旋轉膜組件對污染物去除效能及膜污染控制的影響

胡麗麗,趙秋燕

(合肥城市學院，安徽 合肥 238079)

近幾年采用膜法凈化污水的理論及應用已成為水處理研究領域的熱點話題，然而膜污染一直是限制其推廣的瓶頸性因素.目前，常規膜組合工藝采用的膜組件靜置于反應器中，污泥混合液在膜表面形成的濾餅層被認為是引起膜污染的主要原因[1].水流的紊動是水處理生物反應器中物質和能量傳遞的重要動力因素，不僅影響活性污泥的特性及微生物的生長和代謝能力，同時也成為水處理生物反應器運行效果和效能的關鍵因素[2].

由于水流狀態決定了活性污泥處理系統中物質和能量傳遞的主要功能,因此水力條件對活性污泥處理系統的特性有著重要影響[3].本文采用的旋轉膜組件在反應器中不僅可以替代傳統攪拌器，使得反應器內氣相、液相及污泥絮體間的相互碰撞產生不同的剪切作用，強化了系統對污水中各污染物的去除效能，而且膜組件的旋轉作用產生的離心力會使膜表面沉積的松散濾餅層污泥絮體不斷脫落，濾餅層變薄，有效延緩了膜污染進程.

1 實驗條件及方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，主要有原水箱、高位水箱和生物反應器(材質均為有機玻璃)，其中一組生物反應器(尺寸為25 cm×25 cm×50 cm)內安裝旋轉膜組件(反應器A)，反應器內部設置沿垂直方向延伸的中空轉軸，膜組件固定在中空轉軸上，當中空轉軸以一定速度轉動時，帶動膜組件在反應器中旋轉，本實驗膜組件轉速采用的是15 r/min.膜組件選用材質為300目的尼龍布，有效過濾面積約為0.06 m2.中空轉軸的內部固定安裝有一個同軸設置的集水管，膜組件過濾后出水進入集水管經蠕動泵抽吸后排出，曝氣池底部安裝曝氣軟管，經空氣泵對反應器內部提供氧氣，反應器內溶解氧含量經轉子流量計控制在2～3 mg/L.曝氣池水力停留時間為8 h.

1.進水泵，2.閥門，3.空氣泵，4.轉子流量計，5.曝氣軟管，6.旋轉膜組件，7.集水管，8.中空轉軸裝置，9.壓力表，10.出水泵

1.2 實驗水質及污泥特性

實驗用水為人工配置的模擬生活污水：分別選用磷酸二氫鉀提供磷源，氯化銨提供氮源，乙酸鈉提供碳源，投加適量的微量元素及碳酸氫鈉為緩沖物質.兩組反應器原水均來自同一個進水箱，進水水質相同.原水水質：COD為350～400 mg/L，NH3-N為30～40 mg/L，TP為3～5 mg/L，pH為7～8.

接種污泥取自合肥市某污水處理廠曝氣池，連續悶曝48 h，靜置充分后倒掉上清液，加入人工配置好的模擬生活污水.取100 mL活性污泥靜置0.5 h后，測得活性污泥SV30為20%，沉降性能好，污泥質量濃度約4 100 mg/L.活性污泥為黃褐色，在顯微鏡下觀察微生物活性較好.

1.3 實驗方法

將接種污泥分別倒入2組反應器中，24 h連續曝氣后充分靜置，將上清液排出，加入人工配置的模擬生活污水進行穩定培養.經7 d的培養馴化，活性污泥呈現亮黃色且鏡檢時微生物較多，各污染物的去除率基本穩定在80%以上.如此循環運行，直至污泥質量濃度達到期望值(5 000 mg/L左右)，膜組件表面開始形成一層生物膜，系統進入啟動階段.試驗運行周期為30 d，裝置運行期間不排泥.

1.4 分析項目與方法

COD、NH3-N、TP及SVI的測定按照《水和廢水監測分析方法》[4]進行檢測.溶解氧DO由溶解氧儀(HACH LDO101)測定.污泥粒徑由粒度儀(Malvernsizer 2000)測定.混合液黏度采用NDJ-8S旋轉黏度計測定.PCR-DGGE圖譜分析采用美國Bio-Rad Power Pac Basic 電泳儀測定.膜阻力

式中:R為膜阻力，m-1；ΔP為跨膜壓差，kPa；μ0為混合液黏度，mPa·s；J為膜通量，L·m-2·h-1.

2 結果與討論

2.1 污染物去除效能的比較

2.1.1 對脫氮除磷及有機物的影響

脫氮除磷，COD去除效果如圖2、圖3所示.運行期間，反應器A對NH3-N、TP、COD去除率分別為84.34%、94.76%、96.44%，分別比反應器B提高了5.84%、3.96%、3.97%.與反應器B相比，反應器A中的旋轉膜組件除了有固液分離作用以外，還起著攪拌作用.膜組件以一定轉速旋轉時，會引起水流的紊動特性.有研究指出水流狀態會影響活性污泥處理系統中物質和能量的傳遞，從而影響系統中活性污泥的處理效能[5-6].

