赵秋燕，宋　箭，伍昌年，方　涛，鲍　超，孔张成，孙冰香，张　睿，杨　浩

悬浮填料延缓DMBR膜污染的研究

赵秋燕，宋箭，伍昌年，方涛，鲍超，孔张成，孙冰香，张睿，杨浩

（安徽建筑大学水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室，安徽合肥，230601）

采用两组平行动态膜生物反应器（DMBR）处理模拟生活污水，对比研究投加悬浮填料对DMBR中污泥混合液特性、胞外聚合物（EPS）及膜污染的影响。投加和未投加悬浮填料的反应器分别记为反应器A、B。实验结果表明：运行期间，反应器A混合液中污泥浓度、Zeta电位降低与粘度增加程度、膜通量衰减及膜阻力增大速度均小于反应器B，且Zeta电位与蛋白质含量呈强负向相关、而粘度与多糖含量呈强正向相关。由反应器A、B膜基材的扫描电镜可直观地看出，未投加悬浮填料的膜表面沉积大量的污染物，致使膜孔堵塞；而投加悬浮填料的膜表面污染物较少，抗污染性能明显有所改善。在DMBR中投加悬浮填料有利于延缓膜污染。

动态膜生物反应器 悬浮填料 膜污染

0　引 言

动态膜生物反应器（Dynamic Membrane Bioreactor, DMBR）是一种将动态膜过滤技术和生物处理工艺相结合的污水处理工艺[1]，与传统 MBR相比，动态膜生物反应器在保留膜生物反应器工艺优点的同时，可大幅降低过滤组件的造价，同时还具有出水水质优良、通量大、抗污染能力显著提高、膜污染清除简易、依靠自流出水、能耗小等突出优点[2]。DMBR的膜污染与MBR的膜污染形式相似，即小分子溶质被膜孔吸附和大分子溶质阻塞膜孔并堆积在膜表面使滤饼层增厚，引起膜污染。根据影响膜污染的因素，通常集中在3方面[3]：膜组件抗污染性质的改进、运行条件的优化及活性污泥混合液特性的改善。目前，应用最为广泛的是向DMBR中投加物质以改变污泥混合液特性延缓膜污染[4]。悬浮填料投入到DMBR中，可为微生物提供载体，降低活性污泥浓度，减小混合液的黏度，进而减缓了膜污染[4]。本文采用两组DMBR平行系统，研究投加悬浮填料对膜污染的影响及控制，考察污泥混合液特性、胞外聚合物对膜通量及膜阻力的影响，进而为延缓和控制膜污染提供切实可靠的方法和理论依据。

1　实验装置和方法

1.1实验装置装置

实验装置如图1，两组平行装置均由有机玻璃制成的进水箱、缺氧池、DMBR组成。缺氧池和DMBR有效容积均为15 L。其中一组DMBR内置悬浮填料（记为反应器A），聚丙烯材质、中空结构，规格为φ10 mm、填充率为30%左右。运行期间，悬浮填料置入塑料笼内以避免悬浮填料在动态膜表面摩擦影响动态膜的形成。膜组件有效过滤面积为0.052 m²，膜基材为300目的尼龙布。池底部用微孔曝气软管进行曝气（DO控制在2～3 mg/L），污泥回流比为200%。DMBR以间歇方式出水，运行5 min，停止1 min，HRT为12 h，SRT为45 d。

图1　实验流程示意图

1.2实验废水水质及污泥特性

实验进水为模拟生活污水水质：用工业级葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4和微量元素等混合配制，其物质的质量浓度分别为COD为300～400 mg/L，TN为45～55 mg/L，TP为4.5～5.5 mg/L，适量加入微量元素。

试验接种污泥取自合肥市某污水厂好氧池，MLSS在4000 mg/L左右，SV30为25%左右，沉降性能较好。在显微镜下可观察到活性污泥中微生物较多。

1.3分 析项目与方法

EPS采用甲醛-氢氧化钠法提取[5]，提取液中的蛋白质、多糖分别采用考马斯亮蓝G-250法[6]和苯酚硫酸法[7]；MLSS采用重量法；混合液粘度和Zeta电位分别采用NDJ-8S旋转粘度计测定和Zetasizer NS90测定。

2　结果与讨论

2.1污泥浓度变化

在DMBR的应用中，污泥浓度（MLSS）作为一个重要的工艺参数，不仅影响系统的处理效果，而且是影响膜污染的重要因素[8]。 运行期间，A、B反应器内MLSS变化情况如图2所示。驯化阶段，反应器不排泥，MLSS迅速增加，在正式启动时，反应器内MLSS达7000 mg/L左右。在正式运行期间，每天定量排泥，将SRT控制在45 d。

图2　污泥浓度对比

由图2可看出，A、B反应器在运行期间MLSS呈下降趋势，这可能是因为每天定量排泥所致。运行后期，反应器B中MLSS稳定在5500 mg/L左右，而反应器A中MLSS仅在4300 mg/L左右，A反应器内悬浮污泥中的MLSS明显比B反应器内的少，原因是随着运行时间的延长，A反应器内附着在悬浮填料上的活性污泥量逐渐增加，因此降低了反应器内悬浮的污泥浓度，进而减少了膜表面滤饼层污泥的沉积量。

