活性炭海綿動態膜生物反應器用于污水處理提標改造中試研究

摘要：自行設計研發了以活性炭海綿作為膜基材的動態膜生物反應器，為污水處理的提標排放及資源化利用提供了科學依據及實際參考價值。詳細考察了該反應器對污染物的去除效果和運行特性，通過和現有污水處理廠處理效果比較，探索活性炭海綿基材動態膜生物反應器用于城市污水提標改造的可行性。結果表明，在水力停留時間8 h、污泥濃度8 000 mg/L的條件下，活性炭海綿動態膜生物反應器出水COD、NH3-N、TN和TP濃度分別≤35.0 mg/L、≤ 1.4 mg/L、≤10.2 mg/L和≤0.3 mg/L，出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》 GB189182002一級A標準。活性炭的吸附性能和海綿的空間結構特征協同作用強化了系統對污染物的去除效果，活性炭海綿動態膜生物反應器可完全取代現有污水廠深度處理工藝應用于提標改造。曝氣反沖洗可有效減緩出水通量下降，使系統出水通量穩定在30 L/（m2·h）左右。

關鍵詞：活性炭海綿；動態膜生物反應器；污水處理；提標改造

中圖分類號：X 703.1；Q 503

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）02008905

Abstract：Dynamic membrane bioreactor （DMBR） based on activated carbon sponge materials was studied and developed independently. The pollutant removal efficiency and operational characteristics were investigated in detail， and the feasibility of DMBR application in transformation of real wastewater treatment plant （WWTP） was discussed by comparing the effluents. Results showed that the concentrations of COD， NH3N， TN and TP in effluents were below 35.0 mg/L， 1.4 mg/L， 10.2 mg/L and 0.3 mg/L， respectively， with the HRT of 8 h and MLSS of 8 000 mg/L. The ultimate effluent was qualified to standard A of “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant” （GB 189182002）. Adsorption of activated carbon and the spatial structure of sponge synergistically strengthen the pollutant removal. DMBR can be used in upgrading and transformation of WWTP by replacing the existing advanced treatment process. The flux of the DMBR was recovered by intensified aeration backwashing and maintained steadily at the level of 30 L/（m2·h）.

Key words：Activated carbon sponge； Dynamic membrane bioreactor； Wastewater treatment； Upgrading and reconstruction

膜生物反應器（Membrane bioreactor， MBR）因其出水水質好、剩余污泥少、占地面積省在污水深度處理及提標改造中日益得到廣泛關注和推廣[17]，但膜材料價格和膜污染仍然是限制該技術大范圍應用的瓶頸[810]。為解決傳統MBR的不足，動態膜生物反應器（Dynamic membrane bioreactor， DMBR）應運而生。DMBR是建立在傳統MBR基礎之上的新型生物反應器，以無紡布、篩網等粗孔材料為膜基材，通過活性污泥過濾過程中形成的生物動態膜實現近似于微濾膜的過濾效果，該技術具有基建及運行費用低、膜污染易控制等優點[1112]。Seo等[13]、Hong[14]等研究發現，DMBR在處理效果和懸浮物截留均表現出很好的效果。武小鷹等[15]認為DMBR的工作壓力更小，膜材料具有再生性，通過水力沖洗可使膜通量恢復90%以上。

膜基材是DMBR的重要組成部分，會直接影響系統運行特性和污染物去除效果。國內外學者分別對篩網[1620]、無紡布[2123] 、織物[24] 、陶瓷[25]等作為膜基材進行了廣泛的研究。本課題組前期分別考察了以聚酯無紡布、聚丙烯無紡布、聚酯篩網、聚酰胺篩網、海綿等作為膜基材，發現所構成的DMBR對有機物和NH3-N均有較好的去除效果[2627]。

為了進一步改善出水水質，結合既往研究成果，將活性炭海綿作為DMBR的膜基材。活性炭海綿作為DMBR的膜基材，可將活性炭的吸附性能和海綿的過濾性能有機結合。活性炭海綿是采用高分子粘結材料將優質、吸附性能較強粉狀催化活性炭附載于聚氨酯發泡載體上制成的過濾材料，其含炭量在30%～50%，具有良好的吸附性能；同時，活性炭海綿具有海綿的一些特性，如較高的孔隙率、良好的過濾性能等，使得抗膜污染能力得到增強。主要考察以活性炭海綿作為膜基材的DMBR的處理效果和運行特性，并將其處理效果和現有污水處理廠深度處理出水對比，探索該DMBR應用于實際污水處理廠提標改造的可行性。

