水動力條件對MBR中超濾膜不可逆污染的影響

常海慶，梁 恒，賈瑞寶，瞿芳術，高 偉，余華榮，紀洪杰，李圭白（.城市水資源與水環境國家重點實驗室（哈爾濱工業大學），50090哈爾濱；.濟南市供排水監測中心，500濟南；.住房和城鄉建設部城鄉規劃管理中心，0085北京；.東營市自來水公司，5709山東東營）

水動力條件對MBR中超濾膜不可逆污染的影響

常海慶1，梁 恒1，賈瑞寶2，瞿芳術1，高 偉3，余華榮1，紀洪杰4，李圭白1
（1.城市水資源與水環境國家重點實驗室（哈爾濱工業大學），150090哈爾濱；2.濟南市供排水監測中心，250021濟南；3.住房和城鄉建設部城鄉規劃管理中心，100835北京；4.東營市自來水公司，257091山東東營）

為考察MBR處理微污染水過程中水動力條件對超濾膜水力不可逆污染的影響，介紹了水力不可逆膜污染的計算方法，探討曝氣、反沖洗、通量、水溫等運行參數的影響并進行優化.結果表明:間歇曝氣時，曝氣時間、強度及反沖洗時間的選取需考慮MBR的凈水效能，實驗條件下，2min的曝氣時間是必需的，較優的曝氣強度為30～36 m3／（m2·h）；較長的反沖洗時間有利于控制膜的不可逆污染，反沖洗時間的確定尚需考慮超濾系統的產水率；過濾通量顯著影響超濾膜的不可逆污染速率，PVDF、PVC膜的過濾通量分別不應高于31.5，14.0 L／（m2·h），長期運行中膜污染的評價尚需考慮溫度的影響.

超濾膜；水力不可逆污染；曝氣；反沖洗；通量；水溫

近年來，超濾-膜生物反應器（UF-MBR）技術應用于飲用水處理中［1-2］，膜污染成為面臨的主要技術挑戰，影響超濾膜的長期穩定運行.工程界將膜污染主要分為可逆污染和不可逆污染，可逆污染是指通過周期性的水力清洗可以恢復的污染，而不能恢復的部分則為水力不可逆污染.一方面，超濾膜的水力不可逆污染與運行通量、水力清洗效果直接相關，進而影響能耗和產水率［3］；另一方面，不可逆污染可以通過化學清洗部分去除，但是在飲用水處理中，化學清洗的頻率應降為最低甚至為零［4］，因為清洗廢液的排放會產生環境問題，同時，頻繁的化學清洗會影響膜壽命，進而增加運行成本.因此，水力不可逆污染的研究對超濾膜的應用具有重要意義，但是目前有關超濾膜不可逆污染程度參數的理解尚不充分.在飲用水處理領域，超濾膜不可逆污染的研究集中于污染物的識別及清洗方式的考察［4-10］，同時，由于不可逆污染的長期性，數周期的短期實驗結果并不具有代表性.目前關于運行條件對MBR處理微污染水過程中超濾膜水力不可逆污染的影響鮮有報道.本文采用MBR處理微污染水，考察膜過濾通量、反沖洗時間及頻率、曝氣方式等運行參數對超濾膜的水力不可逆污染以及凈水效能的影響，以期為研究超濾膜的水力不可逆污染以及超濾膜在水廠的應用提供技術支撐.

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗在南水北調受水區某凈水廠進行，裝置如圖1所示.采用兩種商用中空纖維超濾膜，即PVDF超濾膜和改性PVC超濾膜，具體參數見表1.未特別指出時實驗中采用的超濾膜均為PVDF膜，當考察過濾通量以及水溫影響時采用PVC超濾膜.膜組件直接浸沒在反應器中.膜生物反應器采用圓柱狀有機玻璃容器，尺寸為φ3.6 cm×45 cm，有效容積為360 mL.在運行初期一次性投入粉末活性炭（PAC），形成膜粉末活性炭生物反應器（PAC-MBR），PAC（木質，亞甲藍吸附值120 mg／g，200目，煙臺）質量濃度為0.5 g／L.

