水處理技術(shù)中不同材質(zhì)的MBR膜的運(yùn)用探討

李 娟

（南京城建環(huán)保水務(wù)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

在國內(nèi)近年的飛速發(fā)展中，水資源的利用愈加受到重視。在城市內(nèi)的給水排水系統(tǒng)，也已成為大自然水循環(huán)中重要的組成部分。作為自然循環(huán)和社會循環(huán)的重要聯(lián)系點(diǎn)，污水深度處理在城市排水系統(tǒng)擔(dān)任著重要的角色。

在眾多的污水處理工藝中，膜分離工藝是近二十年內(nèi)快速進(jìn)步的一項(xiàng)新型凈水技術(shù)，相對較早的傳統(tǒng)工藝，其設(shè)備更為簡單，操作方便且凈水效率極高。膜生物反應(yīng)器MBR（Membrane Bio-Reactor）就是把膜分離工藝和生物反應(yīng)原理有效聯(lián)系，從而對水質(zhì)進(jìn)行處理[2]。在生物反應(yīng)器內(nèi)存在數(shù)量眾多的微生物，其與容器內(nèi)的基質(zhì)進(jìn)行充分的反應(yīng)，通過微生物的呼吸作用將有機(jī)物降解。之后膜組件對這些部分處理后的水進(jìn)一步篩分，將富含微生物的污泥截留于生物反應(yīng)器中，防止微生物的流失。

在MBR膜的工作過程中，物料內(nèi)的微粒如膠體顆粒和溶質(zhì)大分子在膜表面或孔洞內(nèi)堆積，導(dǎo)致膜通量和膜的分離特性發(fā)生變化，產(chǎn)生膜污染的現(xiàn)象。膜污染的發(fā)生原理如下：較膜孔徑更小的顆粒在模孔內(nèi)部吸附堆積，經(jīng)由濃縮結(jié)晶以及沉淀，造成堵塞從而導(dǎo)致膜污染；物料中的膠體，微生物被膜阻攔，通過吸附等作用相互結(jié)合，在膜的表層形成了沉積，降低了膜通量；膜的穿透壓力和膜孔的堵塞導(dǎo)致膜的表層發(fā)生濃差極化的現(xiàn)象，當(dāng)其處于極限濃度時(shí)，溶液內(nèi)析出難降解的小分子，其與污泥中部分固態(tài)物質(zhì)相吸附，產(chǎn)生凝膠層，導(dǎo)致膜污 染[3]。

對于膜技術(shù)的運(yùn)用而言，擁有可靠的操作性是最為關(guān)鍵的。而在微濾的過程中，膜污染又是操作可靠性中的關(guān)鍵點(diǎn)。本次研究就是對幾類由不同材質(zhì)的MBR膜進(jìn)行探討，對其不同工作環(huán)境下投入活性炭，研究其工作特性，盡可能保證MBR膜的工作穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)采用兩組裝置，其運(yùn)用的膜組件分別為水廠常用的聚偏氟乙烯（PVDF）超濾膜組件和聚氯乙烯（PVC）超濾膜組件。

單個(gè)的反應(yīng)器中有效容積是16 L，其中包括缺氧區(qū)和好氧區(qū)兩個(gè)部分，容積分別為4 L和12 L。在曝氣區(qū)里有內(nèi)循環(huán)的導(dǎo)流板，用于加強(qiáng)水流在膜面的沖刷能力。實(shí)驗(yàn)中的來水是用水泵抽送至裝置中，PVC超濾膜和PVDF超濾膜的膜生物反應(yīng)器中都設(shè)有兩組簾式膜。對于該實(shí)驗(yàn)裝置，其出水也是模仿水廠工作環(huán)境，用抽吸泵抽出。實(shí)驗(yàn)中采用的兩類膜組件的參數(shù)見表1。

表1 膜生物反應(yīng)器內(nèi)的實(shí)驗(yàn)?zāi)さ膮?shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)用水的水質(zhì)

兩個(gè)容器的水源都為同一水箱，內(nèi)裝有人工調(diào)制的生活污水，BOD5與N、P三者的比例為100：5：1，其主要的成分是無水硫酸鈉、氯化銨、硫酸二氫鉀。詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2 模擬生活污水的成分表

1.3 監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)測方法

在本次研究過程里，我們通過對裝置內(nèi)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，從而對MBR膜的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)測方案如表3所示。

表3 監(jiān)測項(xiàng)目與監(jiān)測方案

2 未投加活性炭時(shí)MBR膜的處理效果實(shí)驗(yàn)

2.1 活性污泥的培養(yǎng)

本次實(shí)驗(yàn)中采用的接種污泥源于南京市江心洲污水處理廠二沉池，其顏色是深褐色，通過鏡檢可以檢測到污泥內(nèi)含有纖毛蟲與鐘蟲。把污泥曝氣36個(gè)小時(shí)后進(jìn)行靜置，去除上清液，再通過篩網(wǎng)進(jìn)行過濾除去其內(nèi)所含的大顆粒雜質(zhì)。用5 g/L的初始濃度接種于兩膜生物反應(yīng)器內(nèi)，先以低濃度的模擬生活污水馴服，直至COD濃度達(dá)到500 mg/L。

2.2 膜組件的處理效果

我們在實(shí)驗(yàn)參數(shù)里選擇進(jìn)水處COD，測得污泥濃度為9～10 g/L，水體溫度則處于25攝氏度左右，而在反應(yīng)容器內(nèi)，我們采取間歇空曝氣的方法運(yùn)行60 d進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，對比不同類型的膜組件對出水水質(zhì)狀態(tài)的作用。

