旋转膜组件对ＭＢＲ内污泥特性及膜污染的影响 - 新闻资讯 - 破乳剂|COD去除剂|乳化液|含油|煤化工废水处理|济南乾来环保

摘要：

由于传统ＭＢＲ工艺中膜组件始终处于静置状态，污泥絮体在膜表面形成滤饼层，成为膜污染形成的主要途径之一．由于污泥絮体结构松散且在水流剪切力下易脱落，因此可以通过改变ＭＢＲ内部水流状态的方式来改善污泥混合液特性，进而延缓膜污染进程．该文利用旋转膜组件在不同转速下引起的水流剪切力，研究其在ＭＢＲ内对活性污泥特性及膜污染的影响．实验结果表明不同转速引起的水流剪切力对活性污泥的容积指数ＳＶＩ、比耗氧速率ＳＯＵＲ、污泥粒径、胞外聚合物ＥＰＳ的形成、膜通量与膜阻力均会产生不同影响．在一定转速下即水流剪切力适当时，利用旋转膜组件来改善活性污泥特性及延缓膜污染是可行的．

关键词：

旋转膜组件；水流剪切力；污泥特性；膜污染

膜生物反应器（ｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏ－ｒｅａｃｔｏｒ，ＭＢＲ），一种由膜分离单元与生物处理单元组合的新型水处理技术，在污水处理和水资源再利用领域已成为研究热点．然而限制膜技术广泛应用的障碍是膜表面的结垢问题，因此，如何有效延缓膜污染是膜技术进一步发展的关键问题．目前，延缓膜污染的方法主要有３个：一是改善污泥混合液的特性；二是优化反应器的运行条件；三是研发抗污染的膜基材．有研究表明，反应器中水流剪切力的大小对活性污泥种类或数量的增长以及活性污泥特性的变化有重要影响．目前，关于水流剪切力的大小对膜污染控制的影响机理，相关研究报道较少．常规膜组合工艺采用的膜组件静置于反应器中，致使絮体形成滤饼层逐渐成为主要污染方式．本研究的独特性在于采用旋转膜组件，研究其在不同转速引起的水流剪切力对污泥混合液特性的影响，并通过不同条件下活性污泥指数ＳＶＩ、比耗氧速率ＳＯＵＲ、粒径分布、胞外聚合物ＥＰＳ、膜通量及膜阻力等对比，探讨了旋转膜组件引起的水流剪切力对活性污泥特性的影响机理，以期为膜生物反应器的优化设计及运行提供参考．

１实验部分

1.1 实验装置及材料
实验装置如图１，主要由原水箱、高位水箱和膜生物反应器（有效容积为１５Ｌ）组成，材质均为有机玻璃．采用４组平行的ＭＢＲ装置（内部安装旋转膜组件），接种合肥市经开区某污水处理厂二沉池的回流污泥，倒入配置的营养液，每组ＭＢＲ在不同转速条件下进行培养驯化和运行．原水以Ｃ６Ｈ１２Ｏ６为碳源、（ＮＨ４）２ＳＯ４为氮源、ＫＨ２ＰＯ４为磷源，按照生活污水的进水浓度范围进行配置，此外还加入了适量的ＮａＨＣＯ３、ＣａＣｌ２、ＭｇＳＯ４及其他少量微量元素．原水质量浓度：ＣＯＤＣｒ为３５０～４００ｍｇ／Ｌ，ＮＨ３－Ｎ为３０～４０ｍｇ／Ｌ，ＴＰ（以ＰＯ４３－计）为３～５ｍｇ／Ｌ．培养驯化启动结束后，４组ＭＢＲ膜组件转速分别在５、１０、１５、２０ｒ／ｍｉｎ条件下稳定运行，监测各反应器的污染物去除效能和活性污泥参数，同时镜检各反应器中活性污泥的微生物活性．

１.2 实验条件及过程

膜生物反应器（尺寸为２５ｃｍ２５ｃｍ４０ｃｍ）内安装旋转膜组件，膜组件尺寸为宽１０ｃｍ，高２５ｃｍ，反应器内部设置沿垂直方向延伸的中空转轴，膜组件固定在中空转轴上，当中空转轴以一定速度转动时，带动膜组件在反应器中旋转．膜组件有效过滤面积约为０．０５ｍ２材质为尼龙布（３００目）．中空转轴的内部固定安装有一个同轴设置的集水管，膜组件过滤后出水进入集水管经蠕动泵抽吸后排出，反应器底部安装曝气软管，经空气泵对反应器内部提供氧气，反应器内溶解氧含量经转子流量计控制在２～３ｍｇ／Ｌ．运行期间，混合液的溶解氧质量浓度（２～３ｍｇ／Ｌ）和水温（２０±２ ℃）保持不变．反应器内水流剪切力通过调节膜组件的转速来控制．ＭＢＲ经过１５ｄ的培养驯化后，各项指标趋于平稳，且膜表面已形成一层生物膜，系统进入启动阶段，继续运行３０ｄ，定期监测活性污泥特性及膜通量等相关指标．