2.2 Zeta电位变化

Zeta电位反映污泥混合液的电位情况，能客观地体现活性污泥性质的变化趋势。随着 Zeta电位的降低，膜阻力呈线性增加趋势，即Zeta电位越低，膜污染越严重。Wilén[9]等人研究发现，EPS中蛋白质是影响污泥颗粒带电的决定性因素。蛋白质中所含的硫酸根、磷酸根和羧基等带负电，可导致污泥混合液的Zeta电位降低[10]。污泥混合液的Zeta电位和蛋白质含量随运行时间的变化如图3所示。

图3　Zeta电位对比

由图3可以看出，反应器A、B混合液中蛋白质含量（mg/gMLSS）从7.10、8.19增加到30.49、33.80，Zeta 电位（mv）分别从-5.98、- 6.32降低到 -12.12、-16.23，Zeta电位与蛋白质含量呈强负向相关（RA= -0.972，RB= -0.963）。经对比可知，反应器B中Zeta电位随蛋白质含量增加而降低速度较反应器A快。

2.3混合液粘度变化

混合液粘度的增大不仅会使污泥絮体易于粘附在膜表面，而且导致曝气产生的气液流速降低，使膜表面形成的剪切作用减小，减缓对膜表面滤饼层的冲刷，加剧膜污染[11]。EPS中多糖为亲水性大分子，其粘性力较大，多糖含量积累可使混合液粘度增加，使其易吸附在膜表面，形成粘性较强的凝胶层[12]。图4为混合液粘度与多糖含量运行期间的变化。

图4　混合液粘度对比

如图4所示，A、B反应器多糖含量（mg/ gMLSS）由9.04、9.54增加到27.27、29.06，混合液粘度（mpa∙s）分别由1.17、1.2增加到1.47、1.68，且混合液粘度与多糖含量呈强正向相关（RA=0.942，RB=0.920）。对比后可知，反应器B内混合液粘度随多糖含量增加而增加的速度较快。

2.4膜通量及膜阻力变化

式中，R为膜阻力，m-1；ΔP为跨膜压差，kPa；0µ为混合液粘度，mPa∙s；J为膜通量，L∙m-2∙h-1。两组反应器膜通量与膜阻力随时间的变化规律如图5所示。

图5　膜通量与膜阻力对比

由图5可知，反应器B膜通量下降速率，膜阻力增加速率均比反应器A快。主要是由于随运行时间的延长，附着在悬浮填料上污泥量增加，降低了混合液中活性污泥的浓度，进而降低引起膜污染的EPS浓度。此外，悬浮填料在曝气环境下在反应器局部范围自由移动，增大了混合液的紊流，进而能减少膜组件表面泥饼层沉积量，膜通量衰减、膜阻力增加速率均有所减小。

2.5膜表面扫描电镜分析

截取A、B反应器中运行一个月后的膜组件上的一小块尼龙布，分别进行扫描电镜观察，获取两块尼龙布SEM照片并与原始新尼龙布表面进行对比，如图6所示

图6　扫描电镜对比分析

从SEM图上可看出，新鲜尼龙布表面光滑、膜孔清晰可见，而污染后的膜表面粗糙、膜孔均被泥饼覆盖。对比6.a与6.b可知，投加悬浮填料的膜表面附着的污染物较少，仍可辨别膜表面的孔状结构；而未投加悬浮填料的膜表面沉积了大量的污染物质，污染层已将膜孔堵塞。反应器A中滤饼层污泥沉积量的降低是由于反应器内悬浮污泥量的减少而致。通过扫描电镜观察，可直观的判断投加悬浮填料可延缓膜污染。

3　结论

投加悬浮填料的A反应器混合液中Zeta电位随EPS中蛋白质含量递减速率，粘度随EPS中多糖含量递增速率均比B反应器快。DMBR中的悬浮填料可为污泥提供附着点，降低混合液中悬浮生长的活性污泥量，减少膜表面滤饼层污泥的沉积量，进而延缓了膜通量降低与膜阻力的增加速度，减少了膜组件清洗次数。观察SEM可看出A反应器中膜组件上附着的污染物明显比B反应器少。综上可知，投加悬浮填料有利于延缓膜污染。

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Study on the Effects of Suspension Packing on Dynamic Membrane Bioreactor Membrane Fouling

ZHAO Qiuyan, SONG Jian, WU Changnian, FANG Tao, BAO Chao KONG Zhangcheng, SUN Bingxiang, ZHANG Rui, YANG Hao
(Provincial Key Laboratory of Water Pollution Control and Wastewater Reutilization, School of Environment and Energy Engineering, Hefei, 230601)

Two paralleled dynamic membrane bioreactor (DMBR) were employed to treat simulation of sewage, and the effect of sludge mixture characteristic, extracellular polymers (EPS) and membrane fouling with the addition of suspension packing were studied. Reactors (with and without suspension packing ) were named as reactor A and B. It was shown that reactor A was lower than reactor B in MLSS, Zeta potential decline, sludge viscosity increase, membrane flux decline and transmembrane pressure increase during operation. The content of protein had positive correlation with Zeta potential, and the content of polysaccharide had negative correlation with viscosity. Scanning electron microscopy (SEM) of nylon fabric in two reactors showed the membrane surface without suspension packing deposited pollutants, the film hole were blocked. And less pollutants in the membrane surface added suspension packing, pollution resistance was improved significantly. It could be concluded that suspension packing has positive effects on controlling membrane fouling.

dynamic membrane bioreactor suspended packing membrane fouling

X703

A

2095-8382(2016)03-059-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160313

2015-12-23

国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2014ZX07405003)

赵秋燕（1990-），女，硕士研究生，主要研究方向为： 水处理理论与技术。