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一体式 MBR 污泥特性及对其过滤性能的影响 陈润生 太原科技大学 发展规划建设处，太原 030024 摘要 研究了一体式 MBR 长期不排泥运行的污泥特性变化， 考察了水力停留时间、 曝气量等因素对污泥增长特性、 污 泥颗粒粒径分布及膜过滤性能的影响， 并探讨了这些因素之间的关系。结果表明 水力停留时间越短， MLSS 与 MLVSS 增加越快， 膜污染加速， 膜过滤阻力增加越快， 但 MBR 中污泥浓度的增长、 变化对出水 COD 的影响不明显; 污 泥平均粒径随 SRT 的延长而减小， 实验结束污泥粒径最小值为0. 6 μm大于实验用膜的孔径0. 2 μm， 表明混合液中的 微细颗粒污泥未对膜通量的下降起决定性作用， 膜表面污泥的沉积对膜通量影响更大一些， 增加曝气强度可以明显改 善 MBR 的过滤性能。 关键词 一体式膜生物反应器;水力停留时间;污泥粒径;膜过滤特性;膜通量;膜污染 RESEARCH ON INTEGRATED MBR SLUDGE CHARACTERISTICS AND ITS EFFECT ON FILTRATION PERANCE Chen Runsheng Department of Development，Planning and Construction，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China AbstractThe growth characteristics of sludge in submerged MBR were investigated under the condition of long-term running without discharging sludge．Influences of hydraulic retention time HRT ， aeration and other factors on the growth characteristics of the sludge，sludge particle size distribution and membrane filtration perance were analyzed，and the relationship among these factors was also discussed． The results showed that when HRT was shorter，MLSS and MLVSS were increased faster，accelerating membrane fouling，increasing faster the filtration resistance of membrane in the system． The growth and change of sludge concentration in MBR had no significant effect on the effluent COD;Average particle size of sludge was decreased with the extension of SRT． The average diameter of sludge in initial domestication stages decreased to 0. 6 μm，comparing to 0. 2 μm of the test membrane pore size，sludge with fine particle of the mixture were not a main factor on the decreasing of membrane flux，the deposition of sludge on the membrane surface was more important，and increasing aeration intensity could significantly improve the perance of MBR filtration． Keywordssubmerged membrane bioreactor SMBR ;hydraulic retention time HRT ;particle size of sludge;filtration characteristics;membrane flux;membrane fouling 一体式膜生物反应器将污泥全部截留在反应器 内， 污泥浓度是常规活性污泥法的数倍， 污泥负荷低， 污泥龄极长， 使得膜生物反应器对废水具有优良的处 理效果。