１.3 分析检测项目及方法

分析监测项目有溶解氧质量浓度（ＤＯ）、活性污泥浓度（ＭＬＳＳ）、污泥粒径、混合液黏度、胞外聚合物ＥＰＳ中的多糖和蛋白质、污泥容积指数ＳＶＩ、比耗氧速率ＳＯＵＲ、膜通量及膜阻力．分析监测方法见表１．

式中：μ为水的动力黏滞系数；Ｃ为阻力系数，取值范围为０．２～０．５，本实验取为０．２；ρ为水的密度；ω 为膜组件旋转的角速度；Ｚ为膜组件数目；ｂ为膜组件高度，本实验ｂ＝０．２５ｍ；Ｒ为垂直轴中心至膜组件外缘的距离，本试验所用膜组件的Ｒ＝０．０５ｍ；ｒ为垂直轴中心至膜组件内缘的距离，膜组件与垂直轴紧接时ｒ＝０；ｎ为垂直轴的转数；Ｖ为池中被搅动的水体体积；Ｐ为流体所耗功率；Ｇ为速度梯度．旋转膜组件不同转速下的系统水流剪切力计算结果见表２．

２实验结果分析

２.1 污泥特性的比较

２.1.1 水流剪切力对ＳＶＩ值的影响

ＳＶＩ值的高低反映了活性污泥的疏散程度及凝聚、沉降性能．若ＳＶＩ值低，即污泥颗粒结构紧密，沉降性能好；反之则活性污泥沉降性能差，可能会发生膨胀现象．有研究报道，当活性污泥发生膨胀时，会加重膜污染，污泥膨胀产生的泡沫对膜表面的污染能力比正常污泥高达百倍．

图２ＳＶＩ变化对比由图２可看出，４组反应器中的污泥沉降指数ＳＶＩ值均随着运行时间的延长而逐渐下降并最终趋于稳定．当系统稳定后，污泥沉降指数ＳＶＩ值随着水流剪切力的增加而降低，且污泥沉降指数降低幅度先大后小，如１号反应器水流剪切力为０．０３Ｐａ，运行２９ｄ时，ＳＶＩ值为１０８．３０ｍＬ／ｇ，２～４号反应器ＳＶＩ值依次为１号的７７．３８％、６０．３９％、５０．９７％，降幅依次为２２．６２％、１６．９９％、９．４２％．由图２可知，当水流剪切力大于０．１４Ｐａ（３号反应器）时，增大水流剪切力，对ＳＶＩ值的影响很小．２．１．２水流剪切力对粒径的影响当活性污泥粒径总体上大于膜孔径时，导致膜孔堵塞的几率会降低，其中粒径较小的污泥颗粒会不断附着在膜表面，使滤饼层致密化导致膜孔堵塞．

由表３可见，在运行期间，各反应器中活性污泥絮体颗粒的平均粒径随运行时间的增加而增大，平均粒径分别从６８．１８、６９．１７、６８．１３、６８．２３μｍ增加到８１．３６、８５．１３、９２．３１、８４．０１μｍ．当剪切力小于０．１４Ｐａ（３号反应器）时，污泥粒径随水流剪切力的增大而增大，增大幅度先大后小．但剪切力大于０．１４Ｐａ时，污泥粒径略微有所减小．由此可见，水流剪切力适当地增加，有助于颗粒污泥变得活性更强、密实度更高、沉淀性能更好，但剪切力太大也会使颗粒污泥破碎或解体，导致粒径减小。

２.1.3 水流剪切力对ＳＯＵＲ的影响
氧气是微生物代谢所必需的条件之一，而水体中ＤＯ含量由曝气量决定．活性污泥比耗氧速率（ｓｐｅｃ－ｔｉｆｉｃｏｘｙｇｅｎｕｐｔａｋｅｒａｔｅ，ＳＯＵＲ），是评价污泥微生物代谢活性的一个重要指标，反映单位质量的活性污泥在单位时间内所利用氧的量．适当的水流剪切力能有效促进好氧微生物与废水中的污染物及氧气的充分接触，提高污泥中的氧传质效率，不仅能降低能耗还能提高污染物的去除效能．

