自生生物動(dòng)態(tài)膜反應(yīng)器在城市污水處理中的應(yīng)用
在MBR的運(yùn)行過程中，膜表面會(huì)產(chǎn)生污染層，進(jìn)而大大降低膜的通量[1-3]，但膜表面的污染層的形成，增強(qiáng)了膜的截留能力，就像在原有的膜之上又增加了一層膜[4]，一些研究者將其稱之為動(dòng)態(tài)膜（Dynamicmem-brane）或次生膜（Secondmembrane）[5]。由于動(dòng)態(tài)膜是在過濾過程中形成的，主要由微生物及其代謝產(chǎn)物組成，其組成及厚度都可能隨時(shí)間及生物反應(yīng)器運(yùn)行等條件的變化而變化，故而稱之為自生生物動(dòng)態(tài)膜（Self-formingdynamicbio-membrane）。
本次試驗(yàn)利用微生物在孔隙較大（0.1mm）的篩絹上生長所形成的動(dòng)態(tài)膜作為分離膜，構(gòu)成了一體式膜生物反應(yīng)，對高濃度城市污水進(jìn)行了處理，取得良好的出水效果。并用定量濾紙（孔隙0.4μm）作為常用的固定膜，對反應(yīng)池內(nèi)混合液進(jìn)行過濾，將其濾液與反應(yīng)器出水進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)態(tài)膜穩(wěn)定期間，其分離效果與常用的固定膜相似，甚至更好。用定量濾紙代替固定膜（如超濾膜和微濾膜），并將其分離效果與動(dòng)態(tài)膜進(jìn)行比較與分析，此方法屬首次報(bào)道，具有簡單方便的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于試驗(yàn)或工程過程中對動(dòng)態(tài)膜分離效果的評(píng)價(jià)，特別是在設(shè)備簡陋的野外場合。同時(shí)，國外有文獻(xiàn)提出了固定膜膜阻力在運(yùn)行過程中存在著三個(gè)階段的現(xiàn)象[6]，而對動(dòng)態(tài)膜的膜阻力的變化過程，國內(nèi)外還未見到有相關(guān)報(bào)道，本文在這些方面也做了一定的研究。
1試驗(yàn)裝置與方法
1.1試驗(yàn)工藝
由圖1可知，動(dòng)態(tài)膜組件的結(jié)構(gòu)類似于平板膜，由0.1mm的篩絹包裹形成過濾面，濾液透過過濾面，成為自生生物動(dòng)態(tài)膜反應(yīng)器（SFDMBR）的出水。在反應(yīng)器的兩側(cè)底部設(shè)有側(cè)向曝氣系統(tǒng)，在反應(yīng)器中部的下方設(shè)有下方曝氣系統(tǒng)。在反應(yīng)器的日常運(yùn)行中，開啟側(cè)向曝氣系統(tǒng)；當(dāng)動(dòng)態(tài)膜嚴(yán)重污染時(shí)，必須開啟下方曝氣系統(tǒng)對動(dòng)態(tài)膜進(jìn)行清洗；側(cè)向曝氣與下方曝氣交替一次稱為一個(gè)曝氣周期。
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1.2試驗(yàn)方法
COD：重鉻酸鉀法；氨氮：納氏試劑分光光度法；總氮：過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；總磷：鉬銻抗分光光度法；污泥濃度：重量法；濁度：光電式渾濁度儀。
1.3試驗(yàn)水質(zhì)
反應(yīng)器進(jìn)水取自華中科技大學(xué)家屬區(qū)生活污水的排污口，此污水由廚房廢水、洗浴廢水、廁所廢水等組成，屬于典型的生活污水，且在試驗(yàn)期間，通過向生活污水中添加蔗糖和葡萄糖來改變進(jìn)水COD值。
2結(jié)果與討論
2.1動(dòng)態(tài)膜的形成
試驗(yàn)所接種的污泥，取自武漢市沙湖城市污水處理廠的二次沉淀池污泥排放口，污泥沒有經(jīng)過馴化，直接用于試驗(yàn)，接種污泥約為3000mg/L。動(dòng)態(tài)膜能否替代固定膜而構(gòu)成MBR的前提條件是動(dòng)態(tài)膜對懸浮顆粒是否具有良好的截留能力，而濁度常作為動(dòng)態(tài)膜是否形成完全的重要判別參數(shù)[7]。