圖1 實驗裝置示意

原水通過恒位水箱進入反應器中，出水由蠕動泵（BT100-2J，保定蘭格，中國）從膜組件抽出.在膜組件和抽吸泵之間設置壓力傳感器（PTP708，佛山賽普特，中國）及真空表，監測跨膜壓差（pTM）．未特別說明，實驗通量采用22 L／（m2·h），MBR的運行方式通過可編程控制器控制，抽吸8 min、停抽2 min.在停止抽吸的最后階段進行反沖洗，反沖洗通量為過濾通量的2倍，持續時間0～2 min，可根據需要進行調節.由空氣泵（ACO，浙江森森，中國）向反應器內曝氣以提供溶解氧進行攪拌混合并清洗膜絲表面.實驗考察了連續曝氣和間歇曝氣兩種方式，后者在停止抽吸的最后階段進行；曝氣強度可在0～60 m3／（m2·h）調節（以膜池底面積計）.

表1 超濾膜物理參數

1.2 分析方法及水質特性

考察曝氣方式和反沖洗對膜污染的影響時，每組實驗運行至少4 d；考察過濾通量的影響時，運行時間則在20～40 d不等.除水溫和pH每天檢測1次外，渾濁度、CODMn、UV254、NH3-N和MLSS等指標每2 d檢測1次.水溫采用普通水銀溫度計直讀法；pH采用上海梅特勒-托利多儀器有限公司生產的實驗室pH計測定；渾濁度采用德國Turb550渾濁度儀測定；NH3-N采用納氏試劑分光光度計法測定；CODMn采用酸性高錳酸鉀法測定；UV254采用北京普析通用儀器公司生產的T6新世紀紫外分光光度計測定；MLSS采用差重法.實驗用水為微污染的水庫水，水質參數見表2.此外，混合液污泥濃度為2 404 mg／L（介于1 970～3 294），污泥停留時間為20 d.

表2 原水水質特性

1.3 水力不可逆污染速率的確定

水力不可逆污染代表不能通過周期性水力反沖洗和擦洗去除的污染［7］，為了消除不同通量單位時間產水量的差異，采用單位膜面積的過濾體積Vs（L／m2）代替通常的時間單位［11］，即

式中：J為過濾通量，L／（m2·h）；t為運行時間，h.

為了便于比較，任意溫度（θ）的跨膜壓差（pTMθ）均校正至20℃的數值［12］，即

式中μ20，μθ分別為20℃和θ℃時的黏度，Pa·s.水的黏度可以通過下面的經驗公式近似計算［12］：

圖2給出計算水力不可逆污染速率的一個實例.由于本研究中每一超濾實驗均采用恒通量的運行模式，Vs隨t線性增加.圖2（a）為含有21個過濾周期過濾測試的跨膜壓差變化，圖2（b）繪出了每一周期抽吸時跨膜壓差，選取開始過濾的最初3個點（90 s）的平均值作為初始跨膜壓差pTMirr（以減少壓力波動的影響）.將每一過濾周期的初始跨膜壓差對Vs作圖，采用最小二乘法求解一元線性回歸方程，所得斜率為不可逆污染速率，即

圖2 水力不可逆污染速率計算實例

2 結果和討論

2.1 曝氣方式對不可逆污染及凈水效能的影響

MBR運行中，曝氣能耗占其運行費用的大部分，因此，如何優化運行條件以降低曝氣能耗一直是水處理工程界追求的目標，也是研究的熱點和難點［13-14］.在水廠實際運行中，通常的做法是采用間歇曝氣的方式，該部分著重考察間歇曝氣時曝氣方式對超濾膜不可逆污染的影響.

