张宝艺，梁乾伟，潘宁女原，郭 莹，秦王赟，吴英旭，李永峰

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

MBR运行条件的优化实验研究

张宝艺，梁乾伟，潘宁女原，郭 莹，秦王赟，吴英旭，李永峰

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)是将活性污泥法与膜分离技术相结合的一种高效、稳定的新型污水处理技术。研究了操作条件对MBR运行效能和膜污染状况的影响，结果表明，MBR在HRT为10 h，曝气强度为0.6 m3/h，抽停时间比例为9:3 min的条件下能够得到较理想的处理效果，对COD、氨氮、总磷和浊度的平均去除率分别达到94.0%、96.5%、30.0%和96.8%，运行1个月之后TMP达到45.5 kPa左右。虽然污染物去除效率较高，但是膜污染没有得到显著改善。被污染的膜组件通过自来水清洗，热水清洗，次氯酸钠清洗和浸泡以及乙醇反冲洗等进行清洗后，膜通量可以恢复到新膜的95.3%，有效的清洗方式延长了膜组件的使用寿命。

膜生物反应器；膜污染；运行条件

膜生物反应器是将膜分离技术与活性污泥法结合而成的一种污水处理再生系统[1]，生物反应相和膜组件设备是MBR的核心部件。将待处理水输送到MBR后，生物反应池中活性污泥所含的微生物利用同化和异化作用来分解、硝化待处理水中的可生化污染物。膜组件的主要作用是截留微生物和过滤出水。膜具有选择透过性，能够将混合液中微生物絮体和大分子有机物截留下来，延长了微生物在反应器中的停留时间，即延长了污泥龄[2]，同时能够使反应器中的微生物量保持在较高的水平，有利于提高微生物对有机物的分解效率。膜组件有效地进行泥水分离，可以完全取代二沉池。经MBR处理的出水水质良好，可以直接进行回用。系统很少排泥，具有较高的抗冲击能力。MBR是一种较为高效的水处理工艺，但由于膜污染问题的存在限制了其进一步的推广和应用，目前控制膜污染的方法主要有改善膜材料的特性、优化操作条件、改善混合液特性等。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验采用一体式MBR，试验装置示意如图1所示。装置主要由进水箱、膜组件、生物反应池、曝气装置、出水箱、温控仪等部分组成。其中生物反应池由有机玻璃制成，尺寸为70 cm×52 cm×53 cm，有效容积为125 L。

图1 试验装置示意图

1.2 试验材料与仪器

1.2.1 试验材料

1.2.1.2 膜组件

实验采用的膜组件为聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜，其具体尺寸为460 mm× 320 mm×5 mm，孔径为0.2 μm，纤维内外径比为0.6:1.1 mm，膜面积为1 m2，膜通量为10 L/(m2·h)，反应器中并排放置三片膜组件，放置于生物反应池的中上部，距离池底17 cm，膜组件之间的距离为13 cm。

1.2.1.3 接种污泥和试验用水

接种污泥取自哈尔滨市文昌污水处理厂二次沉淀池，接种污泥浓度为10 g/L，接种量为50 L。

1.2.2 试验仪器

试验所用仪器设备如表1所列。

表1 试验仪器

1.3 试验设计

1.2.3 污泥的培养与驯化

试验所用的接种污泥是取自哈尔滨文昌污水处理厂二沉池中的污泥，经过过滤、淘洗等操作去除其中的杂物，然后在50 L的塑料桶内进行闷曝，间歇排水，进行活性污泥的培养，培养期间适当加入了一些营养物质，如微生物所需的碳源(红糖)、氮源(NH4Cl)、磷源(KH2PO4)以及微量元素等，以加速活性污泥的培养。培养过程中每天需要停止曝气1 h进行静置处理，以除去上层清液并加入清水。经过1个月的培养和驯化之后，可观察到污泥的絮状结构明显增多，在污泥驯化末期，污泥的颜色由未驯化的黑色变为灰褐色，镜检发现驯化后的活性污泥中存在一定数量的钟虫、轮虫等原生动物，污泥沉降性良好，此时认为污泥的培养驯化已经完成，可进入正式试验。

