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《水處理技術雜志》2015年第十二期

摘要：

以缺氧-好氧平板膜生物反應器（A/O-MBR）污水處理系統為基礎，對校園生活污水進行處理，考察了膜污染的狀況以及尼龍濾網在延緩膜污染方面的作用。結果表明，尼龍濾網表面形成的自生動態膜層可在一定程度上對膜污染起到延緩作用；平板膜組件經自來水洗-酸洗-堿洗后，膜通量得到有效復原,其中單純堿洗使膜通量恢復50%左右；尼龍濾網的清洗方式采用大強度的空曝氣法，可較為有效的控制濾網表面的污染。

關鍵詞：

A/O-MBR；尼龍濾網防護罩；動態膜；膜污染缺氧-好氧-平板膜生物反應器（A/O-MBR）在污水處理及回用方面應用前景廣闊，具有處理效果好、占地面積省及系統穩定性高等特點。但在運行過程中，膜污染導致了出水率降低、膜元件的清洗和膜組件更換頻率增多，進而增加運行管理成本，影響膜生物反應器的推廣應用[1]。為探討減緩膜污染的有效措施，利用實驗室A/O-MBR對校園生活污水處理進行了研究，在好氧區放置2組平板膜組件，其中1組加設尼龍濾網防護罩。在優化運行工況下分別獨立運行2組平板膜組件，考察分析系統運行過程中膜污染的變化情況。

1實驗部分

1.1實驗材料實驗污水取自某校總排污口處。該污水來自校園內的學生宿舍、公共澡堂、學校餐廳等生活設施，屬典型的生活污水，COD為221～494mg/L，pH為6.7～7.5，NH3-N、TN、TP的質量濃度分別為24.3～67.6、46.8～89.6、2.43～6.52mg/L。實驗接種污泥取自青島某污水處理廠二沉池，接種污泥的質量濃度約8g/L。

1.2實驗裝置實驗裝置采用一體式污水處理實驗平臺，該平臺為鋼制結構，由缺氧區、好氧區及清水池（好氧區與缺氧區的體積比為2:1）等部分組成，并通過中控臺來控制A/O-MBR系統的進水、出水、曝氣、混合液回流及缺氧區的攪拌等操作。實驗工藝流程如圖1所示。

1.3膜組件實驗所采用的膜組件為浸沒式平片（板）膜組件（GHM-80-20型），膜元件20片，孔徑40nm，有效膜面積16m2，產水量8～13L/d，使用溫度5～40℃。將2組浸沒式平板膜組件安裝在好氧池末端中，其中1組平板膜組件（1#）外加設尼龍網防護罩，防護罩采用不銹鋼框架和聚酰胺纖維（俗稱尼龍）濾網制作而成，尼龍濾網孔徑為篩孔0.38mm；另1膜組件（2#）不設防護罩。

1.4實驗方法采用正交實驗確定了A/O-MBR系統的優化運行工況，即混合液回流體積比（IR）為200%，HRT為8h，氣水體積比（GWR）為25:1（曝氣體積流量為20m3/h），同時采用溶解氧儀監測該工況下好氧段、缺氧段DO的質量濃度分別為3～4mg/L、0.23～0.42mg/L。采用恒通量出水方式，在優化運行工況下測定跨膜壓差（TMP）、過濾阻力以及膜面胞外聚合物（EPS）含量，對2組膜組件進行比較分析，考察平板膜的污染狀況，分析膜防護罩（尼龍濾網）對減緩膜污染的作用；同時，考察平板膜及尼龍濾網防護罩經清洗后膜通量的恢復程度，以膜通量恢復率W表示。