同时， 由于污泥龄的延长， 使污泥实现自身 氧化， 因而剩余污泥产量少， 甚至可达到污泥的零排 放。目前常规的各种活性污泥法都不可避免地要排 放剩余污泥， 且污泥的处理技术和费用是污水处理领 域的难题。因此， 研究膜生物反应器不排泥条件下的 运行， 具有重要的现实意义。 试验主要研究膜生物反应器在不排泥条件下运 行时的混合液污泥增长特性、 污泥颗粒粒径分布、 曝 气量等因素对膜过滤性能的影响， 并探讨这些因素之 间的关系， 以期从污泥性质角度研究延缓膜污染的方 法， 为有效控制膜生物反应器的污泥性质、 改善其过 滤性能提供数据参考。 1实验部分 1. 1装置 实验装置工艺流程为 具有一定代表性的实际生 物沤麻脱胶废水经过水解酸化预处理后， 进入一体式 MBR 好氧处理。MBR 采用静压出水方式， 通过调节 93 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 出水管高度 即改变膜两侧的压差△P 控制膜通量 的大小 ［1］。膜生物反应器有效容积26. 25 L， 采用小 型空压机曝气， 实验按水力停留时间 6， 8， 10 h分为 3 种工况， 分别不排泥连续运行50 d。 1. 2实验用膜 实验 选 用 天 津 膜 天 公 司 研 制 的 聚 偏 氟 乙 烯 PVDF 中空纤维帘式膜组件， 外形尺寸为250 mm 450 mm，膜 面 积 为 0. 5 m2，产 水 量 为15～ 22 L/ m2h ， 膜内、 外径分别为 0. 6， 1. 0 mm， 膜孔 径为0. 2 μm， 膜壁厚为150 μm。 1. 3检测方法 SV、 COD、 DO、 MLVSS 和 MLSS 等各水质指标的 测定采用国家废水检测标准方法 ［2］。试验结束将膜 组件取出， 通过电镜扫描照片分析膜污染状况及污染 成因， 并采用 Beckman Coulter LS13320 激光粒度仪测 定反应器污泥粒度的分布。 2结果与讨论 2. 1MBR 中污泥特性分析 2. 1. 1HRT 对污泥增值特性的影响 图 1 为 HRT 为 6， 8， 10 h时 MLSS 的增长曲线。 实验运行初期 3 种工况污泥浓度相当并且浓度都较 低， 各工况 MLSS 值均随 SRT 延长逐渐增大。HRT 8， 10 h时， 膜生物反应器中污泥的产量低， 运行过程 中污泥浓度增加缓慢。HRT 6 h时， 污泥浓度增加 较快。比较可知， 水力停留时间越短， MLSS 增长速度 越快; HRT 6 h时污泥沉降性能下降， 会阶段性地出 现污泥膨胀， 主要原因是污泥负荷变大， 营养充足， 绝 大多数微生物处在对数增长期。HRT 为 8， 10 h时， MLSS 稳定， 污泥沉降性能良好。 图 1MLSS 随运行时间的变化关系 2. 1. 2MLSS-MLVSS 的对比情况 图 2 为 HRT 8 h时 MLSS 与 MLVSS 的对比曲 线， 污泥浓度 MLSS 和 MVLSS 同时增加。在实验运 行初期 MLSS 和 MLVSS 差别不大， 在运行后期 MLSS 与 MLVSS 的差值有增大的趋势， 这说明随着反应的 进行， 进水中难降解 SS 的积累以及微生物代谢产物 的积累使污泥活性有所降低。 图 2MLSS 与 MLVSS 随运行时间的变化关系 2. 2MBR 污泥特性对其出水 COD 的影响 对 COD 的平均去除效果见图 3。可以看出 整 个运行过程进水 COD 在 700 ～ 1 000 mg/L之间波动， 但出水 COD 均在100 mg/L以下， COD 去除率维持在 95 左右。对 MBR 内上清液 COD 的同步监测结果 表明 MLSS 的增长并不能明显加快 COD 的降解， 3 种工况 MBR 出水 COD 的差异较三者的上清液 COD 要小， 说明膜的截留作用弥补了 MLSS 变化造成的生 物反应器处理性能的不稳定。在系统的稳定运行期， 进水 COD 的波动引起污泥负荷的变化， 对 MBR 出水 COD 略有影响， 即污泥负荷增高， 相应的出水 COD 略有增加， 但出水水质 COD 去除率并无大的变化， 表 明 MBR 系统具有较强的抗冲击负荷能力。 