2.1.1 間歇曝氣方式的影響

間歇曝氣時采用的4種曝氣方式見表3.圖3為間歇曝氣時，不同曝氣方式下超濾膜的不可逆污染速率.可以看出，在10 min的循環時間段內，當曝氣時間為1 min、曝氣強度為18 m3／（m2·h）時，不可逆污染速率最大，為41 Pa·L-1·m2；當采用2 min的曝氣時間以及36 m3／（m2·h）的曝氣強度時，膜污染最輕，為33 Pa·L-1·m2；而曝氣1min、強度為36m3／（m2·h）和曝氣2min、強度為18 m3／（m2·h）的不可逆污染速率介于兩者之間，分別為37和34 Pa·L-1·m2.一般認為，較高的曝氣強度下，氣泡對膜絲的表面擦洗作用較劇烈，進而影響膜表面濾餅層的形成.但是，實驗條件下，僅從超濾膜的水力不可逆污染速率看，曝氣時間和曝氣強度對不可逆膜污染的影響并沒有顯著差別；曝氣時間或曝氣強度加倍時，膜的不可逆污染速率下降得較少，即采用MBR處理微污染原水時，超濾膜的不可逆污染并不僅僅取決于曝氣時間和強度.

表3 間歇曝氣時曝氣方式的組合

圖3 間歇曝氣時曝氣方式對水力不可逆污染速率的影響

僅從膜污染的角度分析，由于污染速率相差不大，較短的曝氣時間（1 min）和較低的曝氣強度（18 m3／（m2·h））對運行成本的控制是有利的.另一方面，間歇曝氣時，由于反應器中活性污泥的沉降，可能造成局部的供氧不足，抑制MBR中好氧微生物（如氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化細菌）的活性，進而影響其凈水效能.故對不同曝氣方式下MBR對氨氮的去除效果進行了考察.由圖4可知，當進水氨氮濃度為2.31～4.22mg／L時，1 min的曝氣時間不能保證系統的除氨氮效果，出水氨氮高于《生活飲用水衛生標準》GB5749—2006中規定的0.5 mg／L限值.因此，考慮到MBR對氨氮的去除效果，2 min的曝氣時間是必要的.

圖4 間歇曝氣時曝氣方式對MBR除氨氮效果的影響（n=7）

2.1.2 曝氣強度的影響

維持曝氣時間為2 min，不同曝氣強度下MBR中超濾膜的不可逆污染速率見圖5.可以看出，MBR中超濾膜的不可逆污染速率隨曝氣強度的增加而下降，當曝氣強度為6 m3／（m2·h）時，不可逆污染速率為66 Pa·L-1·m2，曝氣強度為30，36，48 m3／（m2·h）時，不可逆污染速率分別為為41，33，32 Pa·L-1·m2，當繼續增加曝氣強度至60 m3／（m2·h）時，不可逆污染速率為17 Pa·L-1·m2.因此，考慮到增加曝氣對水力不可逆污染的降低并兼顧能耗的增加，實驗條件下，較優的曝氣強度為30～36 m3／（m2·h）.

圖5 間歇曝氣時曝氣強度對水力不可逆污染速率的影響

2.2 水力反沖洗對不可逆污染及凈水效能的影響

水力反沖洗是減緩超濾膜污染的重要手段［9］，反沖洗時間和沖洗強度均對膜污染產生影響，實際運行中，一般選取反沖洗通量為過濾通量的2～3倍.下面選取反沖洗通量為2倍的過濾通量，考察間歇及連續曝氣時，水力反沖洗時間對不可逆膜污染的影響.

2.2.1 間隙曝氣時反沖洗時間的影響

采用間歇曝氣的運行方式，在抽吸停止時的2 min進行曝氣，曝氣強度為36 m3／（m2·h）.由圖6可以看出，反沖洗時間對膜的不可逆污染的控制效果明顯，水力不可逆污染速率隨著反沖洗時間的增加基本呈線性下降，反沖洗10 s時，污染速率為12.2 Pa·L-1·m2，而反沖洗時間為20，30，45 s時，不可逆污染速率分別降為7.8，5.6，3.2 Pa·L-1·m2，當反沖洗1 min時，不可逆污染速率僅為1.6 Pa·L-1·m2.因此，間歇曝氣時1 min的反沖洗時間是合適的.

