管式自生動態(tài)膜生物反應(yīng)器處理垃圾滲濾液的小試研究
膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor,MBR）與傳統(tǒng)的活性污泥法（Conventional Activated Sludge,CAS）相比，有更可靠的出水水質(zhì)和簡便的操作方式[1，2]，被認(rèn)為是最有前途的水處理技術(shù)和中水回用技術(shù)之一。但是，膜面的膜孔堵塞和凝膠層及濾餅層等形式的膜污染[3]易造成膜通量的下降，它就象在原有的膜面上
再敷上了一層膜[4]，一些學(xué)者稱之為動態(tài)膜（Dynamic Membrane）或次生膜（Second Membrane）[5,6]，把利用這種膜做成的生物反應(yīng)器稱之為動態(tài)膜生物反應(yīng)器[6]。盡管膜污染會導(dǎo)致膜通量的下降，但它有助于對小粒子的截留，提高過濾分離性能，而且與相同孔徑的非動態(tài)膜相比，它的滲透性也更好。國內(nèi)已有部分高校和科研機(jī)構(gòu)在研究動態(tài)膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于生活廢水的試驗(yàn)研究[6-9]。他們在研究上均采用了孔徑在100 微米左右的微網(wǎng)材料制成平板式的膜組件。管式膜組件在反應(yīng)器單位容積過濾面積和操作等方面比平板膜更有優(yōu)勢，本文在實(shí)驗(yàn)室小試基礎(chǔ)上初步考察了管式動態(tài)膜對垃圾滲濾液的處理。
1 實(shí)驗(yàn)材料和方法
1.1 實(shí)驗(yàn)用水
實(shí)驗(yàn)用垃圾滲濾液取自北京六里屯垃圾填埋場調(diào)節(jié)池， 水質(zhì)為： COD=4058~9151mg/L, BOD5=2800~5700 mg/L, BOD5 /COD=0.63~0.71，NH3-=598~1104mg/L，pH=7.78~8.00。由于該滲濾液含有較高的氨氮和較高的有機(jī)物，在進(jìn)入膜生物反應(yīng)器之前進(jìn)行了稀釋和水解處理。實(shí)際的膜生物反應(yīng)器的進(jìn)水水質(zhì)為：COD=625.8~1420mg/L, NH3-N=598~1104mg/L, pH=8.14~8.35。
1.2 膜組件
實(shí)驗(yàn)采用的膜材料為PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)細(xì)絲材料制成的編織管，管外徑4mm，壁厚0.4mm。實(shí)驗(yàn)采用自制簾式膜組件，膜組件高20cm，有效面積為0.04m2。圖1 是無污染新膜片顯微鏡下放大40倍照片。
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1.3 實(shí)驗(yàn)裝置與流程
實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。
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整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有兩部分組成，水解池和動態(tài)膜生物反應(yīng)器（DMBR），反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，DMBR是實(shí)驗(yàn)的主反應(yīng)區(qū)。其中水解池為長方柱形，有效容積24L（0.2×0.15×0.8m），HRT=7d。水解池在工作時有攪拌器（J1-100W）的攪動加強(qiáng)傳質(zhì)，轉(zhuǎn)速為500rpm/min。水解池的進(jìn)水由蘭格蠕動泵（BT-100M）從原水池供給，原水池的垃圾滲濾液經(jīng)過了適當(dāng)稀釋，使得水解池的實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)為:COD=2100~3400mg/L,NH3-N=410~620mg/L ，pH=7.86~8.05。DMBR 外型也是長方柱型，有效容積為9L（0.20×0.15×0.30m）。DMBR 內(nèi)設(shè)置擋板將反應(yīng)器隔為生化區(qū)和膜池。在生化區(qū)和膜池內(nèi)均設(shè)有穿孔曝氣管，生化區(qū)曝氣為 DMBR 內(nèi)混合液供氧和推動混合液循環(huán)之用，曝氣強(qiáng)度為0.4m3/h，混合液DO=3~5 mg/L；膜池曝氣管的反曝氣強(qiáng)度為1.0m3/h。DMBR 的HRT=3d，MLSS 控制在4.2g/L 左右。DMBR 的進(jìn)水水質(zhì)為：