2結果與討論

2.1膜組件運行情況

2.1.1TMP的變化為考察系統在優化運行工況下的膜污染情況及尼龍濾網防護罩對延緩膜污染的影響，正交實驗完成后，將膜從好氧區取出并進行清洗。設計膜通量為0.975m3/h、HRT為8h。在每隔2d的9：00和17：00時觀測2組膜分別運行時系統的TMP，取2次數據的平均值作為2組膜的最終TMP。系統TMP變化如圖2所示。從圖2可知，兩膜組件分別運行時，TMP均出現2個不同的變化階段。1）穩定期。1#膜組件運行前36d，TMP比較平穩，基本保持在7.2kPa；2#膜組件運行前41d，TMP基本穩定在7.6kPa，略高于1#膜組件，主要原因是尼龍濾網表面形成的動態膜具有一定的過濾阻力。2）緩慢增長期。經歷了穩定期的初始污染，平板膜孔道出現堵塞，EPS（胞外聚合物）的沉積導致TMP緩慢升高。1#膜組件運行第40－58天以及2#膜組件運行第43－67天的TMP緩慢增長，且2#膜組件持續時間相對較長，表明尼龍濾網表面形成的動態膜延緩了膜污染速率，隨著時間的推移和TMP的升高，動態膜TMP增長對系統TMP的增長影響較小，因此在這一階段出現了2條曲線相交的情況。3）快速增長期。TMP出現了較大幅度的躍升。1#膜組件在運行至第61天之后TMP快速躍升，第73天TMP升至19.3kPa；2#膜組件在運行至第70天后TMP出現躍升，第83天TMP升至19.2kPa。BrookesA等人研究也表明，膜污染一般存在3個階段，即初始污染、緩慢污染及TMP躍升階段[2-5]。從本實驗3個階段TMP的變化趨勢來看，加設尼龍濾網的2#膜組件運行時，初始污染階段和緩慢污染階段持續時間較長，污染速率較1#膜組件緩慢，雖然尼龍濾網表面生成的動態膜使TMP的基數略有增加，但動態膜能夠截留部分細小顆粒及溶解性物質，從而緩解膜孔堵塞的速率，起到減緩平板膜污染的作用。

2.1.2膜過濾阻力變化實驗完成后將膜片取出，以2#膜組件為例，測定膜本身的阻力Rm、濾餅層阻力Rrf、不可逆污染阻力Rirf及他們之和膜污染總阻力Rt，以考察其內外膜阻力的分布狀況，結果見表1。從表1可以看出，膜孔堵塞和凝膠層所造成的內部污染阻力占比最大，這表明內部污染阻力是導致膜污染的主要因素[6-9]；濾餅層所產生的外部阻力占比較小，膜自身阻力占比則最小。相關研究分析可知，動態膜的過濾阻力相較于微濾膜、超濾膜要低2～3個數量級[10-11]。因此本實驗中，相對于平板膜的過濾阻力，尼龍濾網表面動態膜產生的阻力較小。在動態膜過濾阻力分布中，濾餅層阻力Rrf占據主導地位，約為90%，這表明由濾餅層引起的污染是造成尼龍濾網污染的主要因素，通過對尼龍濾網進行空曝氣清洗可明顯恢復其通量；凝膠層和膜吸附阻力僅占總過濾阻力的10%，內部阻力、外部阻力在平板膜和動態膜污染中所占的比重差異較大，這可能是微生物及其代謝物以及一些有機物質對膜基表面產生了改性作用，與動態膜產生的過濾阻力相互抵消的結果[12]。

2.1.3EPS在膜面的分布實驗在2次清洗時將2組平板膜的膜面物質進行提取，通過測定水樣中的COD來表示胞外聚合物（EPS）活性，分析污泥層與凝膠層中EPS的含量與膜污染的相關性，考察尼龍濾網表面形成的動態膜對平板膜面EPS含量的影響。EPS含量隨時間的變化如表2所示。從表2可以看出，2組膜組件的TMP與凝膠層EPS含量變化趨勢大致相同，TMP均隨凝膠層EPS含量的增加而升高，而污泥層EPS含量與TMP無明顯關系，這說明凝膠層EPS含量與膜污染有一定相關性；1#膜組件膜面EPS總含量高于2#膜組件膜面EPS總含量，表明尼龍濾網表面形成的動態膜層可在一定程度上減緩膜污染。增設尼龍濾網的膜組件膜面EPS含量較少，可能是濾網表面形成的自生動態膜上附著了生物層，相當于通過增加生物量以提高微生物的分解速率，一定程度上減少了溶解性EPS（S-EPS）及結合性EPS（B-EPS）的產生量。此外，混合液黏度升高會使污泥絮體較易吸附在平板膜表面，減小了通過曝氣產生的水力剪切作用，從而加劇膜污染的程度[13]。較為松散的外層結合性EPS（LB-EPS）中含有較多的結合水，就整個系統而言，動態膜的形成減少了反應器內LB-EPS的含量，從而降低了污泥絮體內結合水的總含量，污泥絮體孔隙率變小，密度變大，沉降性能增強，反應器中活性污泥性質隨之改善。

