摘要：小試和中試研究結(jié)果表明：粉狀活性炭在膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)中具有改善泥水混合液的性質(zhì)和 膜表面泥餅層結(jié)構(gòu)的作用，從而減小了膜的過濾阻力，減緩了膜通玻璃幕墻量的下降。向膜生物反應(yīng)器內(nèi)投加粉末活性炭是提高和維持膜通量的有效途徑，并且可以降低運(yùn)行費(fèi)用。 

 

關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器 粉末活性炭 膜通量 膜阻力

 

Effects of Dosing Powdered Activated Carbon into Membrane Bioreactor (MBR) on Membrane Resistance

Abstract：The laboratory scale and pilot scale tests on MBR showed that dosing PAC could i mprove characteristics of mixed liquor and the structure of cake layer on the su rface of membrane,and therefore filtration resistance was reduced and flux in de cline was retarded.The experimental results showed that dosing PAC was an effect ive way to increase membrane flux and decrease the operating cost of MBR.

Keywords:MBR;PAC;membrane flux;membrane resistance

　　目前，限制膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor,MBR)廣泛應(yīng)用的主要原因是該系統(tǒng)的運(yùn)行 費(fèi)用較高，而膜折舊在運(yùn)行費(fèi)用中又占有相當(dāng)大的比例。降低膜折舊費(fèi)用的方法有兩種，其 一是增加膜的工作壽命；其二是增加膜的工作通量，從而降低所需的膜面積。采取低壓操 作、間歇運(yùn)行、紊流曝氣等措施可在一定程度上減緩膜污染和堵塞［1］，在上述基礎(chǔ)上，筆者又對(duì)在MBR系統(tǒng)中投加粉末活性炭(PAC)的效果進(jìn)行了研究。

　　1 理論依據(jù)

　　1.1膜比通量

為比較不同膜面積、不同工作壓力下膜的透水特性，引入膜比通量(Specific Flux,SF) 的概念。定義SF是基于在較低壓力下工作的膜出水量與膜面積和工作水位差之積的比值，用公式表示如下：

SF=Q/(AH)=J/H　　　　　　 (1)

式中　SF——膜比通量，m3/(m2·m·s )

J——膜通量，m3/(m2·s)

Q——膜組件出水量，m3/s

A——膜表面積，m2

　　　　　H——工作水位差，m

1.2 膜通量的基本方程

日本學(xué)者Shimizu Y.等人分析了膜通量下降的因素，提出了膜通量與膜阻力的關(guān)系［2 ］：

J＝ΔP/(μ·Rt) (2)

式中ΔP——作用于膜兩側(cè)的壓差，Pa

μ——滲透液的粘度，Pa·s

Rt——膜的總阻力，m-1

膜的總阻力可以表示為：

Rt=Rm+Rp+Rc (3)

式中Rm ——純膜阻力，m-1

Rp——膜污染阻力，m-1

Rc——濾餅層阻力，m-1

　　2 試驗(yàn)方法

　　2.1 小試 

小試歷時(shí)4個(gè)月，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

 

　　為方便比較，進(jìn)水水質(zhì)與運(yùn)行方式均與不投加PAC的試驗(yàn)基本相同。采用間歇出水的方 式，出水時(shí)間與空曝時(shí)間之比為7∶3，其他主要控制參數(shù)：水溫為18～28℃；曝氣量為0.2～0.27 m3/h；膜上作用水頭為7kPa；PAC投加濃度為2000 mg/L； 平均進(jìn)水CODCr=250 mg/L(其中BOD5∶N∶P按100∶5∶1計(jì))；MLSS=8000 mg/L；SRT=100d。

2.2 中試

在原有的中試裝置［3］運(yùn)轉(zhuǎn)近5個(gè)月時(shí)取出膜組件，將膜表面的泥餅清洗干凈后放回。向反應(yīng)器中一次性投加2000 mg/LPAC，其他試驗(yàn)參數(shù)及運(yùn)行方玻璃幕墻式與不投加PAC時(shí)基本相同［3］。每周期處理水量為280L/h；HRT為6.25h；氣水比為30∶1；平均排泥量為30L/d；MLSS維持在7500mg/L左右(平均含有1700 mg/L的PAC)；SRT為30d；溫度維持在24～27℃；反應(yīng)器內(nèi)混合液pH值維持在7.0左右。

　　3 小試結(jié)果與討論

　　3.1 投加PAC對(duì)膜比通量的影響 

　　投加與不投加PAC對(duì)膜比通量的影響見圖2。

 

　　由圖2可見：

①未投加PAC的MBR中膜比通量的變化可分為兩個(gè)階段。投入運(yùn)行后的前5d屬于快速下 降階段，膜的比通量由6.61×10-6m3/(m2·m· s)降至3.25×10-6m3/(m2·m·s)，其日均降低速率為6.72×10-7m3/(m2·m· s)。此后MBR即進(jìn)入運(yùn)行的相對(duì)穩(wěn)定階段，膜比通量的日均下降速率僅為1.54×10-8m3/(m2·m·s)。