1試驗裝置與方法

1.1試驗裝置

中試裝置位于江蘇常州某城市污水處理廠，中試處理規模50 t/d，停留時間8 h，進水為該廠缺氧池出水，中試裝置通過回轉式鼓風機提供氧氣，曝氣系統采用穿孔布氣，氣水比控制在10∶1。接種污泥取自污水廠好氧池，穩定運行過程中控制污泥濃度在8 000 mg/L左右。出水采用重力出流，水頭壓差約1 m。

實驗采用80塊面積和構造相同的平板膜組件，每塊膜組件尺寸為1.0 m×0.5 m，總有效過水面積約70 m2。膜材料采用活性炭海綿，孔徑約為500 μm，厚1 cm；膜組件的排列方式為橫向、縱向各2排，每排單獨出水。

1.2原水水質

實驗原水為污水處理廠缺氧池出水，其水質條件見表1。

1.3分析項目與方法

定期分別對DMBR進出水、膜池上清液、污水廠二沉池出水、轉盤濾池出水進行采樣分析。測定項目包括pH值、溫度、濁度、MLSS、COD、NH3-N、NO-3-N、NO-2N、TN、TP等，均采用中國標準方法[28]。

2結果與討論

2.1污染物去除效果

2.1.1COD去除效果圖2為中試裝置對COD的去除效果。由圖可知，進水COD在60.0～141.0 mg/L變化時，出水COD濃度穩定在35.0 mg/L以下，對應平均去除率為73.2%。由圖還可發現，膜池上清液COD濃度高于出水，基本穩定在22.0～58.0 mg/L。經計算，動態膜組件對COD去除的平均貢獻率約為11.3%（出水去除率與上清液去除率之差值）。COD去除率較既往研究略低。分析認為，主要是由原水水質濃度波動較大和進水含有部分工業廢水兩方面原因所致。

3結論

1）以活性炭海綿為膜基材的DMBR將活性炭的吸附性能和海綿的空間結構特征有機結合，取得了較好的污染物去除效果，系統出水COD、NH3-N、TN和TP濃度分別≤35.0 mg/L、≤1.4 mg/L、≤10.2 mg/L和≤0.3 mg/L，出水達到GB18918—2002（一級A）標準；對應平均去除率分別為73.2%、91.3%、50.3%和60.7%。其中，膜基材及其表面附著的微生物對COD、TN和TP等污染物具有較大去除貢獻，平均貢獻率分別為11.3%、11.1%和10.7%。

2）與現有污水處理廠處理效果比較，活性炭海綿DMBR對COD和TN具有一定的去除優勢；就NH3-N和TP而言，DMBR和污水處理廠均取得了較好的去除效果。活性炭海綿DMBR對污染物的去除效果優于污水處理廠二沉池出水，可完全取代現有污水廠深度處理工藝。

3）活性炭海綿DMBR運行一個月左右，其膜通量由啟動初期的48 L/（m2·h）下降至20 L/（m2·h），此后通過加大曝氣反沖洗使通量得到一定恢復，并最終穩定在30 L/（m2·h）左右。

參考文獻：

[1]劉銳，黃霞，劉若鵬，等.膜生物反應器和傳統活性污泥工藝的比較[J].環境科學，2001，22（3）：2024.

[2]Guoa W S，Vigneswarana S. The role of a membrane performance enhancer in a membrane bioreactor： a comparison with other submerged membrane hybrid systems [J]. Desalination， 2008， 231（1/2/3）： 305313.

[3]Liu Z Q，Zhang X M. A pilot study on domestic wastewater treatment with A/OMBR systems [C]//The 4th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering（iCBBE 2010）： Chengdu，June 1820，2010.

[4]董良飛，薛濤，郗曉敏.A2/O/A/MBR中試裝置的除污效能研究[J].中國給水排水，2009，25（23）：611.

[5]張傳政，宋爽.平板膜生物反應器用于生活污水處理工程改造[J].中國給水排水，2010，26（20）：100103.

