化

從表1中可以，看出運(yùn)行一個(gè)月之后出水水質(zhì)比較穩(wěn)定，COD和氨氮的去除率分別達(dá)到93.43% 和 96.21%以上，但是總磷的去除效果較差，說(shuō)明MBR工藝的除磷效率與傳統(tǒng)工藝相比沒(méi)有明顯提高。跨膜壓差（TMP）主要體現(xiàn)了膜污染的情況，測(cè)得運(yùn)行開(kāi)始時(shí)的TMP為9.2kPa，運(yùn)行一個(gè)月之后達(dá)到45.5kPa左右，已接近于膜組件要求的TMP范圍（5～50kPa）上限，長(zhǎng)期在這種條件下運(yùn)行不僅出水水質(zhì)穩(wěn)定性不能得到很好的保障，而且會(huì)嚴(yán)重縮短膜組件的使用壽命。

2.2填料對(duì)COD去除的影響

COD是衡量水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要指標(biāo)，向MBR中投加不同量軟性和硬性填料運(yùn)行后COD的變化情況如圖2所示。其中MBR-A和MBR-B分別為投加軟性填料和硬性填料的裝置。

圖2　不同投加量軟硬填料對(duì)COD去除效果的影響

軟性填料投加量為10%、20%和30%時(shí)的COD最高去除率分別為95.54%、96.53%和97.25%，投加相應(yīng)量硬性填料后 COD最高去除率分別為94.96%、95.67%和96.61%?？梢钥闯?，兩種懸浮填料的投加對(duì) COD的去除率都有所提高，總體上相同投加量下軟性填料比硬性填料的去除效率高0.69%左右。由于MBR本身對(duì)COD的去除效率較高，所以投加填料后的提高并不明顯，但對(duì)提高出水水質(zhì)仍有一定作用。

2.3填料對(duì)氨氮去除的影響

圖3是兩種懸浮對(duì)氨氮去除效果的影響情況。運(yùn)行一個(gè)月后每種工況下氨氮去除效果都能達(dá)到穩(wěn)定，當(dāng)填料量為10%時(shí)，投加軟性填料的系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除基本呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢(shì)最大去除率達(dá)到97.74%，比未投加填料的系統(tǒng)略有提高，投加硬性填料的系統(tǒng)則波動(dòng)較大，最大去除率為97.06%，基本與未投加填料的系統(tǒng)持平。當(dāng)填料投加量為20%時(shí)，MBR-A和MBR-B對(duì)氨氮后10天的去除都趨于穩(wěn)定，平均去除率分別為98.21%和97.68%，相對(duì)于未投加填料系統(tǒng)都有所提高。填料投加量為30%時(shí)，仍然是軟性懸浮填料的去除效果優(yōu)于硬性懸浮填料，MBR-A和MBR-B對(duì)氨氮的去除率最高分別達(dá)到99.25%和98.36%，MBR-A幾乎能夠去除全部的氨氮。

圖3　不同投加量軟硬填料對(duì)氨氮去除效果的影響

2.4填料對(duì)總磷去除的影響

投加填料后 MBR對(duì)總磷的去除效果如圖 4所示。

從圖4中可以看出，整體上兩種填料對(duì)總磷去除率的影響相差不大。填料投加量為 10%時(shí)，MBR-A和 MBR-B對(duì) TP的平均去除率分別為43.93%和43.45%，與未投加填料系統(tǒng)的最高去除率42.78%相差不大，所以當(dāng)填料投加量較少時(shí)附著生長(zhǎng)的細(xì)菌中除磷微生物含量仍然較少，不能使除磷效率有所突破。當(dāng)投加填料量為 20%時(shí)，MBR-A 和MBR-B對(duì)TP的最高去除率為52.75%和53.10%，兩者相差很小，相對(duì)于未投加填料時(shí)提高了約10%，當(dāng)填料投加量為30%時(shí)，兩套系統(tǒng)的TP去除率均沒(méi)有很大提高，基本和20%填料時(shí)的水平相當(dāng)。所以投加填料后增加了系統(tǒng)中除磷細(xì)菌的量，當(dāng)填料投加量適宜時(shí)可提高系統(tǒng)的除磷效率，但整體的除磷效果相對(duì)于傳統(tǒng)工藝依然沒(méi)有很大的提高，這也將是該工藝在今后需要深入研究的課題之一。

圖4　不同投加量軟硬填料對(duì)TP去除效果的影響

2.5膜污染

膜污染程度的衡量有很多指標(biāo)，如膜通量、跨膜壓差（TMP）、胞外聚合物（EPS）濃度、膜阻力等。本試驗(yàn)中采用 TMP來(lái)表征膜污染的進(jìn)程，圖5（a）、（b）分別是MBR投加軟性填料和硬性填料運(yùn)行后TMP的變化情況。