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從表1可知，動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器在投運(yùn)后30min，出水濁度就基本穩(wěn)定（<4.0NTU）。說明在啟動(dòng)階段，動(dòng)態(tài)膜能夠在30min內(nèi)形成良好，分離效果明顯。與濁度一樣，30min后，COD也基本穩(wěn)定，但在240min后，COD又有所增大，這是因?yàn)閯偨臃N的活性污泥取之于二次沉淀池，混合液中溶解性COD含量少，以及動(dòng)態(tài)膜有效的分離作用，所以出水中COD較。欢\(yùn)行一段時(shí)間后，反應(yīng)池中的混合液被含高濃度COD的進(jìn)水所取代；但此時(shí)微生物還沒有完全適應(yīng)生存環(huán)境，對進(jìn)水中的可溶性COD去除效果不是很明顯，所以在第240min后，COD又有了回升，但只從動(dòng)態(tài)膜的分離效果來看，動(dòng)態(tài)膜在30min內(nèi)已經(jīng)形成。
同時(shí)，從系統(tǒng)投運(yùn)30min后出水COD變化和濁度的穩(wěn)定性來看，此時(shí)所形成的動(dòng)態(tài)膜只具備對顆粒性物質(zhì)的分離作用，而沒有對溶解性有機(jī)物的降解作用。這就表明在啟動(dòng)階段，動(dòng)態(tài)膜的形成過程是在多孔載體上微粒沉積形成，其實(shí)質(zhì)就是載體組件在過濾時(shí)的濃差極化和濾餅層；但是，通過查閱資料和分析自生生物動(dòng)態(tài)膜的電鏡掃描圖來看，自生生物動(dòng)態(tài)膜是利用大孔過濾材料上生成的生物質(zhì)層的截留作用實(shí)現(xiàn)膜過濾的功能的，它是典型的原液形成膜，所以，自生生物動(dòng)態(tài)膜應(yīng)該是在動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器運(yùn)行后期形成的，在研究自身動(dòng)態(tài)膜的形成與恢復(fù)時(shí)，要從不同的形成機(jī)理進(jìn)行分析。
2.2系統(tǒng)處理效果及動(dòng)態(tài)膜分離效果的評(píng)價(jià)
試驗(yàn)歷時(shí)100多天，前期進(jìn)料液為負(fù)荷較低的城市污水，后期為模擬的高濃度城市污水。此處所分析的對象為高濃度污水的處理過程，在其穩(wěn)定階段，保持水力停留時(shí)間約5h，膜通量為16.5L/m2·h，溶解氧為2mg/L左右。同時(shí)，由于定量濾紙孔徑為0.4μm，與一般膜生物反應(yīng)器所用的固定膜孔徑相當(dāng)，所以試驗(yàn)用定量濾紙作為固定膜來分離反應(yīng)池中的混合液，并與動(dòng)態(tài)膜的分離效果相對比，分析和評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)膜的分離效果。
2.2.1系統(tǒng)濁度的去除效果
試驗(yàn)表明，當(dāng)進(jìn)水濁度非常大的情況下（100～600NTU），出水濁度基本上能夠保持在20NTU以下，多數(shù)情況在10NTU以下，平均去除率為97%，動(dòng)態(tài)膜表現(xiàn)出了良好的截留效果。試驗(yàn)后期進(jìn)水和出水濁度有所提高，主要是由于蔗糖的加入引起了反應(yīng)池中混合液色度的變化（前期未加蔗糖調(diào)節(jié)COD時(shí)，進(jìn)水濁度在200NTU以下，且出水濁度在5NTU以下），進(jìn)而干擾了濁度的測定值，但出水中沒有肉眼可見的懸浮物；同時(shí)也說明，系統(tǒng)對色度也有一定的去除效果，這主要是活性污泥吸附作用的貢獻(xiàn)。
