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(xué)水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥，230601）

采用兩組平行動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（DMBR）處理模擬生活污水，對(duì)比研究投加懸浮填料對(duì)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(yīng)器分別記為反應(yīng)器A、B。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：運(yùn)行期間，反應(yīng)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(yīng)器B，且Zeta電位與蛋白質(zhì)含量呈強(qiáng)負(fù)向相關(guān)、而粘度與多糖含量呈強(qiáng)正向相關(guān)。由反應(yīng)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(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器 懸浮填料 膜污染

0　引 言

動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（Dynamic Membrane Bioreactor, DMBR）是一種將動(dòng)態(tài)膜過濾技術(shù)和生物處理工藝相結(jié)合的污水處理工藝[1]，與傳統(tǒng) MBR相比，動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器在保留膜生物反應(yīng)器工藝優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可大幅降低過濾組件的造價(jià)，同時(shí)還具有出水水質(zhì)優(yōu)良、通量大、抗污染能力顯著提高、膜污染清除簡(jiǎn)易、依靠自流出水、能耗小等突出優(yōu)點(diǎn)[2]。DMBR的膜污染與MBR的膜污染形式相似，即小分子溶質(zhì)被膜孔吸附和大分子溶質(zhì)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(zhì)的改進(jìn)、運(yùn)行條件的優(yōu)化及活性污泥混合液特性的改善。目前，應(yīng)用最為廣泛的是向DMBR中投加物質(zhì)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(jìn)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(duì)膜污染的影響及控制，考察污泥混合液特性、胞外聚合物對(duì)膜通量及膜阻力的影響，進(jìn)而為延緩和控制膜污染提供切實(shí)可靠的方法和理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，兩組平行裝置均由有機(jī)玻璃制成的進(jìn)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(nèi)置懸浮填料（記為反應(yīng)器A），聚丙烯材質(zhì)、中空結(jié)構(gòu)，規(guī)格為φ10 mm、填充率為30%左右。運(yùn)行期間，懸浮填料置入塑料籠內(nèi)以避免懸浮填料在動(dòng)態(tài)膜表面摩擦影響動(dòng)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(jìn)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(yùn)行5 min，停止1 min，HRT為12 h，SRT為45 d。

圖1　實(shí)驗(yàn)流程示意圖

1.2實(shí)驗(yàn)廢水水質(zhì)及污泥特性

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水為模擬生活污水水質(zhì)：用工業(yè)級(jí)葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4和微量元素等混合配制，其物質(zhì)的質(zhì)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(yàn)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(xiàng)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(zhì)、多糖分別采用考馬斯亮藍(lán)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(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定和Zetasizer NS90測(cè)定。

2　結(jié)果與討論

2.1污泥濃度變化

在DMBR的應(yīng)用中，污泥濃度（MLSS）作為一個(gè)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(yùn)行期間，A、B反應(yīng)器內(nèi)MLSS變化情況如圖2所示。馴化階段，反應(yīng)器不排泥，MLSS迅速增加，在正式啟動(dòng)時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)MLSS達(dá)7000 mg/L左右。在正式運(yùn)行期間，每天定量排泥，將SRT控制在45 d。

圖2　污泥濃度對(duì)比

由圖2可看出，A、B反應(yīng)器在運(yùn)行期間MLSS呈下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)槊刻於颗拍嗨?。運(yùn)行后期，反應(yīng)器B中MLSS穩(wěn)定在5500 mg/L左右，而反應(yīng)器A中MLSS僅在4300 mg/L左右，A反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥中的MLSS明顯比B反應(yīng)器內(nèi)的少，原因是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，A反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器內(nèi)懸浮的污泥濃度，進(jìn)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(zhì)的變化趨勢(shì)。隨著 Zeta電位的降低，膜阻力呈線性增加趨勢(shì)，即Zeta電位越低，膜污染越嚴(yán)重。Wilén[9]等人研究發(fā)現(xiàn)，EPS中蛋白質(zhì)是影響污泥顆粒帶電的決定性因素。蛋白質(zhì)中所含的硫酸根、磷酸根和羧基等帶負(fù)電，可導(dǎo)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(zhì)含量隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖3所示。

圖3　Zeta電位對(duì)比

由圖3可以看出，反應(yīng)器A、B混合液中蛋白質(zhì)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(zhì)含量呈強(qiáng)負(fù)向相關(guān)（RA= -0.972，RB= -0.963）。經(jīng)對(duì)比可知，反應(yīng)器B中Zeta電位隨蛋白質(zhì)含量增加而降低速度較反應(yīng)器A快。

