膜生物反應(yīng)器是膜分離技術(shù)與生物處理相結(jié)合的污水處理技術(shù)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥法中的二沉池作用，具有出水水質(zhì)好、處理效率高、污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點。但是，膜生物反應(yīng)器雖然對多數(shù)有機(jī)物有較好的處理能力，但是對TN篩除率較低。此外，將MBR技術(shù)投入大規(guī)模商業(yè)運(yùn)用還有2個難點：其一是MBR技術(shù)通常采用有機(jī)或無機(jī)膜，價格較昂貴，導(dǎo)致投資成本較高;其二是膜污染問題難以控制和解決。采用濾布、玻璃纖維編織管等廉價材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)膜組件形成的動態(tài)膜生物反應(yīng)器技術(shù)能大大降低成本，其中，玻璃纖維編織管具有機(jī)械強(qiáng)度大、有效過濾面積大和膜污染較易控制等優(yōu)點，因而具有較好的應(yīng)用前景。
本研究以玻璃纖維(Glass Fiber)編織管為膜組件材料，并結(jié)合A/O工藝制作一套DMBR-A/O污水處理裝置，以生活污水為對象，對DMBR-A/O在全程硝化反硝化及短程硝化反硝化工藝條件下的污染物去除性能及膜污染特征進(jìn)行了比較研究。以期提高城市污水處理效率(efficiency)，有效降低能耗，緩解膜污染，延長運(yùn)行時間。
1. 材料與方法
1.1 實驗裝置
圖1 實驗裝置示意圖
實驗裝置如圖1所示。膜生物反應(yīng)器膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)。以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技術(shù)末端二沉池，在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度，提高生物處理有機(jī)負(fù)荷，從而減少污水處理設(shè)施占地面積，并通過保持低污泥負(fù)荷減少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設(shè)備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機(jī)物。膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)活性污泥（MLSS）濃度可提升至8000~10,000mg/L，甚至更高；污泥齡(SRT)可延長至30天以上。分為好氧池和缺氧池2個部分，其中O池和A池容積分別為90 L和40 L。裝置前段設(shè)置調(diào)節(jié)池，作為實驗用水的貯水池。調(diào)節(jié)池出水經(jīng)進(jìn)水泵泵入A池，又經(jīng)過連通管流入O池。O池中央設(shè)置膜組件，膜組件由直徑4 mm的中空玻璃纖維編織管制成，有效膜面積為1 m2，由抽吸泵抽吸出水。轉(zhuǎn)子流量計控制流量大小，真空表監(jiān)測跨膜壓差。O池底部分別設(shè)置曝氣裝置，并設(shè)置污泥回流管回流污泥液至A池，利用文丘里混流器使A池污泥保持懸浮狀態(tài)。O池、A池、調(diào)節(jié)池均由液位控制儀控制液面高度，系統(tǒng)由可編程控制器PLC控制運(yùn)行。
1.2 實驗內(nèi)容與方法
1.2.1 裝置的啟動運(yùn)行
實驗進(jìn)水采用寧波大學(xué)某污水井內(nèi)實際生活污水。接種污泥取自寧波市某污水廠二沉池污泥回流液，加入O池后悶曝2 d，之后連續(xù)（Continuity)進(jìn)水，運(yùn)行通量為5 L?h−1，2周內(nèi)逐步提高至15 L?h−1。期間保持O池DO為2~5 mg?L−1，A池DO保持在0.5 mg?L−1以下，污泥回流比約為200%，此期間不排泥。O池MLSS約為4 000 mg?L−1，SV30為30%，檢測進(jìn)出水CO
D、NH4+-N去除率均大于80%，視為培養(yǎng)馴化結(jié)束。
1.2.2 連續(xù)運(yùn)行實驗
實驗分為2個階段運(yùn)行。階段I為全程硝化反硝化，階段II為短程硝化反硝化。共運(yùn)行68 d。運(yùn)行期間膜通量始終保持約15 L?−1，MLSS穩(wěn)定在3 500~4 500 mg?L−1，A池溫度15~25 ℃，污泥回流比為200%，抽停比為