圖2 脫氮除磷效果對比

圖3 COD去除效果對比

活性污泥系統中混合液的紊動特性會促進活性污泥反應器中微生物之間互相碰撞、聚集，產生有效碰撞，是形成降解性能良好的活性污泥的首要動力學因素[7].反應器A中旋轉膜組件引起的適度紊動可以使活性污泥中微生物、有機底物和溶解氧三者之間充分混合，有利于促進氧氣和營養物質的傳遞，提高微生物的生長繁殖速度.

2.1.2 變性梯度凝膠電泳分析(DGGE)

物種是構成生物群落而組成生態系統的基本單元，生物多樣性的關鍵因素取決于遺傳多樣性[8].目前，DGGE技術已廣泛用于分析自然環境中古菌、微型真核生物、細菌、藍細菌、真核生物及病毒群落的生物多樣性.通過DGGE分析后得到的指紋圖譜，每一個條帶代表某個微生物優勢菌群，通過測序和序列比對，可以得出此優勢菌群的種類.條帶信號的強弱能夠反映菌種的數量.

由圖4可以看出，A反應器中微生物群落豐富程度整體較高.分析對比條帶發現，條帶 4、6在A、B反應器中均存在，表示該條帶所代表的微生物為A、B反應器的共有菌群，通過信號強弱可見即使是共有菌群在不同反應器中的優勢地位也有差異，如條帶4在B反應器中可視為頂級優勢菌群，但在A反應器中只是一般優勢菌群.條帶 1、2、3、6、7 在反應器A中信號較強.綜合DGGE圖譜分析來看，說明A、B反應器污染物去除效能的差異，很大程度上與系統內部的微生物群落結構及豐富程度變化有關.膜組件旋轉引起的水流剪切力會刺激微生物的呼吸作用，使活性污泥有所增加，改變活性污泥的微生物生態系統[7].

圖4 DGGE分離圖譜對比

2.2 膜污染控制的比較

2.2.1 對污泥粒徑及污泥容積指數的影響

活性污泥的粒徑及污泥容積指數均與膜污染有關.混合液中污泥粒徑的大小不僅影響處理后的出水水質，還影響活性污泥顆粒在膜組件表面的沉積，從而影響膜污染進程[9].Choi等[10]研究指出，當系統發生污泥膨脹時，膜污染狀況會更嚴重.Chang等[11]也發現反應器中污泥膨脹產生的泡沫對膜的污染能力比正常污泥高100倍.

如圖5所示，與反應器B相比，反應器A中活性污泥顆粒粒徑分布整體向后平移，反應器A、B中粒徑小于10 μm的污泥顆粒體積分數分別為4.13%、5.62%，且污泥平均粒徑分別為92.92 μm 和68.18 μm，這表明在運行后期，反應器A中活性污泥絮體顆粒的平均粒徑比反應器B中的大.圖6表明反應器A在運行期間污泥容積指數SVI一直低于反應器B，反應器A中SVI值在100～150 mg/L波動，反應器B中SVI值在110～250 mg/L波動.

圖5 污泥粒徑分布對比

圖6 污泥容積指數SVI對比

旋轉膜組件在系統中引起適度的水流剪切力，會使得活性污泥中微生物的種類和數量發生改變，影響活性污泥的碰撞、聚集，以及污泥絮體的形態、粒徑、孔隙結構、沉降性能、活性、濃度、污染物降解速率等理化特性[12].因此，反應器A中有利于形成密實度更高、沉淀性能更好、活性更強的顆粒污泥.

2.2.2 對膜通量及膜阻力的影響

膜污染，是指在膜過濾過程中，水中的微粒、膠體粒子或溶質大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產生透過流量與分離特性的不可逆變化現象.膜污染會導致膜通量的降低及膜阻力的增加.膜通量(或稱透過速率)是膜分離過程的一個重要工藝運行參數，是指單位時間內通過單位膜面積上的流體量，由圖7、圖8可見，運行期間，反應器A膜通量降低速率、膜阻力增加速率均小于反應器 B.反應器B在運行第17 d時，由于膜污染較嚴重導致膜通量較低，對膜組件進行了清洗，清洗后的膜通量恢復率為95.28%.發生這種現象的可能性原因為反應器A中膜組件旋轉可以通過產生剪切力來加劇水流紊亂程度來減緩膜污染.膜組件表面形成的濾餅層在離心力的作用下脫落，降低了濾餅層的厚度，進而延緩了膜污染進程.

圖7 膜通量對比

圖8 膜阻力對比

3 結論

1)生物反應器內旋轉膜組件增大了水流的紊動特性，直接影響活性污泥的降解性能.適度的紊動會促進固相、液相、氣相三者的充分接觸，提高微生物降解污染物的效率.DGGE圖譜表明，膜組件旋轉引起的水流剪切力改變了反應器內的微生物菌群種類和數量，進而影響污染物的去除效能.

2)旋轉膜組件引起的水流剪切力能使活性污泥形成密實度更高、沉淀性能更好、活性更強的顆粒污泥，增大污泥顆粒的尺寸，改善污泥的沉降性能.

3)膜表面的濾餅層會在旋轉膜組件引起的離心力作用下松散或脫落，降低濾餅層的厚度，進而延緩膜通量的降低及膜阻力的增加速率.