三價鐵離子投加對MBR運行效能的影響

張海豐，于海歡，姜　鋒，問志勇

(東北電力大學化工學院，吉林　132012)

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三價鐵離子投加對MBR運行效能的影響

張海豐，于海歡，姜鋒，問志勇

(東北電力大學化工學院，吉林132012)

膜生物反應器；三氯化鐵；污泥混合液；膜污染

1　引　言

膜生物反應器(membrane bioreactor,MBR)是將生物降解過程和膜分離技術相結合的新興工藝，與傳統的活性污泥法相比，具有出水水質好[1]、污泥產量低[2]、占地面小[3]等優勢。MBR技術面臨的主要挑戰是膜污染問題，膜污染問題導致操作費用增多[4]、膜壽命減少[5]。MBR中膜的主要功能是過濾污泥混合液，因而污泥混合液的特性直接關系著膜污染程度；最近，眾多研究者發現向污泥混合液中投加三價鐵離子，Fe3+與污泥絮體及細胞通過吸附電中和作用[6]、陽離子架橋理論[7]以及DLVO理論[8]強化污泥的絮凝作用，促使絮體尺寸增大，進而有效的減緩膜污染。本研究主要考察長期運行的MBR中投加三價鐵離子對反應器運行效能的影響，通過檢測三價鐵離子投加后，污泥混合液特性的變化，進一步揭示鐵離子與污泥混合液的作用機制，以期為MBR實際工程應用提供技術支撐。

2　實　驗

2.1實驗裝置及運行條件

2套完全相同的MBR分別為C-MBR(對照反應器)及Fe-MBR(投加Fe3+反應器)，實驗裝置圖如圖1所示。2套反應器有效體積均為18 L，膜為聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)材質的中空纖維束膜，膜孔徑為0.22 μm，膜過濾面積為0.3 m2，膜通量為10 L·m2·h-1，膜出水采用13 min運行及2 min停歇的恒流工作方式，2套反應器的跨膜壓差達到30 kPa時對膜表面進行物理清洗。

圖1　試驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of the experimental set-up

2.2分析方法

MFI的測定[9]：在恒壓條件下，MFI定義為t/V與V之間線性關系的斜率值，高MFI值會加快污泥混合液的污染速率，公式如下：

(1)

(2)

3　結果和討論

3.1MBR污染物去除比較

圖1中2套反應器中對TP的去除效果分別為(89.8%±1.4%)(Fe-MBR)和(85.7%±1.5%)(C-MBR)，FeCl3的投加對總磷的去除具有一定的效果，結果見表1。這是由于Fe3+在MBR系統中同時發生生物除磷和化學除磷，Fe3+一方面與磷酸鹽生成難溶鹽，一方面發生水解，在水解過程的同時又發生聚合反應，生成多核羥基絡合物，這些羥基絡合物具有較長線性結構，又通過吸附架橋、中和及絮體的網捕作用促使膠體凝聚而除磷[15]。

表1　C-MBR和Fe-MBR去污效率隨運行時間的變化

( )內代表對照反應器污染物去除率

3.2鐵離子對污泥沉降性的影響

對于Fe-MBR，三價鐵離子的投加強化微生物之間的絮凝作用，有助于污泥的沉降性能的提高，污泥的沉降性能可通過SVI來表征。圖2顯示了C-MBR和Fe-MBR運行中SVI隨運行時間的變化，由圖2可見，C-MBR的SVI保持在(50±1.3) mL/g范圍之內，相比之下，Fe-MBR的SVI在前78 d之內有降低的趨勢，由開始的48.7減到33.1 mL/g，這可從2個方面解釋：(1)三價鐵離子與污泥絮體及膠體發生電中和作用，從而使污泥絮體之間聚集在一起[16];(2)架橋及壓縮雙電層作用，強化了污泥絮體之間及其污泥與三價鐵離子之間的生物絮凝作用[17]，由于絮體尺寸的增大，有助于污泥的沉降。以上結果表明，鐵離子能有效的改善MBR中活性污泥的沉降性和可壓縮性，這Guo等的研究結果相一致[18]。

圖2　C-MBR和Fe-MBR中SVI隨運行時間的變化Fig.2　Change of the SVI with operation time in C-MBR and Fe-MBR

圖3　C-MBR和Fe-MBR中Zeta電位隨運行時間的變化Fig.3　Change of the Zeta potential with operation time in C-MBR and Fe-MBR