1.4 试验的运行与控制

采用连续流的运行方式，在进水COD为300～400 mg/L，氨氮浓度为30～40 mg/L，温度为20℃的条件下启动反应器，分别对水力停留时间(HRT)、曝气强度和抽停时间比例进行优化设计。

HRT分别设置为9,10,11 h，曝气强度分别设置为0.2，0.4，0.6，0.8 m3/h，抽停时间比例分别设置为6:3、9:3、12:3 (min)。

得到适宜的MBR运行条件后不投加填料运行反应器1个月，考察MBR对污水的处理效率以及膜污染的情况。

2 结果与讨论

2.1 HRT的优化

HRT在微观上影响着水体的流态，对微生物的生长、生物膜的厚度、水体与微生物之间的传质等有着一定的影响[3]，因此它是生物反应器中一个很重要的控制参数，与反应器的容积和所需的膜面积有着直接关系，而且还会影响到处理设施和投资的多少，所以在保证理想的出水水质的前提下，确定最适宜的 HRT 具有重要的工程价值。

2.1.1 HRT对有机物去除的影响

不同HRT下MBR对有机物的去除情况如图2所示。

图2 HRT对COD去除的影响

在HRT分别为9 h、10 h和11 h时，COD的平均去除率分别为84.63%、90.09%和90.93%。COD去除率随HRT的增长而提高，但在不同增长的区间的增加幅度并不相同，当HRT由 9 h 增加到 10 h 时增加幅度较大，当HRT为 11 h 时能够达到较好的水平，但是去除率的增加幅度较小。

试验结果表明，微生物作用在水处理过程中需要一定的时间保证，在一定范围内，HRT越长，有机物去除效果越好，但是处理投资规模也会相应提高。适宜的HRT需要同时兼顾处理效率和投资成本。

2.1.2 HRT对氨氮去除的影响

HRT对氨氮的去除效果如图3所示。

图3 HRT对氨氮去除的影响

由图3可知，MBR系统对氨氮的去除率与COD去除率呈现出相似的规律，随着HRT的延长氨氮去除率提高，在不同的区间增长幅度也不相同。当HRT由9 h增加到 10 h时增加幅度较大，平均去除率由86.93%增加到92.22%，HRT延长1 h对氨氮去除率有较大影响。HRT为10 h和11 h时，对氨氮去除率的影响不是很大，平均去除率分别为92.22%和92.56%，相差较小。经分析认为，硝化菌是自养型微生物，硝化反应需要较长时间，在过短的HRT下，使得系统内氨氮负荷增大并且污水与微生物接触时间缩短，造成硝化效果不理想。

2.1.3 HRT对膜污染的影响

膜污染情况可以用跨膜压差(TMP)来表示。根据膜组件设计的要求，在恒流抽吸条件下，管道吸引压力需保持在5～50 kPa的范围内才能延长膜的使用寿命，当TMP超过50 kPa就需要对膜组件进行清洗。在恒流抽吸作用下运行MBR，随着膜污染的加剧，TMP会不断升高。图4是HRT对膜污染的影响情况。

从图4中可以看出，较短得HRT条件下，膜污染进程明显加快，当HRT为9 h时，经过15 d的运行，TMP就已经达到44.1 kPa，因为当HRT较短时相应的流量就大，在水流紊动下，污染物能够快速移动并积聚到膜表面沉积下来。当HRT延长1 h时，膜污染改善情况较为显著，运行至15 d时TMP比HRT为9 h时降低了10.2 kPa。再将HRT延长至11 h时，膜污染进程也有所减缓，但是减缓程度不明显。所以将HRT控制在10 h，既可以减缓膜污染，同时可保证每日的处理量。

图4 HRT对膜污染的影响

2.2 曝气强度的优化

曝气强度与水中溶解氧浓度密切相关，影响着微生物的生长状态，因此，选择合适的曝气强度对MBR的处理效率起着关键作用[4]。

2.1 曝气强度对有机物去除的影响

图5显示了曝气强度对COD去除效果的影响。

图5 曝气强度对COD去除的影响

从图5可以明显看出在不同的曝气强度下，COD的去除情况变化较大。曝气量为0.2，0.4，0.6，0.8 m3/h时，COD的最大去除率分别为71.4%、86.5%、95.4%、95.4%，随着曝气量的增大，COD去除率逐渐升高。但是当曝气强度达到0.8 m3/h时，最大去除率和0.6 m3/h时基本相同，而经过10 d的反应，去除率出现明显下降，主要是因为曝气强度太大，打碎了污泥絮体，从而对微生物的生长造成较大的影响。当曝气量为0.6 m3/h时，COD的去除率变化不大，稳定在93.6%～95.4%，去除效果良好。