图 33 种工况下 MBR 出水 COD 的关系 2. 3MBR 污泥浓度对膜过滤阻力的影响 2. 3. 1MLSS 对膜过滤阻力的影响 过滤阻力与 HRT 的关系如图 4图 6 所示， 3 种 工况 HRT 6， 8， 10 h 膜过滤压力均随污泥龄的延 04 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 长呈上升趋势， 污泥龄的延长使得污泥浓度不断增 加。污泥浓度的增加往往伴随着混合液黏滞度、 溶解 性有机物及惰性物质等的积累， 它们会对膜通量产生 不利影响。实验过程整体表现为污泥浓度越高膜过 滤阻力越大， 在低浓度段 污泥浓度 ＜ 4. 0 g/L 膜过 滤压力的增长较慢， 污泥浓度增长对膜污染的影响较 小; 在高浓度段 MLSS ＞ 4. 0 g/L ， 膜过滤压力增长 较快， 污泥浓度增长使膜污染加剧。 图 4HRT 6 h， MLSS、 膜出水压差变化曲线 图 5HRT 10 h， MLSS、 膜出水压差变化曲线 图 6HRT 8 h， MLSS、 膜出水压差变化曲线 2. 3. 2水力停留时间对 MBR 通量的影响 对比图 4图 6， 三种水力停留时间下的膜过滤 压力的增长曲线， 宏观上表明水力停留时间是影响 MBR 膜通量的主要因素， 为了维持各自的水力停留 时间， 膜过滤压力持续升高。水力停留时间越短， 膜 出水压力增加越快。实验在 HRT 6h 时， 污泥浓度 增加最快， 在10 d内 MLSS 由6 g/L增加到17 g/L， 这 个阶段微生物增殖过快， 加快了污泥在膜面的沉积， 所以膜通量下降很快。此后加大曝气强度并维持了 2 d的空曝气， 可能是膜面沉积污泥突然脱落， 膜通量 得到明显恢复， 膜压差减小。从整个过程来看， 水力 停留时间过短， 容积负荷加大， 会导致微生物的异常 繁殖， 会加剧膜污染。 图 7HRT 8 h 结束时， 污泥粒径分布激光分析 2. 4MBR 污泥粒径分布对膜污染的影响 图 7 为 HRT 8 h 下， 运行后期的污泥粒径分布情 况， 污泥粒径分布范围在0. 04 ～ 2 000 μm之间， 主要 粒径在1. 0 ～ 400 μm， 污泥的平均粒径为121. 8 μm。 随着 SRT 的 延 长， 污 泥 平 均 粒 径 由 运 行 初 期 的 148. 6 μm减小到45 d时的121. 8 μm， 特别是运行前 30 d 污泥平均粒径迅速减小， 30 d后污泥平均粒径减 小趋缓。资料表明， 膜生物反应器中污泥的平均粒径 比普通活性污泥系统的稍低 ［3］， Henriques 等［4］认为 不可降解 COD 的积累是造成 MBR 中污泥粒径偏小 的主要原因。污泥颗粒粒径的变小一方面是 MBR 工 艺中曝气造成的剪切力阻止了大颗粒絮体的形成， 其 次是泥龄的延长增加了污泥颗粒的磨损时间。一般 情况， 污泥颗粒被剪切得过小， 当接近或小于膜孔直 径时， 会加剧膜污染， 增加膜的过滤阻力 ［5- 6］。但从本 实验运行结束时的污泥粒径分布结果来看， 污泥最小 粒径为0. 6 μm， 大于实验用膜的孔径0. 2 μm， 粒径分 布在0. 04 ～ 0. 6 μm范围的颗粒微乎其微。本实验表 明 随着污泥龄的增长， 污泥粒径变小并非是造成膜 14 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 污染而使通量下降的直接原因， 膜通量随运行时间的 不断下降， 是多种因素随运行时间逐步积累的结果。 2. 5曝气强度与 MBR 污泥特性、 膜过滤阻力的关系 一体式 MBR 在不排泥条件下， 随着反应的进行， 污泥浓度逐渐增加， 混合液需氧量增大， 运行过程须 增加曝气强度维持混合液中有足够的 DO 值。其次， 研究表明， 膜表面污泥沉积对膜污染影响最大， 约占 总阻力的 50 以上 ［7］。增加曝气强度可以提高膜面 液体循环流速， 减少污泥在膜表面的沉积， 缓解膜污 染， 如图 4图 6， 虽然过高强度曝气的剪切作用可能 破坏污泥絮体结构，导致反应器内污泥絮体粒径降 低， 使混合液中细小污泥颗粒增多， 增加膜孔堵塞机 会 ［8］， 但实验结果表明 增大曝气强度对于防止膜污 染总体上是有利的。 3结论 1 水力停留时间是宏观上影响 MBR 污泥增值 特性和膜通量的主要因素 水力停留时间越短， MLSS 与 MLVSS 增加越快，膜出水压力也增加越快， 膜污 染加速; 当水力停留时间过短时， 会出现活性污泥的 性能恶化， 降低 MBR 的处理效果。 