我們從實(shí)驗(yàn)中可得出如下結(jié)論，在進(jìn)水情況較穩(wěn)定的情形下，兩組膜生物反應(yīng)器的出水COD濃度并沒有太大的差距。在凈水工藝中，我們常把膜生物反應(yīng)器對有機(jī)物的去除分成兩個(gè)步驟，前者為生物反應(yīng)器對有機(jī)物的降解和去除作用，后者則是膜對有機(jī)物去除的作用過程。在膜生物反應(yīng)器內(nèi)，由于膜組件的存在，容器內(nèi)部的活性污泥不會丟失，微生物濃度一直處于較高的水平，從而大大提升了活性污泥與污染物的接觸時(shí)間，加強(qiáng)了該流程中有機(jī)物的去除水平。

在另一方面，針對溶解性的有機(jī)物，膜對其的去除作用主要分為三個(gè)方面，首先是膜通過其自身所含的膜孔對有機(jī)物進(jìn)行篩分截留；其次是膜的表層已經(jīng)膜孔處的吸附作用；最后則是在膜表面堆積出的沉淀層，對有機(jī)物的篩分與吸附。根據(jù)含有不同的特性的污泥以及不同材質(zhì)特性的膜組件，膜生物反應(yīng)器對有機(jī)污染物的凈化能力各有差異，三種作用在其凈化流程系統(tǒng)內(nèi)所占權(quán)重各有不同。

在本次實(shí)驗(yàn)過程中，兩組膜生物反應(yīng)器采用的是兩種材質(zhì)不同的膜組件，而膜絲孔徑也有所差異，PVC超濾膜的孔徑是0.01微米，PVDF超濾膜的孔徑則為0.02微米，但從圖二的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中我們可以看出，兩者出水的COD濃度相差極小。

3 投加活性炭對反應(yīng)器凈化規(guī)律的影響

本次實(shí)驗(yàn)主要研究的是投加活性炭后對膜污染的控制作用。在實(shí)驗(yàn)過程內(nèi)，外來顆粒物的投加可能使污染物原有的降解規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的影響，故而在接下來的實(shí)驗(yàn)中，在投加等量活性炭后，我們除了對水體COD方面去除規(guī)律影響的相關(guān)數(shù)據(jù)外，再增添對膜通量的衰減速率的比較實(shí)驗(yàn)，通過分析這些數(shù)據(jù)研究活性炭的投加對膜污染的影響。

3.1 COD的去除

我們對兩個(gè)生物反應(yīng)器取同等的進(jìn)水與操作條件，兩者在工作過程中的COD去除效率基本都處于90%以上，而總?cè)コ矢浅^95%，出水處COD數(shù)值處于10 g/L以下。至于兩容器的生物去除率，只在開始的半月內(nèi)有所波動(dòng)，之后穩(wěn)定保持于90%的數(shù)值。

兩生物反應(yīng)器都擁有，對COD的較高去除率，但是反應(yīng)器2號的處理效果并非十分優(yōu)越。通過分析可得出其原因。首先由于PVC超濾膜的孔徑較PVDF超濾膜更小，而本次實(shí)驗(yàn)中所使用的污水為模擬配置用水，可生化性相對較高，有機(jī)物濃度相對不是太高。其次，本實(shí)驗(yàn)中我們所使用的是A/O工藝，在缺氧區(qū)，通過不完全厭氧處理水體內(nèi)有機(jī)物的方法，提升廢水水體的可生化性。在膜組件工作過程中，其篩濾作用只能截留溶解性有機(jī)物里分子體量大于膜的截留能力的有機(jī)物。而針對那些小分子有機(jī)物，則是通過膜和沉積物的吸附作用。

3.2 膜通量衰減速率的比較

膜通量的物理意義為在單位時(shí)間內(nèi)單位膜面積上所通過滲透液的體積，是MBR性能評價(jià)的重要指標(biāo)，其反映的就是膜污染的狀況。

為盡可能減少溫度對膜通量的影響，本次實(shí)驗(yàn)中所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都折算成25攝氏度時(shí)的通量

公式內(nèi)的J25指折算為25攝氏度時(shí)的膜通量，JT則指溫度為T時(shí)所測得的實(shí)際流通量，ηT指溫度為T時(shí)純水的粘度，η25代表的是25攝氏度下純水的粘度。

又通過達(dá)西方程我們可以得知，膜的固有阻力計(jì)算式為

在該公式中，R表示過濾的總阻力，ΔP指作用于膜兩側(cè)的壓強(qiáng)，μ代表的是透過液的粘度，J指的是膜通量。

經(jīng)過六個(gè)月的運(yùn)行測量后我們可以得出如下結(jié)論，膜通量的衰減處于一個(gè)較快的狀態(tài)，正常新膜的清洗周期是2～4個(gè)月。在同一個(gè)清洗的周期內(nèi)，兩容器內(nèi)的膜組件有著相類似的通量變化規(guī)律。在一個(gè)清洗周期內(nèi)，我們比較了兩生物反應(yīng)器膜通量的衰減速率，得出下表：

表4 一個(gè)清洗周期內(nèi)膜通量衰減速率比較

由表中可知，投加了活性炭的PVDF超濾膜較PVC超濾膜的膜通量衰減速率更小，由此我們可知，在利用活性炭投加解決MBR膜的膜污染問題上，PVDF超濾膜運(yùn)用該方案解決膜污染的性價(jià)比更高。

4 結(jié)語

總之，在未來的水處理過程中，我們還要將研究重點(diǎn)放在MBR膜如何更好地處理膜污染問題上，推廣新型污水處理技術(shù)，合理利用好水資源。