COD=625.8~1420mg/L, NH3-N=598~1104mg/L, pH=8.14~8.48。系統(tǒng)在運(yùn)行的50 天時間內(nèi)沒有排泥。膜出270 水利用膜池的液面和膜組件集水管出口間的壓力水頭△H（圖2 所示）自流出水。
1.4 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)對COD、BOD5、氨氮、濁度、MLSS、DO、pH、粘度等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了測定，方法及所用儀器見表1。
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2 結(jié)果和討論
2.1 膜通量
2.1.1 清水通量
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清水通量實(shí)驗(yàn)用水為自來水。由圖3 可以看出，PET 膜在低壓力下就有著很大的通量，在H △ =0.2cm時，膜通量是37L/m2·h；當(dāng)H △ 增加到1.0cm 時，膜通量更是達(dá)到170L/m2·h。另外，從圖3 可以看到一個有意思的現(xiàn)象，清水通量曲線在y 軸的截距并不是零，而是大于零。范彬[7]也發(fā)現(xiàn)了這個截距不為零的現(xiàn)象，但是他的結(jié)論是小于零，他分析認(rèn)為是膜材料尼龍篩絹的疏水性所致。本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)材料也是疏水性的PET 高聚物[10]，但為什么卻有著相反的結(jié)果呢？筆者認(rèn)為，從圖1 的顯微鏡照片可以看出，膜的單根編織線是由很多細(xì)絲組成，在清水過濾時，這些細(xì)絲間的孔道很窄，再加上膜的壁厚較大，使得在清水實(shí)驗(yàn)時形成毛細(xì)作用，并且和膜的疏水性對水的阻抗作用相比占據(jù)優(yōu)勢地位，這就是在沒有壓力水頭作用下能形成清水出流的原因。
2.1.2 混合液過濾通量
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圖4 是在H = △ 30cm 時混合液過濾時的膜通量曲線，可以看到在開始過濾時，膜的通量僅為4.5L/m2·h，半小時后，通量降到3.75L/m2·h，并且能長時間的維持在這個水平上，這和清水實(shí)驗(yàn)的高通量形成巨大的反差。這是否是由于PET 聚酯編織膜的疏水性所導(dǎo)致有待研究。據(jù)文獻(xiàn)，聚酯分子結(jié)構(gòu)對稱，結(jié)晶度較高，結(jié)構(gòu)中又沒有高極性基團(tuán)，因此親水性較差[10]。當(dāng)過濾混合液時，膜表面附近的水分子的Gibbs 自由能（G）取決于水分子和蛋白質(zhì)之間以及水分子和膜表面之間的氫鍵和極性作用，疏水性、非極性膜表面與水無這種相互作用，結(jié)果使膜表面水分子的G 值高于主體溶液中水分子的G 值，使得水溶液中疏水性的蛋白質(zhì)優(yōu)先迅速吸附于膜表面[11，12]。其次，垃圾滲濾液的營養(yǎng)配比不合理及含有大量不易生物降解的有機(jī)物，使得混合液中的生物難以適應(yīng)，混合液的粘性較大，大量的胞外聚合物（EPS）生成。這樣，PET 聚酯編織膜在混合液過濾時，大量EPS、壞死的生物細(xì)胞和其它蛋白質(zhì)類物質(zhì)會瞬間吸附在膜表面，阻塞了過水通道，蛋白質(zhì)和膜的疏水性使得水分子很難靠近膜表面，細(xì)絲的編制結(jié)構(gòu)和膜壁較厚加劇了這一過程。當(dāng)PET聚酯膜在清水實(shí)驗(yàn)時，由于水中沒有或極少蛋白質(zhì)，難以對水分子的通過構(gòu)成阻礙。這樣，PET 聚酯膜在應(yīng)用于清水實(shí)驗(yàn)和混合液過濾時就會形成巨大的反差。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：膜絲在混合液中抖動能提高膜通量和增強(qiáng)透水穩(wěn)定性，曝氣沖刷不會對膜造成傷害和斷絲現(xiàn)象，并且對出水水質(zhì)影響很小。本實(shí)驗(yàn)的膜下反曝氣管一直處于工作狀態(tài)，曝氣強(qiáng)度為1.0m3/h。
由于膜通量較低，客觀上增加了混合液的水力停留時間，HRT=3d 左右，較高的水力停留時間符合生物法處理高濃度有機(jī)廢水的要求，能比較充分的實(shí)現(xiàn)對污染物的降解，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對濁度、COD 和氨氮等都有很好的去除效果。
2.2 混合液MLSS 的變化