②投加PAC的MBR在投入運(yùn)行后并沒有出現(xiàn)快速下降期，膜比通量隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而緩 慢下降，日均下降率為2.69×10-8m3/(m2·m· s)。

③投加PAC后穩(wěn)定運(yùn)行階段的膜比通量較投加PAC前明顯增大。在運(yùn)行時(shí)間相同(約100d) 的條件下，未投加PAC的MBR中膜比通量?jī)H為1.81×10-6m3/(m2·m·s)，而投加PAC的MBR中膜比通量為5.14×10-6m3/(m2·m·s)，為前者的2.84倍。可見在MBR中投加PAC對(duì)維持較高膜比通量具有顯著效果，大大提高了產(chǎn)水量。

　　3.2 PAC與活性污泥的相互作用 

在試驗(yàn)?zāi)┢诘溺R檢中發(fā)現(xiàn)，成熟活性污泥絮體的體積比PAC顆粒本身的體積大得多，每個(gè)較為獨(dú)立的菌膠團(tuán)中含有一顆或多顆PAC顆粒，鑲嵌在污泥里僅起骨架作用。根據(jù)PA C及菌膠團(tuán)的性質(zhì)，在向MBR中投加PAC 后，炭粒與菌膠團(tuán)之間即存在相互作用。最初，PAC 的吸附性和微生物的附著性使得混合液中大量的游離細(xì)菌、生物絮體迅速地包圍PAC顆粒，形成較大的絮體；隨著該絮體中微生物的數(shù)量增多，分泌的胞外聚合物也增多，當(dāng)其他絮體 或游離細(xì)菌接近時(shí)，各自的胞外聚合物不規(guī)則地纏繞在一起，從而使絮體進(jìn)一步凝 聚形成一個(gè)以PAC顆粒為骨架的大絮體，二者的相互作用使含有PAC顆粒的大絮體在曝氣強(qiáng)度 較大的MBR中穩(wěn)定存在。

　　3.3 PAC對(duì)MBR膜阻力影響的定量分析

投加PAC可形成粒徑更大、強(qiáng)度更高、粘性更小的礬花。隨著污泥絮體性能得以改善，膜阻 力隨之減小。各項(xiàng)阻力的測(cè)量方法如下：①純膜阻力Rm。清水試驗(yàn)時(shí)，沒有膜污染阻 力和濾餅層阻力，Rt與Rm數(shù)值相等。②膜污染阻力Rp。系統(tǒng)運(yùn)行到80 d 時(shí)，膜污染的發(fā)展已趨于穩(wěn)定。取出膜并將其表面泥餅清洗干凈，立即測(cè)定清水通量，測(cè)得 的阻力為Rm與Rp之和。③濾餅層阻力Rc。在穩(wěn)定運(yùn)行90 d時(shí)，膜表面泥 餅層已處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)由通量算得的阻力為Rm、Rp和Rc之和。

在本試驗(yàn)中，取μ=1×10-3 Pa·s(假設(shè)濾液的粘度與清水的一樣，溫度為25℃ )，由此可按式(2)求得投加PAC后的各種膜阻力值(見表1)，不投加PAC時(shí)的各項(xiàng)膜阻力值也列入表1。

 

表1 投加與未投加PAC的膜阻力比較

膜各部分阻力

投加PAC

未 投加PAC

阻力值

(1012 m-1)

占總阻力的比例

(%)

阻力值 

(1012 m-1)

占總阻力的比例

(%)

純膜阻力Rm

1.20

66.7

1.20

22.1

膜污染阻力RP

0.39

21.7

1.44

26.6

濾餅層阻力Rc

0.21

11.6

2.78

51.3

總阻力Rt

1.80

100

5.42

100

 

　　從表1可知：①投加PAC后，膜污染阻力Rp和濾餅層阻力Rc均減小，其中前者降 低了約73%，后者降低了約92.4%；由于兩次試驗(yàn)所用的膜相同，純膜阻力Rm差別很小 ，使得投加PAC后，膜總阻力中主要部分由不投加PAC時(shí)的濾餅層阻力和膜污染阻力變成純膜 阻力，這說明投加PAC對(duì)減小膜污染阻力和延緩濾餅層的形成是有效的。②處于穩(wěn)定運(yùn)行的M BR，膜表 面泥餅層處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，其阻力可視為常數(shù)。當(dāng)投加PAC的膜組件膜污染阻力達(dá)到(假設(shè) 能達(dá)到)未投加PAC的膜組件膜污染阻力時(shí)，其膜總阻力為純膜阻力、投加PAC時(shí)濾餅層阻力 與未投加PAC時(shí)膜污染阻力之和，數(shù)值為2.85×1012 m-1。此時(shí)對(duì)應(yīng)的膜比通量[應(yīng)用式(2)和式(1)，且設(shè)ΔP=9 806 Pa］SF為3.44×10-6 m3/(m2·m·s)。若以投加PAC后的MBR中比通量隨運(yùn)行時(shí)間的日均下降率計(jì)，從運(yùn)行開始到穩(wěn)定運(yùn)行階段需歷時(shí)161d。根據(jù)對(duì)投加PAC后MBR中污泥性狀的觀察，到達(dá)此穩(wěn)定運(yùn)行階段之后，通量衰減速度低于未投加PAC的MBR中的通量衰減速度。