間歇曝氣時MBR系統的凈水效能可能因好氧微生物活性的降低而惡化，故研究了間歇曝氣（曝氣時間2 min／10 min）對不同反沖洗時間下MBR的除氨氮效果.圖7顯示了不同反沖洗時間下MBR進水和出水的氨氮質量濃度.可以看出，MBR系統可將進水中3.16～4.11 mg／L的氨氮很好地去除，出水中氨氮質量濃度低于0.30 mg／L.可見，當進行水力反沖洗時（10～60 s），間歇曝氣不會對MBR系統的除氨氮效果產生不利影響.

圖7 間歇曝氣時反沖洗時間對MBR除氨氮效果的影響（n=5）

2.2.2 連續曝氣時反沖洗時間的影響

連續曝氣時反沖洗時間對水力不可逆污染速率的影響見圖8.曝氣強度采用36 m3／（m2·h），可以看出，類似于間隙曝氣，水力不可逆污染速率隨著反沖洗時間的增長基本呈線性下降，從5 s的11.8 Pa·L-1·m2降到60 s的0.9 Pa·L-1·m2.可見，較長的反沖洗時間有利于控制膜的不可逆污染，實際運行中反沖洗時間的確定尚需考慮超濾膜的產水率.

圖8 連續曝氣時反沖洗時間對不可逆污染速率的影響

同時，根據圖6和圖8可以看出，連續曝氣時超濾膜的水力不可逆污染速率低于間隙曝氣時，如當反沖洗時間為10和60 s時，連續曝氣時不可逆污染速率分別為8.8和0.9 Pa·L-1·m2，而間隙曝氣時則分別為12.2和1.6 Pa·L-1·m2.由于間歇曝氣時MBR系統的除氨氮效果不會因反沖洗而惡化，連續曝氣時反沖洗更不會對凈水效能產生不利影響，故未對氨氮去除效果進行考察.

2.3 過濾通量對不可逆污染的影響

作為超濾膜運行的一項重要指標，過濾通量直接影響膜污染的程度，采用兩種超濾膜考察過濾通量對MBR中超濾膜水力不可逆污染的影響.采用連續曝氣的方式，曝氣強度為18 m3／（m2·h）.

2.3.1 PVDF超濾膜的不可逆污染特性

實驗期間水溫為23～26℃，圖9為不同通量下MBR中PVDF超濾膜的不可逆污染特性.可以看出，當通量為21.5和26.5 L／（m2·h）時，水力不可逆污染速率十分輕微，僅為0.3～0.4 Pa·L-1·m2；而當通量達31.5 L／（m2·h）時，不可逆污染速率顯著增加，達2.6 Pa·L-1·m2.可以認為，實驗條件下PVDF超濾膜的可持續通量介于26.5～31.5 L／（m2·h）.

2.3.2 PVC超濾膜的不可逆污染特性

不同通量下的PVC超濾膜不可逆污染特性見圖10.當通量為8.5及11.5 L／（m2·h）時，PVC超濾膜的不可逆污染速率十分輕微，分別為0.4和0.6 Pa·L-1·m2，而當通量達14 L／（m2·h）時，可以觀察到較大的水力不可逆污染，為1.9 Pa·L-1·m2.因此，實驗條件下，PVC超濾膜的可持續通量應不高于14.0 L／（m2·h）.另外，由圖9、10可以看出，PVC超濾膜的抗水力不可逆污染較PVDF超濾膜差.