DMBR 的接種污泥來自實(shí)驗(yàn)室氣升循環(huán)膜生物反應(yīng)器的生物池，接種量為3.45g/L。前十天，DMBR污泥的馴化采用了人工配水和水解池出水按2：1 的比例投加的方式，此間的污泥濃度有所上升，到第12天，污泥濃度最大到5.4g/L。此后，膜生物反應(yīng)器的進(jìn)水完全該為水解池出水，混合液污泥濃度開始下降，第35 天降至最少2.9g/L，這與垃圾滲濾液的成分復(fù)雜不適合微生物正常生長需要有關(guān)，通過顯微鏡鏡檢可明顯看出生物相遠(yuǎn)不及普通膜生物反應(yīng)器豐富，而且數(shù)量也相對較少，申歡在研究膜生物反應(yīng)器處理城市垃圾滲濾液時也發(fā)現(xiàn)了生物量減少和污泥活性降低的現(xiàn)象[13]。隨后，補(bǔ)加接種了8g/L 污泥約1.5L，混合液污泥濃度有所回升。
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2.3 對濁度的去除效果6月9日對膜片進(jìn)行了化學(xué)清洗，隨即對膜出水濁度變化情況進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如圖6 所示。
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初始膜出水濁度為21.8，跟其它動態(tài)膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6，9]相比明顯低很多，并且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中沒有出現(xiàn)泄漏[6]導(dǎo)致濁度回升現(xiàn)象，這可能是混合液中蛋白質(zhì)類物質(zhì)易于被膜絲吸附的結(jié)果，很少能透過膜，印證了前面的推斷的合理性。在半個小時內(nèi)，濁度迅速降到5 度以下，并且能長時間的維持在1 度以下。正常運(yùn)行期間的膜出水濁度在常規(guī)檢測中也都在1 度以下。
2.4 對COD 的去除效果
圖7 是DMBR 在實(shí)驗(yàn)期間對COD 的去除情況。從圖上可以看出DMBR 的進(jìn)水COD 變化幅度較大，在625.8625.8~1420mg/L 之間，平均值為974.4mg/L。出水COD 在136.5~428.9mg/L 之間，平均值300.44mg/L，DMBR 對COD 的平均去除率為69.23%。從圖上可以看出，DMBR 在前一段時間的出水COD 相對較低，并且去除率呈下降趨勢，這和這段時間的進(jìn)水采用人工配水和垃圾滲濾液的混合投加有關(guān)系，一方面有易生物降解的人工配水的存在使得出水COD 較低，另一方面垃圾滲濾液對混合液生物相的沖擊使得COD 去除率有所下降。當(dāng)系統(tǒng)補(bǔ)加了部分污泥后，COD 的去除率又有了回升。此外，通過對DMBR 上清液和膜出水COD 的監(jiān)測，膜對上清液COD 有部分截留作用，平均值為18.27%，但卻不及其它動態(tài)膜[6]，究其原因，可能是PET 膜對有機(jī)物吸附性更強(qiáng)，膜絲更密集有機(jī)物更難通過的結(jié)果。
2.5 對NH3-N 的去除效果
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DMBR 的HRT 較長，使得世代時間較長的硝化細(xì)菌能夠大量繁殖生長，達(dá)到了對氨氮穩(wěn)定良好的去除效果，如圖8 所示。DMBR 的進(jìn)水氨氮都在400 mg/L 以上，平均值為509.33mg/L，DMBR 出水氨氮均在20mg/L 以下，并且氨氮的去除率都在94%以上，平均去除率高達(dá)98.11%。
3 結(jié)論
采用新型疏水性PET 聚酯材料的管式動態(tài)膜生物反應(yīng)器處理垃圾滲濾液，利用重力自流出水。系統(tǒng)穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行50 天，過濾壓力水頭為30cm，膜通量維持在3.75L/m2·h 左右。動態(tài)膜通量較低的原因，文章分析認(rèn)為，膜材料的疏水性及膜的編織結(jié)構(gòu)是這一現(xiàn)象的可能因素。疏水性膜在過濾時優(yōu)選吸附混合液中的蛋白質(zhì)并排斥水分子的通過，膜的細(xì)絲編織結(jié)構(gòu)和膜壁較厚加劇了這一過程，確切的原因有待于深入的研究。
系統(tǒng)對濁度，COD 和氨氮有著很好的處理效果。正常運(yùn)行時濁度在1 度以下，COD 和氨氮的平均去除率分別在69%和98%以上，并且動態(tài)膜對混合液中COD 還有一定的截留作用，平均截留率為18.27%。
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