4 中試試驗(yàn)

　　4.1 投加PAC對(duì)混合液COD濃度的影響

試驗(yàn)中混合液與出水的COD之差列于表2。

 

表2 投加PAC前后的混合液與出水COD之差

混合液與出水COD之差

投加PAC

未投加PAC

平均值(mg/L)

4.5

33.1

最小值(mg/L)

0

15.2

 

　　從表2可見：投加PAC后膜內(nèi)外COD之差的平均值降低了很多(約為0 mg/L)。有研究表明 ［1］，MBR系統(tǒng)在遭受COD沖擊負(fù)荷時(shí)，膜出水COD基本不受影響，而系統(tǒng)內(nèi) 混合液COD增加，同時(shí)膜通量迅速降低。這表明混合液與出水的COD之差是通過 膜和膜表面的泥餅層截留作用而減少的，降低此差值對(duì)維持MBR的膜通量非常有利。

　　4.2 投加PAC對(duì)活性污泥的影響 

　　投加PAC通過改善活性污泥絮體及泥餅層的性質(zhì)來減緩膜通量的下降。在投加PAC后，污泥絮體更易互相吸附、聚集而體積更大、粘性更小，因而其在膜表面形成的泥餅層比較疏松，透水性好。未投加PAC時(shí)，手洗膜表面泥餅層發(fā)現(xiàn)泥餅有較強(qiáng)的粘性，與膜表面粘附較緊，不易清洗；而投加PAC后的泥餅則比較硬，粘性很小，只需用清水稍沖就可脫落。在投加PAC前后，從膜表面分別取一小塊泥餅，將其橫、縱斷面分別切開(如圖3)，取厚度基本相同的小切片在普通顯微鏡下觀察，結(jié)果如表3。

 

 

表3 投加PAC前、后泥餅的橫縱切面 情況比較

斷面

橫斷面

縱斷面

未投加PAC

無可見孔隙，在顯微鏡下呈土褐色

無可見孔隙，結(jié)構(gòu)比橫斷 面更緊密，在顯微鏡下呈更暗的顏色

投加PAC

有可見孔隙，透光率約40%

有可見孔隙，透光率約20%

 

　　投加PAC后，泥水混和液及污泥絮體的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有所改變，因而形成的泥餅層性質(zhì)、結(jié)構(gòu)也與未投加PAC時(shí)不同。投加PAC后的泥餅層呈疏松堆積狀態(tài)，后生孔道更多更大，不易堵塞，因此泥餅層造成的膜阻力大大降低。

投加PAC是通過提高污泥的沉淀性能來改善污泥的泥水分離性。投加PAC后，污泥絮體顆粒變大，SVI值也下降(可達(dá)60mL/g左右)，這大大改善了污泥的泥水分離性能，減緩了泥餅的形成。

通過上述分析可見，PAC在MBR中可影響泥水混合液各方面的性質(zhì)，包括污泥絮體的性質(zhì)、混合液中的有機(jī)物濃度、泥水分離性能等，從而引起膜污染阻力、膜表面泥餅結(jié)構(gòu)及該阻力的 有利變化，其宏觀結(jié)果就是大大減緩了膜通量的下降，使得單位膜面積在膜壽命期內(nèi)的產(chǎn)水 量大大提高。

　　4.3 PAC的消耗量 

　　MBR系統(tǒng)在排泥時(shí)會(huì)排出部分PAC，為維持反應(yīng)器內(nèi)PAC的濃度，需補(bǔ)充PAC。若MBR系統(tǒng)的水力停留時(shí)間為6 h，污泥停留時(shí)間為30 d，PAC的投加量為2000 mg/L，則處理單位體積水消 耗的PAC量約為16.7 mg/L。

　　5 結(jié)論

　　通過小試和中試的研究表明，向MBR系統(tǒng)內(nèi)投加PAC是降低膜過濾阻力、提高膜通量的有效途徑。

①在小試中，投加PAC并運(yùn)行約100d時(shí)，膜比通量從未投加PAC時(shí)的1.81×10 -6 m3/(m2·m·s)增加到5.14×10 -6 m3/( m2·m·s)。PAC有效地減小了濾餅層阻力(從原來占膜總阻力的51.3%降到11.6%)，從而說明了投加PAC是使膜比通量增加的實(shí)質(zhì)性原因。

②在中試中，向反應(yīng)器內(nèi)投加PAC可降低膜內(nèi)、外COD濃度之差，形成體積更大、粘 性更小、強(qiáng)度更高的污泥絮體，并在膜表面形成更加疏松的泥餅層，大大改善了污泥的可過 濾性，提高了膜通量。

③向MBR系統(tǒng)投加PAC后，處理單位體積水消耗的PAC 量約為16.7 mg/L，對(duì)運(yùn)行費(fèi)用影響不大。