[6]周慧，徐得潛，馬常仁，等.A/O膜生物反應器工藝運用于城市污水處理廠出水提標改造的研究[J].環境污染與防治，2011，33（12）：1322.

[7]Lesjean B，Huisjeslow E H. Survey of the European MBR market： trends and perspectives [J]. Desalination， 2008， 231（13）： 7181.

[8]Khan M T， Takizawa S， Lewandowski Z， et al. Membrane fouling due to dynamic particle size changes in the aerated hybrid PAC MF system [J]. Journal of Membrane science， 2011， 366（1）： 1724.

[9]Mishima I，Nakajima J. Control of membrane fouling in membrane bioreactor process by coagulant addition [J]. Water Science and Technology， 2009， 59（6）： 12551262.

[10]Tian Y， Chen I， Zhang S， et al.Correlating membrane fouling with sludge characteristics in membrane bioreactors： an especial interest in EPS and sludge morphology analysis [J]. Bioresource Technology， 2011， 102（19）： 88208827.

[11]范彬，黃霞，文湘華，等.動態膜生物反應器對城市污水的處理[J].環境科學，2002，23（6）：5156.

[12]Wu Y， Huang X， Wen X， et al. Fuction of dynamic membrane in selfforming dynamic membrane coupled with bioreactor [J].Water Science and Technology，2005， 51（6/7）： 107114.

[13]Seo G T， Moon B H. Filtration characteristics of immersed coarse pore filters in an activated sludge system for domestic wastewater reclamation [J].Water Science and Technology， 2007，55（1/2）：5158.

[14]Hong S K， IN S S. Fullscale study on dynamic state membrane bioreactor with modified intermittent aeration [J]. Desalination， 2007， 202（1/2/3）： 99105.

[15]武小鷹，鄭平，徐紅亮.動態膜技術及其在環境工程中的應用[J].膜科學與技術，2003，23（6）： 4953.

[16]Chu L， Li S. Filtration capability and operational characteristics of dynamic membrane bioreactor for municipal wastewater treatment [J]. Separation and Purification Technology， 2006， 51（2）： 173179.

[17]Satyawali Y，Balakrishnan M. Treatment of distillery effluent in a membrane bioreactor（MBR）equipped with mesh filter [J]. Separation and Purification Technology， 2008， 63（2）： 278286.

[18]Jeison D， Diaz I，Lier J B. Anaerobic membrane bioreactors： are membranes really necessary [J]. Electronic Journal of Biotechnology， 2008， 11（4）：17.

[19]Walker M， Banks C J， Heaven S. Development of a coarse membrane bioreactor for twostage anaerobic digestion of biodegradable municipal solid waste [J]. Water Science and Technology， 2009， 259（4）： 729735.

[20]Zhang X， Wang Z， Wu Z， et al. Formation of dynamic membrane in an anaerobic membrane bioreactor for municipal wastewater treatment [J]. Chemical Engineering Science， 2010， 165（1）： 175183.

[21]Seo G T， Moon B H， Park Y M K， et al. Filtration characteristics of immersed coarse pore filters in an activated sludge system for domestic wastewater reclamation [J]. Water Science and Technology， 2007， 55（1/2）： 5158.

[22]An Y，Wang Z，Wu Z， et al. Characterization of membrane foulants in an anaerobic nonwoven fabric membrane bioreactor for municipal wastewater treatment [J]. Chemical Engineering Science， 2009， 155（3）： 709715.

[23]Ren X，Shon H K， Jang N， et al.Novel membrane bioreactor（MBR）coupled with a nonwoven fabric filter for household wastewater treatment [J]. Water Research， 2010， 44（3）： 751760.

[24]Liu H，Yang C， Pu W， et al. Formation mechanism and structure of dynamic membrane in the dynamic membrane bioreactor [J]. Chemical Engineering Science， 2009，148（2/3）： 12901295.

[25]Li F， Chen J， Deng C. The kinetics of crossflow dynamic membrane bioreactor [J].Water SA， 2006，32（2）： 199203.

[26]傅大放，林玉嬌.幾種不同基材動態膜生物反應器污泥層性質分析[J].化工學報，2008，59（10）：25962600.

[27]李澄.海綿基材動態膜生物反應器及其對二氯酚降解性能[D].南京：東南大學，2011.

[28]魏復盛.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京：中國環境科學出版社，2002.

（編輯呂建斌）