2 在运行稳定的情况下， MBR 中 MLSS 增长与 COD 去除没有明显的相关性; 膜的截留作用弥补了 MLSS 变化造成的生物反应器处理性能不稳定， 污泥 浓度 MLSS 的变化对出水 COD 影响不明显。 3 污泥平均粒径随 SRT 的延长而减小的趋势明 显。在试验运行结束， 污泥平均粒径为121. 8 μm， 污 泥粒径小于0. 6 μm的部分可忽略不计， 污泥粒径分 布明显大于实验用膜孔径0. 2 μm， 说明污泥平均粒 径随污泥龄的延长而变小并非是造成膜污染的直接 原因。 4 膜表面污泥沉积对膜污染影响最大， 增加曝 气强度可以减少污泥在膜表面的沉积， 缓解膜污染; 虽然高曝气强度会给污泥絮体结构带来不利影响， 但 相对于其有利影响微乎其微。 5 一体式 MBR 污泥产量低， 可在不排泥条件下 长期运行。但当污泥浓度过高时， 会增大膜阻力， 增 大难降解物质的积累; 同时系统需氧量高， 系统的能 耗较大。此时适当排泥还是很必要的。 参考文献 ［1］陈润生． 新型膜生物反应器的设计及其性能研究［J］． 中国给 水排水， 2011， 23 13 80- 82． ［2］国家环保局． 水和废水监测分析方法［M］． 3 版． 北京 中国环 境科学出版社， 1989 362- 368． ［3］刘锐， 黄霞， 刘若鹏， 等． 膜生物反应器和传统活性污泥工艺的 比较［J］． 环境科学， 2001， 22 3 20- 25． ［4］Ines D S Henriques，R David Holbrook，Richard T Kelly II，et al． The impact of floc size on respiration inhibition by soluble toxicants in a comparative investigation［J］． Water Research，2005， 39 12 2559- 2568． ［5］Defrance L，Gupta B，Paullier P，et al． Contribution of various constituents of activated sludge to membrane bioreactor fouling［J］． Bioresource Technology， 2000， 73 2 105- 112． ［6］张景丽， 曹占平， 张宏伟． 污泥龄对膜生物反应器性能的影响 ［J］． 环境科学， 2008， 29 10 2787- 2793． ［7］LeClech P，Vicki C， Tony A G． Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment ［J］． J Membr Sci，2006， 284 17- 53． ［8］张海丰， 孙宝盛， 赵新华， 等． 曝气强度对膜生物反应器污泥混 合液可滤性的影响［J］． 环境科学， 2008， 29 10 2777- 2782． 作者通信处陈润生030024太原市瓦流路 66 号太原科技大学发 展规划建设处 E- mailshengrunchen 163． com 2011 － 11 － 28 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 12 页 ［7］蓝梅， 顾国 维． PACT 工艺研究进展及 应 用 中 应 注 意 的 问 题 ［J］． 工业水处理， 2000， 20 1 10- 12． ［8］Mckay G． The adsorption of dyestufs from aqueous solution using activated carbon［J］． J Chem Tech Biotechnol， 1982， 32 7 759- 764． ［9］吴伟， 张龙， 刘伟京， 等． PACT 工艺系统中的吸附和生物降解 性能研究［J］． 环境科学研究， 2010， 23 8 1062- 1067． ［ 10］汤日斌， 孙哲， 腾克哲． 活性炭投料曝气法 PACT 处理造纸中 段废水［J］． 黑龙江环境通报， 2002， 26 1 59- 60． 作者通信处吴伟210036南京市通江路 16 号中北大厦 4 楼江苏 省环境科学研究院 2011 － 11 － 13 收稿 24 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期