5:1，總HRT約8 h，其他運(yùn)行工況如表1所示。實驗期間檢測進(jìn)出水水質(zhì)變化，并記錄負(fù)壓表讀數(shù)。
表1 各階段運(yùn)行工況
1.2.3 膜清洗
實驗結(jié)束后取感染膜組件、水力沖洗后膜組件、0.05%NaClO溶液浸泡后膜組件進(jìn)行電鏡掃描，并與新組件對比。
1.3 檢測方法
濁度：WGZ-2型濁度測定儀測定;COD：重鉻酸鉀(Potassium)消解法測定;NH4+-N：納氏試劑比色法測定;DO：JPB-607A型便攜式溶解氧測定儀測定;亞硝態(tài)氮：N- -乙二胺分光光度法測定;硝態(tài)氮：紫外分光光度法測定;TN：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定。
2 結(jié)果與討論
2.1 2種運(yùn)行工況對膜污染的影響
當(dāng)膜組件過濾活性污泥混合液時，污染物會不斷在膜表面沉積，引起膜污染，主要表現(xiàn)為TMP增大或膜通量減小,而膜通量的大小與膜污染速度有重要聯(lián)系。以往的研究中普遍采用定流出水，但隨著膜污染的逐漸加劇，膜通量會明顯下降，一方面使HRT變大，影響水質(zhì)處理效果的準(zhǔn)確性;另一方面使膜表面污泥沉積速度減小，延緩膜污染，但運(yùn)行效率降低。為避免這類影響，實驗（experiment)采用定流出水并每天定時調(diào)整膜通量，使HRT和膜表面污泥沉積速度始終保持一致。實驗期間，由于運(yùn)行過程中膜污染嚴(yán)重，分別在實驗第16、
30、38天進(jìn)行了膜清洗，各階段TMP增長趨勢如圖2所示。由于運(yùn)行初期膜表面濃差極化，階段I的TMP在第1天增長迅速，隨后進(jìn)入緩慢污染階段，TMP平穩(wěn)上升，第10天達(dá)到20 kPa。此后，TMP增長速度迅速變大，5 d后到達(dá)峰點。其原因在于此時玻纖管在抽吸作用下發(fā)生機(jī)械變形，導(dǎo)致有效膜面積減少，從而加速TMP增長。膜清洗后TMP趨勢與清洗前相似，到達(dá)峰值時間僅提前1 d，說明膜清洗幾乎能完全恢復(fù)膜組件性能，同時膜污染速度并未隨著運(yùn)行時間而改變。階段II初期，由于系統(tǒng)運(yùn)行工況的改變，O池內(nèi)微生物大量死亡，導(dǎo)致胞外聚合物含量迅速上升。由于EPS是引發(fā)膜污染的主要因素，因此，TMP增長速度較大，8 d后已高達(dá)30 kPa，隨后進(jìn)行膜清洗。膜組件清洗后連續(xù)運(yùn)行30 d后TMP到達(dá)峰值，與階段I最大運(yùn)行時間相比延長了15 d，說明階段II運(yùn)行工況更有利于緩解膜污染。原因在于階段II的O池內(nèi)DO含量較低，使微生物新陳代謝減弱，從而減少微生物的分泌和自溶，降低EPS含量，延緩膜污染。
圖2 TMP隨時間的變化
2.2 COD去除效果
圖3 進(jìn)出水COD隨時間的變化
如圖3所示，階段I出水COD包含比重一直相對穩(wěn)定，平均值（The average value)僅為27 mg?L−1，去除率達(dá)86%。COD的高效去除原因主要有2個方面：1)膜的截留作用可防止生化池內(nèi)污泥流失，增大微生物(Micro-Organism)與污染物接觸的機(jī)會;2)膜組件對大分子有機(jī)物的高效截留作用。階段II運(yùn)行初期，由于溫度和DO的改變，抑制了微生物的活性，進(jìn)水中的有機(jī)物不能有效去除，導(dǎo)致出水COD含量大于100 mg?L−1。隨著微生物對新環(huán)境的逐漸適應(yīng)，出水COD含量逐漸減小，第41天時已小于50 mg?L−1，此后平均出水濃度為19.2 mg?L−1，平均去除率高達(dá)92%，比階段I去除效果更加顯著。原因可能是階段II好氧池低DO狀態(tài)下，微生物新陳代謝較弱，EPS含量減少，同時又能有效將大分子有機(jī)物代謝利用或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，導(dǎo)致污泥液中大分子有機(jī)物含量較小，降低其穿越膜組件的概率，從而出水COD含量更小。由于進(jìn)水為污水井中的生活污水，其中時常混雜有地表徑流，因而COD含量變化范圍較大，最低僅有64 mg?L−1，最高將近550 mg?L−1，而出水水質(zhì)保持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，說明系統(tǒng)(system)有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。