由图３可见，在运行初期，水流剪切力对ＳＯＵＲ的影响不是很明显．在第１０ｄ以后，水流剪切力的增加开始对活性污泥ＳＯＵＲ的影响有明显的提高，在运行至第２１ｄ时，４组反应器内的ＳＯＵＲ（ｍｇＯ２／（ｇＭＬＳＳ·ｈ））分别由第１ｄ的２５．８８、２６．４８、２７．０８、２５．９８下降到７．５３、１２．８４、２０．５３、１８．７４．但当水流剪切力大于０．１４Ｐａ（３号反应器）时，活性污泥的ＳＯＵＲ提高幅度反而略微有所下降．有研究指出，适当的水流剪切力，会改变活性污泥中优势菌种的类型和数量，影响污泥的碰撞聚集行为及污泥活性等．

2.2 膜污染控制的比较

２.2.1 水流剪切力对ＥＰＳ分布的影响

胞外聚合物（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｐｏｌｙｍｅｒｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ，ＥＰＳ）成分非常复杂，其中７０％～８０％是由蛋白质和多糖构成，２０％～３０％来源于腐殖酸、核酸和脂类等．当蛋白质质量浓度从３０ｍｇ／Ｌ增加到１００ｍｇ／Ｌ时，膜阻力会增加１０倍．由此可见，ＥＰＳ中对膜污染贡献最大的是蛋白质的含量．

由图４可见，运行期间，４组反应器内的蛋白质和多糖含量均呈增加趋势，１～４号反应器中，多糖含量（ｍｇ／ｇＭＬＳＳ）分别从８．９３、９．３５、９．６２、９．４５增加到１９．８５、２３．９８、２６．４３、２４．７４，蛋白质含量（ｍｇ／ｇＭＬＳＳ）分别从６．９５、６．５３、６．７２、６．５７增加到１９．９２、１９．８５、２０．０３、２０．３８．多糖含量与混合液黏度线性相关，蛋白质含量与混合液Ｚｅｔａ电位线性相关．经对比发现，当水流剪切力小于０．１４Ｐａ（３号反应器）时，多糖含量随剪切力的增大而增大，剪切力对多糖的变化较明显，而对蛋白质的影响不大，４组反应器混合液蛋白质含量与Ｚｅｔａ电位线性关系如图．剪切力过大（如４号反应器），会使ＥＰＳ的含量降低，导致活性污泥破碎和解体．Ｓｈｉｎ等通过改变曝气强度研究ＥＰＳ含量变化时发现，随剪切力增加，ＥＰＳ中多糖含量会显著上升，而对蛋白质含量几乎没有影响．同时，污泥絮体的结构和强度均会受ＥＰＳ含量的影响，从而改善活性污泥的沉降性能，促进微生物的生长。

２.2.2 水流剪切力对膜通量和膜阻力的影响

由图５可知，随着运行时间的延长，４组反应器膜通量均会下降，从１号到４号分别由２５Ｌ／（ｍ２·ｈ）下降到１１．３９、１４．３２、１８．０５、１９．０２Ｌ／（ｍ２·ｈ）．４组反应器膜阻力逐渐上升，从１号到４号分别由０增加到６．６２、４．４１、２．４３、１．７８（×１０１２ｍ－１）．由此可见随着水流剪切力的增大，膜通量降低及膜阻力上升速率明显减小．原因可能是膜组件转速的增加引起的水流剪切力也随之增大，膜表面堆积的滤饼层在水流剪切力的作用下变的更加松散，最终在旋转的离心力作用下不断脱落、更新，使膜表面的滤饼层厚度不断降低，延缓了膜通量的下降及膜阻力的上升速率，有效控制了膜污染进程．

由图５可知，当水流剪切力大于０．１４Ｐａ（３号反应器）时，增大水流剪切力对膜通量的降低及膜阻力的上升的影响很小．

3 结论

１）旋转膜组件引起的水流剪切力会对活性污泥颗粒之间的碰撞聚集、污泥絮体的形态、污泥粒径和孔隙结构、污泥沉降性能及活性等理化特性产生重要影响．适当的剪切力作用有利于改善反应器中活性污泥特性．

２）ＥＰＳ中影响膜污染的主要物质为蛋白质，适当的水流剪切力会增加污泥混合液ＥＰＳ中多糖含量（ｍｇ／ｇＭＬＳＳ），而对蛋白质含量（ｍｇ／ｇＭＬＳＳ）影响不大，故对膜污染的影响不大．膜表面的滤饼层在膜组件旋转引起的水流剪切力下结构变得更加松散，易于脱落、更新，降低了滤饼层厚度，延缓了膜通量的下降及膜阻力的增加速率．

３）综上可知，当水流剪切力小于０．１４Ｐａ时，混合液特性及膜污染进程随着水流剪切力的增加而得到有效改善，当水流剪切力大于０．１４Ｐａ时，增加水流剪切力对其影响很小．因此，当水流剪切力值为０．１４Ｐａ时，达到最佳运行条件．

原标题：旋转膜组件对ＭＢＲ内污泥特性及膜污染的影响

原作者：赵秋燕，胡丽丽，王妍，徐玲

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