2.3混合液粘度變化

混合液粘度的增大不僅會(huì)使污泥絮體易于粘附在膜表面，而且導(dǎo)致曝氣產(chǎn)生的氣液流速降低，使膜表面形成的剪切作用減小，減緩對(duì)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(qiáng)的凝膠層[12]。圖4為混合液粘度與多糖含量運(yùn)行期間的變化。

圖4　混合液粘度對(duì)比

如圖4所示，A、B反應(yīng)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(qiáng)正向相關(guān)（RA=0.942，RB=0.920）。對(duì)比后可知，反應(yīng)器B內(nèi)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(yīng)器膜通量與膜阻力隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5　膜通量與膜阻力對(duì)比

由圖5可知，反應(yīng)器B膜通量下降速率，膜阻力增加速率均比反應(yīng)器A快。主要是由于隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，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(jìn)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(yīng)器局部范圍自由移動(dòng)，增大了混合液的紊流，進(jìn)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(yīng)器中運(yùn)行一個(gè)月后的膜組件上的一小塊尼龍布，分別進(jìn)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(jìn)行對(duì)比，如圖6所示

圖6　掃描電鏡對(duì)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(duì)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(jié)構(gòu)；而未投加懸浮填料的膜表面沉積了大量的污染物質(zhì)，污染層已將膜孔堵塞。反應(yīng)器A中濾餅層污泥沉積量的降低是由于反應(yīng)器內(nèi)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(jié)論

投加懸浮填料的A反應(yīng)器混合液中Zeta電位隨EPS中蛋白質(zhì)含量遞減速率，粘度隨EPS中多糖含量遞增速率均比B反應(yīng)器快。DMBR中的懸浮填料可為污泥提供附著點(diǎn)，降低混合液中懸浮生長(zhǎng)的活性污泥量，減少膜表面濾餅層污泥的沉積量，進(jìn)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(yīng)器中膜組件上附著的污染物明顯比B反應(yīng)器少。綜上可知，投加懸浮填料有利于延緩膜污染。

[1]張玉潔,李小利,趙繼紅. 動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（DMBR）研究進(jìn)展[J]. 膜科學(xué)與技術(shù), 2012, 32(3): 117-123.

[2]Wu Y, Huang X, Wen X, et al. Function of dynamic membrane in self-forming dynamic membrane coupled with bioreactor[J]. Wat Sci Tech, 2005,51(6-7): 107-114.

[3]Le-Clech P., Chen V., Fane T.A.G. Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment [J]. Journal of Membrane Science, 2006, 284(1-2): 17-53.

[4]黃剛?cè)A,尤朝陽,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.

[5]羅曦,雷中方,張振亞,等. 好氧/厭氧污泥胞外聚合物（EPS）的提取方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(12):1624-1629.

[6]鄧麗莉,潘曉倩,生吉萍,等. 考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定蘋果組織微量可溶性蛋白含量的條件優(yōu)化[J].食品科學(xué),2012, 33(24): 185-189.

[7]池源,王麗波. 苯酚-硫酸法測(cè)定南瓜籽多糖含量的條件優(yōu)化[J]. 食品與機(jī)械, 2014, 30 (1): 89-92.

[8]Chang I, Kim S. Wastewater treatment using membrane filtration-effect of biosolids concentration on cake resistance[J]. Process Biochem,2005,40(3) : 1307-1314.

[9]Wilén B M, Jin B, Lant P. The influence of key chemical constituents in activated sludge on surface and flocculating properties [J]. Wat Res, 2003, 37(9): 2127-2139

[10]曹占平,趙連梅,張宏偉,等. MBR中胞外聚合物對(duì)混合液過濾性能的影響[J].中國(guó)給水排水,2012, 28 (11): 65-68.

[11]劉陽,張捍民,楊鳳林.活性污泥中微生物胞外聚合物(EPS)影響膜污染機(jī)理研究[J].高效化學(xué)工程學(xué)報(bào), 2008, 22(2): 332-338.

[12]張斌,孫寶盛,金敏,等. 浸沒式一膜生物反應(yīng)器膜污染物中胞外聚合物的提取與分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2007,27(3):391-395.

[13]Chang I, Kim S. Wastewater treatment using membrane filtration-effect of biosolids concentration on cake resistance[J]. Process Biochem,2005,40( 3 /4) : 1307 －1314.

[14]薛罡,邱恒,劉亞男,等. 改性EPS膜在MBR中膜阻力分析及膜污染機(jī)理研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2010, 4(5):1089-1095.

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(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)課題(2014ZX07405003)

趙秋燕（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)椋?水處理理論與技術(shù)。