2.3 NH4+-N去除效果
圖4 進(jìn)出水NH4+-N隨時間的變化
一般認(rèn)為，硝化包括2個過程;1)由氨氧化（oxidation)菌參與的將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2−-N的過程;2)由亞硝酸氧化菌參與的將NO2−-N轉(zhuǎn)化為NO3−-N的過程。短程硝化反硝化技術(shù)是利用氨氧化菌和亞硝酸氧化菌自身不同的生活條件，淘汰亞硝酸氧化菌，使氨氧化菌成為優(yōu)勢菌種，實現(xiàn)NO2−-N的累積并直接進(jìn)行反硝化脫氮。溫度[19]和DO[20]是實現(xiàn)短程硝化反硝化的重要影響因素，階段II期間采用高溫和低DO的運(yùn)行工況能有效促進(jìn)短程硝化反硝化的運(yùn)行。
如圖4所示，階段I出水NH4+-N含量相對穩(wěn)定，平均值為5 mg?L−1，平均去除率將近90%，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。NH4+-N高效去除的原因在于運(yùn)行期間不排泥，較長的SRT促進(jìn)硝化細(xì)菌的生長，并且膜的高效截留作用使硝化細(xì)菌得以富集，成為優(yōu)勢菌種，硝化能力逐漸增強(qiáng)。階段II初期，DO和溫度的改變抑制了硝化細(xì)菌的活性，導(dǎo)致出水NH4+-N含量迅速上升，去除率甚至不足50%。但隨著微生物對環(huán)境的逐漸適應(yīng)，氨氧化菌逐漸積累，混合液中的NH4+-N轉(zhuǎn)換成NO2−-N，出水NH4+-N濃度逐漸下降。運(yùn)行13 d后出水NH4+-N濃度僅為5.4 mg?L−1，此后平均濃度為4 mg?L−1，去除率一直穩(wěn)定在88%左右。說明在階段II期間, 雖然亞硝酸氧化菌的活性受到抑制，不能進(jìn)行全程硝化反應(yīng)，但氨氧化菌得以富集并逐漸成為優(yōu)勢菌種，使NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2−-N，因而出水NH4+-N含量依然保持在較低水平。
2.4 TN去除效果和NO2−-N累積率
圖5 進(jìn)出水TN隨時間的變化
圖6 出水NO3−-N與NO2−-N隨時間的變化
如圖5、圖6所示，階段I運(yùn)行期間，由于進(jìn)水TN含量變化范圍(fàn wéi)較大，導(dǎo)致(cause)出水TN含量明顯波動，平均值為24 mg?L−1，去除率僅約58%。TN的去除效果不佳，主要原因是微生物進(jìn)行反硝化脫氮反應(yīng)需要消耗碳源，當(dāng)進(jìn)水C/N大于6時反硝化所需碳源充足，而實驗運(yùn)行期間C/N僅為4左右，碳源不足抑制了反硝化脫氮。階段II初期，TN去除率不足40%，主要原因在于溫度和DO的改變導(dǎo)致硝化菌硝化能力不足，出水中NH4+-N含量很高，因而TN去除率低。此時出水NO2−-N開始積累，但仍低于NO3−-N含量，說明此時依然以全程硝化反硝化反應(yīng)為主。隨著運(yùn)行時間的延長，出水中NO2−-N含量逐漸升高，NO3−-N含量逐漸降低，當(dāng)階段II運(yùn)行13 d后，出水中NO2−-N含量開始高于NO3−-N，NO2−-N累積率逐漸上升，20 d后NO2−-N累積率穩(wěn)定在80%左右，說明此時以短程硝化反硝化反應(yīng)為主，氨氧化菌已成為優(yōu)勢菌種。DMBR-A/O啟動短程硝化反硝化時間約20 d，與SBR[23-24]相比, 減少了10 d以上，原因可能在于SBR中氨氧化菌容易隨出水流失，而DMBR膜組件的高效攔截作用能有效防止菌種流失。但由于進(jìn)水水質(zhì)波動較大，實驗過程中O池DO濃度有時超過2 mg?L−1，影響了短程硝化的完全實現(xiàn);而且短程反硝化速率比全程反硝化速率更快，導(dǎo)致更多NO2−-N在A池被消耗，所以NO2−-N累積率僅穩(wěn)定在80%左右。與此同時，TN去除率也逐漸升高，最后穩(wěn)定在75%以上，明顯高于階段I，說明階段II運(yùn)行工況對TN的去除更加高效。且A池內(nèi)未設(shè)置攪拌裝置，僅利用文丘里混流器和污泥回流聯(lián)用達(dá)到污泥懸浮效果，不僅大大降低能耗，而且去除效果優(yōu)于呂亮等研究結(jié)果。
2.5 膜清洗
圖7 不同運(yùn)行期間膜組件SEM圖