圖9 通量對水力不可逆污染的影響（PVDF膜）

圖10 通量對水力不可逆污染的影響（PVC膜）

2.4 水溫對PVC超濾膜不可逆污染的影響

作為不易調控的運行參數，水溫主要通過水黏度的改變進而影響超濾膜的污染特性.MBR中超濾膜采用PVC材質，過濾通量均采用10 L／（m2·h），連續曝氣，曝氣強度為18m3／（m2·h）.該部分以混凝-沉淀、混凝-氣浮等預處理技術與MBR聯用凈化微污染水源水，考察水溫對超濾膜不可逆污染的影響.試驗期間，沉淀及氣浮出水水溫分別為18.2～23.3和22.1～27.7℃，原始pTM以及溫度校正pTM隨過濾體積的變化如圖11所示.由圖11（a）可知，沉淀及氣浮與MBR聯用時，膜的不可逆污染極其輕微，基本實現了膜的零不可逆污染.然而，運行過程中，溫度的升高（約5℃）抵消了pTM的增加，因此考慮溫度校正，如圖11（b），MBR還是有輕微的水力不可逆污染（0.1～0.2 Pa·L-1·m2）.

圖11 水溫對MBR中PVC膜不可逆污染的影響

3 結 論

1）間歇曝氣時，曝氣時間及強度對超濾膜不可逆污染的影響差異不大.為保證MBR對氨氮的去除效果，2min的曝氣時間是必需的，實驗條件下較優的曝氣強度為30～36m3／（m2·h）.

2）反沖洗時間的選取需考慮MBR系統的凈水效果，間歇曝氣時1min的反沖洗時間是適宜的；反沖洗時間的延長有利于控制膜的不可逆污染，實際運行中反沖洗時間的確定尚需考慮產水率.

3）為維持MBR中超濾膜的長期可持續運行，PVDF膜和PVC膜的過濾通量分別不應高于31.5和14.0 L／（m2·h）.

4）水溫通過水黏度的改變進而影響超濾膜的不可逆污染特性，評價超濾膜污染時需考慮溫度的校正.

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（編輯 劉 彤）

Effect of hydrodynam ic conditions on hydraulically irreversible fouling of UF membrane in MBR

CHANG Haiqing1，LIANGHeng1，JIA Ruibao2，QU Fangshu1，GAOWei3，YU Huarong1，JIHongjie4，LIGuibai1
（1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment（Harbin Institute of Technology），150090 Harbin，China；2.Ji’nan Water＆Wastewater Monitoring Center，250021 Ji’nan，China；3.The Administration Center of Urban-Rural Planning，Ministry of Housing and Urban-Rural Development of P.R.China，100835 Beijing，China；4.DongyingWater Supply Company，257091 Dongying，Shandong，China）

To investigate the effect of hydrodynamic conditions on hydraulically irreversible fouling of UF membrane in MBR for treatingmicro-polluted water，themethod of determination of hydraulically irreversible fouling of UFmembrane was introduced，and the effects of aeration，backwashing，flux and temperature on irreversible fouling were discussed.The results showed that the pollutant removal of MBR should be taken into accountwhen selecting the time and flow of aeration.The duration of 2 min was necessary during intermittent aeration，with the optimal aeration intensity of 30-36 m3／（m2·h）.Prolonged backwashing duration was found to control the hydraulically irreversible fouling.The production of UFmembrane in MBR should also be considered when determining the proper backwashing duration.The permeate fluxes influenced the hydraulically irreversible fouling rate significantly，and the values of PVDF and PVCmembranes should be no more than 31.5 and 14.0 L／（m2·h）to maintain the long-term stable operation.Meanwhile，the impact of temperature on irreversible fouling should be considered.

ultrafiltration；hydraulically irreversible fouling；aeration；backwashing；flux；temperature

TU991.2

A

0367-6234（2014）12-0020-06

2013-11-10.

國家水專項（2012ZX07404-003-004）；山東省博士后創新項目（201203001）.

常海慶（1987—），男，博士研究生；李圭白（1931—），男，博士生導師，中國工程院院士.

梁 恒，hitliangheng＠163.com.