2.2平板膜及尼龍濾網清洗

2.2.1平板膜清洗實驗對平板膜進行了2次清洗。清洗方式均為：自來水水洗→酸洗→堿洗。第1次清洗是在正交實驗完成后，以更準確地研究優化工況下膜污染的狀況；第2次清洗是在全部實驗完畢后，通過清洗延長了平板膜使用壽命，同時改善了A/O-MBR運行穩定性。首先將膜從好氧區中取出，觀察1#、2#組件中膜片的外觀狀況，發現1#組件的污染情況比2#嚴重。2組膜片表面均附著了污泥層，凝膠層則存在于污泥層與膜面之間。如圖3所示。清洗完畢后，測定膜通量，考察不同清洗方式對膜通量恢復的貢獻率。其中2#平板膜片清洗后通量恢復狀況見表3。由表3可知：1）自來水洗對去除膜污染有一定的效果，盡管貢獻較小，但可對污泥層和凝膠層結構造成一定的破壞，為下一步酸洗奠定了基礎；2）酸洗的膜通量恢復率貢獻分別約27.3%、30.2%。主要去除無機污染物；3）堿洗的貢獻分別約49.6%、44.7%。堿洗主要去除了EPS等有機物，起到了決定性作用。通量恢復效果較理想。

2.2.2尼龍濾網清洗在選擇尼龍濾網的清洗方式時需要考慮濾網表面形成的自生動態膜對出水通量的影響[14]。其表面污染一定程度上能對污染物進行阻擋，從而延緩平板膜的污染進程。由于化學清洗會對尼龍濾網表面形成的凝膠層造成嚴重破壞，因此，實驗運行過程中，采用空曝氣清洗法使水流攪動形成錯流，對尼龍濾網表面產生一定沖刷作用，從而很大程度地減輕污染，對濾網通量的恢復起到明顯的促進作用[15]。實驗確定空曝強度為30m3/h，空曝時間約1h。第1階段正交實驗完成后，對尼龍濾網進行空曝氣清洗后發現，濾網表面僅有很薄1層糊狀物質附著在表面，可能為凝膠層，可見大強度空曝氣對控制尼龍濾網表面污染效果明顯。這可能是尼龍濾網未直接受到真空泵抽吸，壓力較小，其表面污染層不易沉積，且濾網表面較光滑，空曝氣對濾網表面污泥層的去除效果顯著，因此其污染程度較輕。空曝氣清洗完成后，恢復系統的正常運行。尼龍濾網表面又開始逐漸附著新的污泥層，直至構成完整的再生動態膜。比較而言，空曝氣清洗方式是控制這種由于濃差極化造成的濾餅層污染的較佳選擇。

3結論

實驗通過在膜組件上加設尼龍濾網對減緩膜污染情況進行了研究，主要得出以下結論：1）由TMP變化規律可知，加設尼龍濾網的2#膜組件穩定期和緩慢增長期持續時間比1#膜組件分別延長5d和6d，且TMP躍升后增長趨勢略緩，雖然尼龍濾網表面的自生動態膜會增大TMP基數，但同時也截留了部分微細顆粒和溶解性物質，從而降低膜孔堵塞的速率，延緩平板膜污染的進程；膜孔的堵塞和凝膠層所造成的內部污染阻力占總阻力約為54.6%，是導致膜污染的主要因素；尼龍網表面形成的動態膜的過濾阻力對平板膜的過濾阻力貢獻非常小，其中尼龍濾網濾餅層阻力約為總阻力的90%，作用最大；1#膜組件的膜面EPS總含量高于2#的膜面EPS總含量，表明尼龍濾網表面形成的動態膜層能起到延緩膜污染的作用。2）對平板膜進行了2次清洗。清洗方式均為自來水水洗→酸洗→堿洗，其單獨對膜通量恢復貢獻率分別約20%、30%、50%左右，堿洗對恢復膜通量起主要作用；采用定時大強度空曝氣對尼龍濾網進行清洗，對控制尼龍濾網表面污染效果較為明顯。

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作者：劉志強 劉麗 于月怡 程一橋 劉昌浩 單位：青島理工大學 環境與市政工程學院 青島房地產實業集團有限公司