膜組件過濾作用是混合液泥水分離的關(guān)鍵。在抽吸壓力作用下，水分子透過膜孔徑形成出流，同時污泥被阻隔并部分沉積在膜表面，形成污泥層。污泥層在過濾時有2個作用：1)加強(qiáng)膜組件的過濾作用，阻隔水中含有的大分子有機(jī)物，使出水水質(zhì)更優(yōu);2)污泥覆蓋（Cover)導(dǎo)致膜組件孔隙率下降，使TMP上升，膜通量下降。雖然合適的運(yùn)行條件可以有效減緩膜感染，延長運(yùn)行時間，節(jié)省能耗，但隨著污泥在膜表面的不斷累積，膜污染不可避免。為使膜組件能夠重復(fù)（repeat)利用，膜清洗是必要的階段。
實驗結(jié)束后, 將污染后、水力沖洗后及0.05%NaClO清洗后的膜材料及新膜材料進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖7所示。膜生物反應(yīng)器膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)。以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技術(shù)末端二沉池，在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度，提高生物處理有機(jī)負(fù)荷，從而減少污水處理設(shè)施占地面積，并通過保持低污泥負(fù)荷減少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設(shè)備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機(jī)物。膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)活性污泥（MLSS）濃度可提升至8000~10,000mg/L，甚至更高；污泥齡(SRT)可延長至30天以上。污染后膜絲表面被污泥覆蓋較為嚴(yán)重，形成一層致密的污泥層，嚴(yán)重影響膜組件孔隙率，破壞膜組件性能。采用壓力為0.02 MPa水流水力沖洗可以去除膜表面大部分污染物，但對于膜絲夾縫中的污泥很難去除，而這些污泥又是影響膜組件過濾性能的關(guān)鍵，所以水力沖洗不能有效去除膜污染，只能作為膜清洗的預(yù)備階段。而經(jīng)過水力沖洗的膜組件再經(jīng)0.05%NaClO溶液浸泡12 h后膜表面污泥幾乎去除完全，膜絲夾縫中雖然殘留一些雜質(zhì)，但是數(shù)量很少，幾乎不影響膜組件的使用性能，實驗階段I膜清洗前后運(yùn)行時間僅相差1 d，也證實膜組件性能恢復(fù)良好。
3 結(jié)論
1)在膜通量為15 L?−1時，玻纖管DMBR進(jìn)行全程硝化反硝化時可連續(xù)運(yùn)行15 d，而進(jìn)行短程硝化反硝化時連續(xù)運(yùn)行時間長達(dá)30 d。因此，DMBR結(jié)合短程硝化反硝化技術(shù)更有利于緩解膜污染，延長運(yùn)行周期。
2)玻纖管DMBR進(jìn)行全程硝化反硝化處理生活污水時，CO
D、NH4+-N的去除率都大于85%，但TN去除率不足60%，平均出水TN濃度約為24 mg?L−1。進(jìn)行短程硝化反硝化時，CO
D、NH4+-N的去除效果與全程硝化反硝化相差不大，但對TN的去除有明顯提高，穩(wěn)定運(yùn)行時TN去除率約75%，出水水質(zhì)符合《城鎮(zhèn)污水處理廠感染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。
3)采用水力沖洗膜組件不能篩除玻纖管DMBR膜絲夾縫中的污泥，但經(jīng)0.05%NaClO溶液浸泡12 h后污泥基本去除，膜組件基本恢復(fù)性能。中空纖維膜紡絲機(jī)通過膜技術(shù)進(jìn)行水處理，應(yīng)用于制藥、釀造、餐飲、化工、市政污水回傭、醫(yī)院、小區(qū)污水會用、造紙等生產(chǎn)生活污水處理。膜分離技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于溶液或氣體物質(zhì)分離、濃縮和提純的分離技術(shù)。膜壁微孔密布，原液在一定壓力下通過膜的一側(cè)，溶劑及小分子溶質(zhì)透過膜壁為濾出液，而大分子溶質(zhì)被膜截留，達(dá)到物質(zhì)分離及濃縮的目的。膜分離過程為動態(tài)過濾過程，大分子溶質(zhì)被膜壁阻隔，隨濃縮液流出，膜不易被堵塞，可連續(xù)長期使用。