2.2 曝气强度对氨氮去除的影响

曝气强度对氨氮去除效果的影响如图6所示，可以看出曝气强度对氨氮去除的影响规律和对COD去除的影响相似。当曝气强度为0.6 m3/h时，氨氮的去除率达到最高，此时氨氮的平均去除率为95.82%，最大去除率为97.3%。曝气强度为0.2 m3/h时，溶解氧含量较低，氧的传质效率也较低，氨氮的去除率比较低，平均去除率只有84.5%左右。提高曝气强度能够微生物提供足够的溶解氧，但是曝气强度过大时，一方面会增加动力消耗，另一方面由于对污泥絮体的破坏严重影响了氨氮去除率，当曝气强度为0.8 m3/h时，氨氮去除率下降到90%左右。

图6 曝气强度对氨氮去除的影响

2.3 曝气强度对膜污染的影响

图7是在不同曝气强度下膜污染的变化情况,从图中可见，在前6 d膜污染最严重，之后膜污染速度逐渐减缓，曝气强度为0.2 m3/h时，由于对膜组件的冲刷作用较小，不足以将附在膜表面的污泥和微生物分泌的胞外聚合物冲刷回反应池导致膜污染持续发生，第13 d时TMP超过50kPa。随着曝气强度的增大，各组膜污染速率逐渐减缓，而当曝气强度达到0.8 m3/h时，前6 d的膜污染速率较慢，主要是因为反应器内有较高的错流流速，污泥颗粒等污染物不易沉积到膜丝表面，但是大量气泡对污泥絮体的冲击作用也很大，会将部分絮体打碎，从而影响了其过滤特性，导致膜污染的加剧，因此，必须选择合适的曝气强度，既保证能为生物反应池提供充足的溶解氧，也要不影响污泥过滤特性。本试验中最佳的曝气强度为0.6 m3/h。

图7 曝气强度对膜污染的影响

2.4 抽停时间比例的优化

为了充分保护膜组件，将停止抽吸的时间固定为3 min，逐渐增长抽吸时间来研究抽停时间比例对处理效率和膜污染的影响。

2.4.1 抽停时间比例对有机物去除的影响

图8是不同抽停时间比例对COD去除效果的影响。当抽停时间为6:3和9:3 min时，COD的平均去除率分别为94.31%和94.62%，两者相差很近。当增加抽吸时间到12 min时，COD的去除效率明显下降，平均去除率为86.6%，且去除率波动变化较大。通过比较，当抽停时间为9:3 min时，COD的去除率较高，而且去除效果稳定，是本试验最适宜的时间。

图8 抽停时间比例对COD去除的影响

2.4.2 抽停时间比例对氨氮去除的影响

不同抽停时间比例对氨氮去除效果的影响如图9所示。当抽停时间为6:3 min时，系统对氨氮的去除能够保持较高的效率，最大去除率可达97.5%，最终的去除率稳定在95.4%～97.5%。增加抽吸时间到9 min时，虽然平均去除率也较高，达到95.1%，但是去除率上下波动较大。当抽吸时间增加到12 min时，氨氮去除率出现下降，最终稳定在90.0%～92.5%。可见缩短抽吸时间有利于微生物对氨氮的硝化和反硝化，但是从处理量和运行成本的角度考虑，抽吸时间不宜过短，从试验结果来看，抽停时间比例以9:3 min为宜。

