兩種填料對ABR-MBR工藝膜污染的影響

陳茂林，丁 敏，吳 鵬，沈耀良，徐樂中

(1.蘇州淡林環(huán)境科技有限公司，江蘇蘇州 215011；2.蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州 215009)

本課題組將有機污染物去除效率高、能耗低的厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)[1]與出水水質(zhì)優(yōu)良的膜生物反應(yīng)器(MBR)[2]進行組合，用于城市污水處理[3-4]。膜污染以及能耗較高等問題很大程度上限制了MBR反應(yīng)器的普及應(yīng)用[7-11]。間歇曝氣可以使MBR反應(yīng)器在好氧和厭氧環(huán)境下交替運行，提高反硝化脫氮效率。研究發(fā)現(xiàn)間歇曝氣有利于MBR反應(yīng)器獲得較好的去污效果，但容易加劇膜污染的進程[8-10]。

本課題組利用4隔室ABR反應(yīng)器，將ABR第4隔室改造為膜池，第3隔室進行間歇曝氣，在MBR反應(yīng)器內(nèi)通過添加顆粒填料增加其與膜表面的摩擦作用，緩減了膜污染[12-14]。然而在反應(yīng)器內(nèi)添加顆粒填料，發(fā)現(xiàn)顆粒填料會沉積于池底，減少對膜表面的沖刷作用。故本試驗選取了成本較低、附著生物量較高的海綿顆粒來替代顆粒填料對膜表面的沖刷作用，同時也可以提高生物量。本研究采用間歇曝氣的方式運行MBR反應(yīng)器，研究海綿顆粒對生活污水脫氮除磷效能的影響，進而研究海綿顆粒對膜污染和膜表面污染物成分的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗水質(zhì)

工藝進水參考文獻[13]。

1.2 接種污泥、顆粒填料和海綿顆粒

接種污泥和顆粒填料參考文獻[13]。

海綿顆粒為正方體，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，密度為30～45 kg/m3，材質(zhì)主體為聚氨酯，海綿內(nèi)部孔徑約為1 mm，其投加量為有效容積的15%。

1.3 ABR-MBR一體化工藝

試驗裝置如圖1所示。工藝運行參考文獻[13]，運行條件如表1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Experimental Setup

表1 試驗運行條件Tab.1 Experimental Conditions

1.4 膜污染物的提取和檢測方法

每個工況膜清洗時，進行膜污染物的提取。在膜污染物提取前，先用自來水清洗去除膜表面的泥餅層。然后將剪取的污染膜浸泡于30 ℃、pH值為12的氫氧化鈉溶液中24 h，提取膜污染物[15-16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工況脫氮除磷效果

表2 工藝進出水水質(zhì)Tab.2 Characteristics of Influent and Effluent Water Quality

2.2 不同工況跨膜壓差的變化情況

圖2為跨膜壓差(TMP)的變化情況，由圖2可知，可用化學藥洗恢復TMP至15 kPa。化學清洗后，工況1膜組件可維持運行33 d；而工況2運行9 d后，TMP很快上升至23 kPa，隨即向MBR反應(yīng)器內(nèi)投加顆粒填料，TMP迅速減小到18 kPa，之后TMP逐漸增大，并且可維持運行45 d，膜清洗周期大大提高；另外，工況3運行9 d后，TMP增加到23 kPa，立即向MBR反應(yīng)器內(nèi)投加海綿顆粒，TMP下降速度相比添加顆粒填料要慢，不過也能大幅降低至18 kPa，之后TMP也是慢慢增大，膜組件可維持運行49 d，有效降低了膜清洗頻率。工況3膜組件運行9個月后沒有發(fā)現(xiàn)損壞現(xiàn)象，表明添加海綿顆粒極大地增強了MBR反應(yīng)器的實際應(yīng)用性能。

圖2 不同運行工況跨膜壓差的變化Fig.2 Variation of TMP under Different Operation Conditions

2.3 膜表面污染物成分檢測

向MBR反應(yīng)器內(nèi)添加顆粒填料或海綿顆粒后，由于曝氣作用，顆粒填料或海綿顆粒對膜表面的沖刷和撞擊會引起膜表面污泥顆粒反向擴散及沉積層脫落[25]，膜表面很難形成泥餅層，有利于緩解膜污染。另外，分析了經(jīng)物理清洗仍粘附在膜表面的污染物成分以進一步闡明膜污染的成因。

由表3可知，物理清洗后，TMP從40 kPa顯著減小至20～30 kPa，表明膜表面形成的泥餅層是限制膜通量的重要因素。分析投加顆粒填料的工況2和投加海綿顆粒的工況3的膜表面污染物成分，發(fā)現(xiàn)變化更明顯，單位面積膜表面污染物明顯增加，其中多糖含量明顯增大，蛋白質(zhì)含量顯著降低。TMP經(jīng)物理清洗后明顯上升，說明多糖是引起膜污染的重要因素[26-27]。而工況1經(jīng)物理清洗后，TMP從40 kPa降低到20 kPa，說明泥餅層是常規(guī)膜污染的首要因素。而投加顆粒填料的工況2和投加海綿顆粒的工況3經(jīng)物理清洗后，TMP從40 kPa分別降低到30 kPa和28 kPa，降幅明顯變小，說明添加顆粒填料或海綿顆粒后，膜污染的首要因素是多糖，而泥餅層變?yōu)榱舜我蛩?。工況3的多糖含量相比工況2顯著降低，很好地解釋了工況3更能有效延緩膜污染的原因，表明添加海綿顆粒比添加顆粒填料更能緩解膜污染。不過經(jīng)化學清洗后，TMP均能恢復至初始值，說明添加顆粒填料或海綿顆粒不影響膜通量的恢復。工藝運行9個月后，添加海綿顆粒不會損壞膜表面，不影響膜組件繼續(xù)使用的性能。

表3 膜表面污染物成分Tab.3 Organic Components of Membrane Foulants

3 結(jié)論

(1)相比添加顆粒填料，添加海綿顆粒更有利于ABR-MBR一體化工藝脫氮除磷效果的提高。

(2)三重好氧-缺氧交替環(huán)境強化了同步硝化反硝化過程及對磷的去除。

(3)相比顆粒填料，海綿顆粒使膜清洗周期延長了4 d，而且不損傷膜表面，增強了MBR反應(yīng)器的實際應(yīng)用性能。