從圖5（a）可以看出，填料投加量為10%和20%時(shí)，從第10天開(kāi)始，TMP的遞增速度開(kāi)始變緩，說(shuō)明大幅度的膜污染主要發(fā)在反應(yīng)器啟動(dòng)的前期，之后隨著微生物穩(wěn)定生長(zhǎng)，膜污染進(jìn)程逐漸減緩。而當(dāng)填料量增加到30%時(shí)，膜污染趨勢(shì)則不同于前兩種情況，前22天TMP低于填料20%時(shí)的TMP，第23天超過(guò)填料20%的TMP，之后的TMP遞增速率并未降低，此時(shí)在膜絲表面可以明顯觀察到附著生長(zhǎng)了很多絲狀菌，主要是由于填料過(guò)多影響了生物反應(yīng)池中氧的傳質(zhì)效率，而且填料的流化狀態(tài)也不如20%填料時(shí)好，導(dǎo)致了膜污染進(jìn)程的加快。所以對(duì)于軟性懸浮填料，20%是較為理想的投加量。從圖5（b）可知，硬性填料在3種填料投加量下膜污染的變化趨勢(shì)基本一致。填料量為10%和20%時(shí)后5天的平均TMP分別為37.88kPa和32.24kPa，相對(duì)于MBR-A分別高4.60kPa和3.74kPa，在相同投效果，主要是由于硬性填料不同于軟性填料在該投加量下容易積聚在一起，這種填料在投加量為30%時(shí)，仍然保持良好的流化狀態(tài)，氧的傳質(zhì)效率較好，微生物的生長(zhǎng)狀態(tài)基本不受影響，而且填料本身的流化運(yùn)動(dòng)可以沖刷掉膜組件表面沉積的部分顆粒污染物。后5天的平均TMP為26.50kPa，相對(duì)于未投加填料的體系極大地減緩了膜污染的進(jìn)程。

圖5　投加不同量填料TMP的變化

總體上比較兩種填料來(lái)說(shuō)，每種填料的最佳投加比例不同，軟性填料投加20%時(shí)的效果較好，硬性填料投加30%時(shí)表現(xiàn)出良好的效果，而兩種填料分別在相應(yīng)投加比例下的最終效果相近。軟性填料具有更大的比表面積，能夠?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)增殖提供更大的空間，相對(duì)于硬性填料來(lái)說(shuō)，軟性填料的投加能夠更有效地增加反應(yīng)器中的微生物量，從而進(jìn)一步提高M(jìn)BR對(duì)水中污染物的處理效率，反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中可以觀察到投加軟性填料的MBR中懸浮污泥極少，大大減輕了其對(duì)膜組件的黏附和堵塞；另一方面，選取的聚氨酯軟性填料環(huán)保無(wú)污染，經(jīng)濟(jì)可行，軟性填料相對(duì)于硬性填料具有更好的運(yùn)用前景。

3　結(jié)　論

（1）投加懸浮填料可有效改善MBR對(duì)COD、氨氮和總磷等污染物質(zhì)的去除效率。其中軟性填料的投加相對(duì)于硬性填料對(duì)MBR去除污染物效率的提高更優(yōu)，當(dāng)投加量為30%時(shí)，投加軟性填料的系統(tǒng)對(duì)COD、氨氮和總磷的去除率比未加填料的系統(tǒng)分別提高了1.74%、1.90%和10.32%，其中COD和氨氮幾乎可全部去除。

（2）懸浮填料的投加可以明顯減緩MBR膜污染的進(jìn)程。當(dāng)投加20%的軟性填料運(yùn)行30天時(shí)，膜污染的程度為未投加填料系統(tǒng)的58.57%，投加量為30%時(shí)效果變差；投加20%和30%的硬性填料運(yùn)行30天時(shí)，膜污染程度為未投加填料系統(tǒng)的66.32% 和54.69%。

（3）通過(guò)比較兩種懸浮填料對(duì)MBR污染物去除效率的改善和對(duì)膜污染的減緩作用，發(fā)現(xiàn)軟性填料對(duì)MBR的改善作用更為明顯，最適宜的投加量為反應(yīng)器體積的20%。

［1］AREVALO J， RUIZ L M，PARADA J A，et al.Wastewater reuse after treatment by MBR. Microfiltration or ultrafiltration？［J］.Desalination，2012，299：22-27.

［2］LI J，YU D S，ZHANG P Y.Comparison between MBR and A/Oprocesses treating saline wastewater［J］.Desalination and Water Treatment，2013，51（19/20/21）：3821-3825.

［3］計(jì)根良，鄭宏林，周勇.MBR系統(tǒng)運(yùn)行條件對(duì)膜污染影響研究［J］.水處理技術(shù)，2014，40（6）：90-92.

［4］黃霞，曹斌，文湘華，等.膜-生物反應(yīng)器在我國(guó)的研究與應(yīng)用新進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：416-432.

［5］TOKIHIRO K，KATSUKI K，YOSHIMASA W.The influence of granular materials on the operation and membrane fouling characteristics of submerged MBRs［J］.Journal of Membrane Science，2014，469：292-299.