图9 抽停时间比例对氨氮去除的影响

2.5 抽停时间比例对膜污染的影响

图10反映了不同抽停时间比例对膜污染进程的影响。当停止抽吸时间固定时，随着抽吸时间的增长，膜污染的速率增加。当抽吸时间为6 min和9 min时，膜污染情况的规律相似，前6 d膜污染速率较大，之后膜污染逐渐变缓，最终TMP分别为32.5 KPa和35.2 KPa。而当抽吸时间为12 min时，膜污染持续加剧，运行相同的时间后，即第15 d TMP增加至45.5 KPa。在负压抽吸的条件，污泥颗粒和微生物分泌的胞外聚合物会不断沉积到膜表面，停止抽吸时在空曝气条件下可以将部分污染物冲刷回反应池中，达到清洗的目的，但是如果长时间抽吸而停止时间较短，不能有效解除膜组件内的负压，不能使得污染物被错流清洗，进一步加剧了膜污染，因此，选择合适的抽吸时间比例对缓解膜污染，延长膜寿命至关重要。

从图10中可以看出，6:3和9:3时，运行相同时间后，膜污染的程度相差不大，而运行时间太短会导致日处理量的下降，总体上提高了运行成本，所以综合经济和效率两方面因素来说，抽吸9 min停止3 min是比较合理的操作条件。

2.6 优化条件下MBR运行效能

通过比较可以得出该反应器在HRT为10 h，曝气强度为0.6 m3/h，抽停时间比例为9:3min条件下处理效率能够达到较为理想的水平。水质条件不改变，在该条件下正式运行反应器1个月，得到MBR稳定运行的效能(后5 d的平均值)如表2所示。

图10 抽停时间比例对膜污染的影响

水质指标进水出水去除率/%COD/(mg/L)375.00(±25.00)18.25(±0.56)93.43～95.51氨氮/(mg/L)37.50(±2.50)0.94(±0.08)96.21～97.35TP/(mg/L)8.45(±0.83)6.05(±0.74)21.54～42.78浊度/NTU8.75(±0.27)0.20(±0.06)96.23～97.12TMP/kPa45.5(±3.5)

由表2中可以看出运行1个月之后出水水质比较稳定，COD和氨氮的去除率分别达到93.43%和96.21%以上，达到了较高的水平；对浊度的去除率也很高，远高于一般生物反应器的处理效率。但是总磷的去除效果依然较差，说明MBR工艺的除磷效率与传统工艺相比并没有显著提高。TMP主要体现了膜污染的情况，测得运行开始时的TMP为9.2 kPa，运行1个月之后达到45.5 kPa左右，已接近于膜组件要求的TMP范围(5～50 kPa)上限，长期在这种条件下运行不仅出水水质稳定性不能得到很好的保障，而且会严重缩短膜组件的使用寿命。因此，还需要对MBR进行进一步的试验和探索，寻求既能使处理效率进一步提高，达到中水回用要求，同时又能预防或减缓膜组件污染的运行方式或操作条件。

2.6.1 膜的清洗

即使在试验过程中选择了较合适的膜组件，优化了操作条件，但经过一段时间的运行和反应，生物反应池中的悬浮杂质和污染物依然会堵塞膜孔，膜的透水性能随运行时间的增长而下降是不可避免的，这会使得膜组件的使用寿命缩短，所以必须对膜组件进行清洗，使膜表面和膜孔内污染物得到去除,使膜的透水性能得到一定程度的恢复,从而延长膜寿命的目的。

本试验选择的PVDF中空纤维膜组件为新膜时在操作压力为10 kPa，温度为20℃条件下，在清水中的初始膜通量为167 mL/min，经过1个月时间的运行之后，从生物反应池中取出，在纤维束表面可以很明显观察到覆有一定量的污泥层，在膜的表面形成了一层生物膜，并且在中空纤维膜的纤维丝之间也存在不少的污泥。取出膜组件之后，将膜组件放入清水中，迅速测得污染后的膜通量为33.9 mL/min，此时的膜通量只有初始通量的20.3%。

膜组件清洗的操作步骤：先用自来水进行冲洗以去除膜表面覆盖的污泥层，之后用热水冲洗进一步去除膜表面和膜间隙的污染物，然后再用5%～7%的次氯酸钠溶液进行清洗，并将膜组件在该溶液中浸泡24 h，最后用95%的乙醇进行反冲洗，每一操作之后进行测量膜通量。各种方法清洗之后膜通量的恢复情况如图11所示。