3.3污泥表面電荷性變化

三價鐵離子能強化污泥混合液的生物絮凝作用，主要機制是電中和作用，通過考察鐵離子投加后，污泥混合液表面電荷隨運行時間的變化，有利于深入了解污泥絮體之間的絮凝反應。圖3顯示了C-MBR和Fe-MBR運行中污泥絮體Zeta電位值的變化，由圖3可見，在反應器運行初期，污泥混合液的Zeta電位分別為-14.4 mV和-14.9 mV，表明污泥絮體呈負電性，在整個運行過程中，C-MBR的Zeta電位值維持在(-13.7±1.2) mV，絮體帶電性較穩定；然而，Fe-MBR中污泥絮體的Zeta電位呈上升趨勢，并逐漸趨近于零，這是由于隨著反應器的運行，累積在反應器中三價鐵離子含量增大，降低了污泥絮體的負電性[19]。

3.4鐵離子的投加對污泥黏度的影響

生物絮凝后會引起污泥黏度的變化，圖4顯示了C-MBR和Fe-MBR運行中黏度隨運行時間的變化，從圖4可見，離子加入后污泥混合液的黏度一直低于對照組，這表明離子的加入可影響污泥混合液中本體溶液黏度，引起污泥黏度降低[20]。在前67 d，兩個反應器中的污泥黏度都升高，這可能在實驗初期，污泥濃度的迅速增加，導致微生物數量及其代謝產物增多，引起混合液黏度增加，這與文獻的研究結果相一致，前期研究表明污泥混合液的黏度與MLSS濃度是緊密相關的，高的污泥質量濃度會導致混合液黏度的增加[21]。在75 d后，投加鐵離子反應器中的污泥黏度明顯低于對照組，表明鐵離子對MBR污泥混合液黏度降低效果顯著，污泥混合液黏度的降低顯著改善混合液的可濾性，有利于膜污染的減緩。

圖4　C-MBR和Fe-MBR中黏度隨運行時間的變化Fig.4　Change of the dynamic viscosity with operation time in C-MBR and Fe-MBR

圖5　C-MBR和Fe-MBR中MFI隨運行時間的變化Fig.5　Change of MFI with operation time in the C-MBR and Fe-MBR

3.5污泥混合液可濾性及膜污染比較

圖6　C-MBR和Fe-MBR中TMP隨運行時間的變化Fig.6　Change of TMP with operation time in C-MBR and Fe-MBR

MFI值的變化可反映過濾樣品可濾性的差異，MFI值越高則表明在過濾過程中膜污染阻力越大。如圖5所示，實驗前65 d，Fe-MBR中MFI值與C-MBR差異不明顯；70 d以后，Fe-MBR中MFI值降低顯著，由65 d的4.66×104s/L2降為70 d的3.45×104s/L2，表明Fe3+對污泥混合液的改善需要一定的運行時間。80 d以后，Fe-MBR中MFI值隨運行時間降低顯著，表明鐵離子對污泥混合液改善具有長效性。對于C-MBR，MFI值呈現持續增加的趨勢，說明隨著反應器的運行，污泥混合液的可濾性在持續惡化。在恒流量出水的情況下，跨膜壓差(trans-membrane pressure,TMP)的增長速率直接表明膜污染程度。圖6顯示了C-MBR和Fe-MBR隨運行時間TMP 的變化，由圖6可見，C-MBR的TMP達到30 kPa需25 d，而Fe-MBR的TMP到達30 kPa需39 d，這表明三價鐵離子能有效的減緩膜污染增長速率，減小膜的清洗頻率。TMP的增長過程可分為2個階段[22]：緩慢膜污染階段和快速膜污染階段，在緩慢膜污染階段，Fe-MBR的平均膜污染速度為0.28 kPa/d，低于C-MBR的膜污染速率(0.78 kPa/d)，這是因為緩慢污染膜污染速率主要歸因于本體溶液中溶解性有機物濃度，本課題組前期研究表明[23]，由于鐵離子的絮凝作用，降低了上清液中溶解性有機物濃度，因而減緩了此階段的膜污染速率。快速污染階段Fe-MBR及C-MBR的TMP增長速率分別為0.89 kPa/d和0.93 kPa/d，差異不顯著，表明Fe3+對MBR膜污染的減緩主要歸因于緩慢階段膜污染速率的降低。

4　結　論

(2) 考察三價鐵離子在最佳投加量下對MBR中污泥混合液特性影響研究表明，Fe3+的投加顯著改善了污泥混合液的沉降性能、有效增大了污泥黏度及絮體Zeta電位值；通過混合液可濾性及膜污染檢測發現，鐵離子提高了混合液可濾性，顯著降低了緩慢階段的膜污染速率。

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Impact on the Performance of Membrane Bioreactor with Fe3+Addition

ZHANG Hai-feng,YU Hai-huan,JIANG Feng,WEN Zhi-yong

(School of Chemical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

membrane bioreactor;ferric chloride;sludge mixed liquor;membrane fouling

國家自然科學基金計劃項目(51478093);吉林省科技發展計劃項目(20120404,20130206061GX)

張海豐(1974- )，男，博士，副教授.主要從事水處理及回用方面的研究.

X703

A

1001-1625(2016)02-0347-05