［6］張海豐，孫明媛，于海歡，等.AHL-QS減緩膜生物反應(yīng)器膜污染研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2014，33（5）：1300-1305.

［7］張海豐，劉洪鵬，張?zhí)m海，等.臭氧-活性炭技術(shù)對(duì)膜生物反應(yīng)器膜污染減緩研究［J］.化工進(jìn)展，2013，32（2）：453-459.

［8］NORHAN N，MAURICE C R，HAN Z，et al.Modification methods for poly（arylsulfone） membranes： a mini-review focusing on surface modification［J］.Desalination，2011，275（1/2/3）：1-9.

［9］AMIRHOSSEIN K G，MEHRNIA M R，MOSTOUFI N，et al.Analyze and control fouling in an airlift membrane bioreactor：CFD simulation and experimental studies ［J］.Process Biochemistry，2011，46（5）：1138-1145.

［10］JEHAD A K， BILAD M R，HASSAN A A.Simple and effective corrugation of PVDF membrane for enhanced MBR performance［J］.Journal of Membrane Science，2015，475：91-100.

［11］黃剛?cè)A，尤朝陽(yáng)，李旋，等.投加物質(zhì)對(duì)減緩 MBR膜污染的研究［J］.水處理技術(shù)，2013，39（9）：10-14.

［12］HU J，REN H Q，XU K，et al.Effect of carrier on sludge characteristics and mitigation of membrane fouling in attached-growth membrane bioreactor［J］.Bioresource Technology，2012，122：35-41.

［13］Johir M A，Shanmuganathan S，Vigneswaran S，et al.Performance of submerged membrane bioreactor （SMBR）with and without the addition of the different particle sizes of GAC as suspended medium［J］.Bioresource Technology，2013，141：13-18.

［14］洪俊明，尹娟.顆?；钚蕴繉?duì)膜生物反應(yīng)器脫氮性能的影響［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2012，32（1）：75-80.

［15］ZHANG Q，SUN F Y，DONG W Y，et al.Micro-polluted surface water treatment and trace-organics removal pathway in a PAC-MBR system［J］.Process Biochemistry，2015，50：1422-1428.

［16］HU J Y，SHANG R，DENG H P，et al.Effect of PAC dosage in a pilot-scale PAC-MBR treating micro-polluted surface water［J］. Bioresource Technology，2014，154：290-296.

［17］LE J，SAY L O，HOW Y N. Fouling control mechanism by suspended biofilm carriers addition in submerged ceramic membrane bioreactors［J］.Journal of Membrane Science，2013，427：250-258.

［18］YANG Q Y，YANG T，WANG H J，et al.Filtration characteristics of activated sludge in hybrid membrane bioreactor with porous suspended carriers （HMBR）［J］.Desalination，2009，249（2）：507 -514.

［19］HUANG X，WEI C H，YU K C.Mechanism of membrane fouling control by suspended carriers in a submerged membrane bioreactor［J］.Journal of Membrane Science，2008，309（1-2）：7-16

［20］YU Z Y，SONG Z H，WEN X H，et al.Using polyaluminum chloride and polyacrylamide to control membrane fouling in a cross-flow anaerobic membrane bioreactor［J］.Journal of Membrane Science，2015，479：20-27.

Effect of soft and hard carriers on the treatment efficiency and membrane fouling in membrane bioreactor （MBR）

LIANG Qianwei，LI Yongfeng，CHENG Guoling
（School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China ）

Membrane bioreactor（MBR） has been widely used in the field of wastewater treatment. The addition of carriers has partly effect on the wastewater treatment efficiency and membrane fouling of MBR. In this work，different dosages of soft and hard carriers were added into MBR. Impact of suspended carriers on the treatment efficiency and membrane fouling of the MBR was studied. Results showed that the treatment efficiency of MBR for COD，ammonia nitrogen and total phosphorus was improved. The process of membrane fouling was obviously slowed down after adding carriers. The improvement effect of soft carrier on MBR was better than that of hard carrier. The removal rates of COD，ammonia nitrogen and total phosphorus were 96.53%，52.75% and 98.21%，respectively. Membrane fouling was mitigated by 41.43% of the original system after 30 days operation. According to the comparison，soft carrier supplied more living room for microorganism and the microbial biomass of reactor could be improved，so that the wastewater treatment efficiency of MBR was improved and membrane fouling was mitigated. The soft carrier was a kind of suitable carrier to enhance the MBR system，and the optimum dosage was 20% of effective volume of reactor.

membrane bioreactor（MBR）；suspended carrier；membrane fouling；optimum dosage

X 703

A

1000-6613（2016）08-2575-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.43

2016-01-07；修改稿日期：2016-01-24。

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E201354）。

梁乾偉（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗廴究刂啤-mail liangqianwei123@163.com。聯(lián)系人：李永峰，教授，主要研究方向?yàn)槲鬯幚砗铜h(huán)境微生物。E-mail dr_lyf@163.com。