图11 各种方法清洗后膜通量恢复情况

由图11可以看出，膜组件经过一系列的清洗，最终的膜通量可恢复到新膜通量的95.3%，大大延长了膜组件的使用寿命。经清洗后膜组件能够恢复到较高的膜通量，一方面和运行条件有关，如适宜的曝气量，曝气孔释放出的气泡冲刷掉膜面的污染物避免沉积，同时不将污泥絮体冲击破碎；另一方面和处理的水质有关，如果含有酸碱等可对膜产生不可逆污染的物质，需要在污水进入反应池之前进行调节以避免不可逆性污染的产生。

3 结论

通过在不同条件下对MBR的运行，探索了MBR运行的适宜条件，试验结果表明：

(1)通过对比可以得出该反应器在其他条件不变时，HRT为10 h时的处理效率良好，同时膜污染也能得到有效控制，虽然在HRT为11 h时的运行效果更佳，但是相对于HRT为10 h时提高不明显，而且考虑到要达到较高的处理量，所以HRT以10 h为宜；同样的，在其他条件不改变时曝气强度为0.6 m3/h，抽停时间比例为9:3min条件下处理效率能够达到较为理想的水平。

(2)反应器在HRT为10 h，曝气强度为0.6 m3/h，抽停时间比例为9:3 min条件下运行1个月后，COD、氨氮、总磷、浊度的平均去除率分别可以达到94%、96.5%、30%和96.8%，TMP可达到45.5 kPa左右。虽然在优化后的条件下运行，MBR的处理效率较高，但对膜污染的控制效果仍然较差，经过1个月的运行后膜组件的运行时的跨膜压差已经接近其正常工作的上限(50 kPa)，还需要进一步采取改进措施，改善膜污染的状况，延长膜组件的使用时间。

(3)利用适宜的方法对膜进行清洗，可使膜表面和膜孔的污染物得到有效去除。通过自来水洗，热水清洗，次氯酸钠清洗和浸泡以及乙醇反冲洗等步骤对膜组件进行清洗后，膜通量由清洗前的33.9 mL/min上升至159.2 mL/min，恢复到新膜的95.3%，大大延长了膜组件的使用寿命。

[1]Aileen N, Albert S. A Mini-review of modeling studies on membrane bioreactor (MBR) treatment for municipal waters[J].Desalination, 2007,212(1-3):261-268.

[2] Strand S E, Harem G, Stensel H. Activated-sludge yield reduction using chemical uncouples. Water environmental research, 1999, 71(4): 45-48.

[3]陈 立, 耿新新, 马琳娜, 等. MBR系统运行条件对污水中 COD 去除效果影响的实验研究[J].水处理技术, 2015, 41(2):100-101.

[4] 周英群, 王士芬. 环境工程微生物学[M]. 3版. 北京:高等教育出版社, 2008:302-305.

(本文文献格式：张宝艺，梁乾伟，潘宁女原，等.MBR运行条件的优化实验研究[J].山东化工，2017，46(08)：179-184.)

Experimental Study on Optimization of MBR Operating Conditions

ZhangBaoyi,LiangQianwei,PanNingyuan,GuoYing,QinWangyun,WuYingxu,LiYongfeng

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Bioreactor (Membrane, MBR) is a new type of wastewater treatment technology, which combines the activated sludge process with membrane separation technology. Effect of operating conditions on the performance and membrane fouling of MBR operation results show that the MBR in HRT was 10 h, aeration intensity was 0.6 m3/h, to get the ideal pumping time ratio of 9:3 min under the conditions of COD, ammonia nitrogen, total phosphorus and turbidity average removal rate reached 94% 96.5%, 30% and 96.8%, respectively, after 1 months of operation of TMP is about 45.5 kPa. Although the removal efficiency of pollutants is high, membrane fouling has not been significantly improved. Membrane polluted by tap water cleaning, hot water cleaning, washing and soaking in ethanol and sodium hypochlorite backwash cleaning, the membrane flux can be recovered to 95.3% of the new membrane cleaning methods, effectively prolong the service life of membrane components.

membrane bioreactor;membrane fouling;operating conditions

2017-04-07

东北林业大学生创新训练项目(201610225011)；黑龙江省自然科学基金 (2013E54)

张宝艺(1994—)，女，在读本科生，研究方向为水污染控制工程；通信作者：李永峰(1961—)，博士，教授，研究方向为水污染控制工程与生物技术。

X703

A

1008-021X(2017)08-0181-06