2.2.2COD去除效果及動(dòng)態(tài)膜分離效果的評(píng)價(jià)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水COD較高，且變化非常大(77～2500mg/L)，但出水COD基本上能夠保持在100mg/L以下。且當(dāng)進(jìn)水COD不超過600mg/L時(shí)，COD能夠保持在60mg/L以下，去除率在90%以上，反應(yīng)器系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的有機(jī)物去除效果。從后期進(jìn)水COD的變化較大和出水COD的相對穩(wěn)定來看，整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)具有良好的抗沖擊負(fù)荷能力。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的出水COD與用定量濾紙過濾反應(yīng)池中混合液后的過濾液COD幾乎相等，這就說明動(dòng)態(tài)膜對有機(jī)物的分離效果與固定膜相當(dāng)，甚至還要好（因?yàn)橛枚繛V紙?jiān)谶^濾過程中，存在厚厚的凝膠層和過濾層）。
2.2.3NH3-N去除效果及動(dòng)態(tài)膜分離效果的評(píng)價(jià)
傳統(tǒng)活性污泥法對氨氮的去除率一般在20%～50%，屬于生物自身生長對氮的需求。試驗(yàn)中硝化作用非常明顯，雖然進(jìn)水氨氮的含量較高、變化大，但硝化效果非常好，在系統(tǒng)穩(wěn)定階段，出水氨氮基本上能夠保證在5mg/L以下，絕大多數(shù)情況在2mg/L以下，平均去除率為85.4%，最高可達(dá)99.5%。同時(shí)，由過濾液和出水氨氮變化過程可以看出，動(dòng)態(tài)膜和固定膜對氨氮的分離效果基本相同，有時(shí)動(dòng)態(tài)膜出水氨氮較低一點(diǎn)，但不是很明顯，這可能是由于動(dòng)態(tài)膜上的生物對氨氮的去除所致。有資料顯示，動(dòng)態(tài)膜和固定膜都沒有分離無機(jī)小分子能力，出水氨氮的含量隨反應(yīng)池中含量的變化而變化。膜生物反應(yīng)器中，氨氮的去除應(yīng)歸結(jié)于反應(yīng)器中微生物的硝化作用和同化作用，但動(dòng)態(tài)膜對硝化菌等弱勢菌種的富集作用起著關(guān)鍵性作用。
2.2.4TP去除效果及動(dòng)態(tài)膜分離效果的評(píng)價(jià)
試驗(yàn)表明，系統(tǒng)對總磷有著良好去除效果，在進(jìn)水總磷為0.8～2.8mg/L時(shí)，出水總磷能保持在1mg/L以下，達(dá)到了國家污水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)（GB8978-1996），平均去除率為74%，大大優(yōu)于同類試驗(yàn)研究和應(yīng)用結(jié)果。主要原因在于：（1）由于動(dòng)態(tài)膜的有效截留作用，使作為弱勢菌種的聚磷菌得到極大的富集；（2）由于進(jìn)水負(fù)荷高，排泥量大，有利于磷從系統(tǒng)中的去除；（3）試驗(yàn)原水COD/TP很大，這樣雖然沒有厭氧環(huán)境條件下合成內(nèi)源能量的過程，但聚磷菌可以在周圍環(huán)境中獲得足夠的外部能源。
同時(shí)，由于膜生物反應(yīng)器中，膜對磷去除的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在對含磷固體的分離截留作用，因此磷的去除效果更能直接反應(yīng)膜的分離效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)膜的分離效果與定量濾紙的分離效果差不多，但0.4μm定量濾紙對總磷的分離效果稍好。
2.3動(dòng)態(tài)膜阻力的變化過程
有報(bào)道顯示，在用固定膜組成的膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行過程中，按其膜阻力變化特征，可以將整個(gè)過濾周期分為三個(gè)階段：孔隙堵塞期、過渡期和濾餅形成期[6]。圖2為試驗(yàn)中污泥濃度保持在3820mg/L，動(dòng)態(tài)膜基質(zhì)從清洗后到無法運(yùn)行的過濾過程中膜阻力的變化過程。此前動(dòng)態(tài)膜基質(zhì)已使用了多個(gè)周期；并且在本周期的前2min內(nèi)，膜通量維持在較高的水平（約20L/m2·h），這樣有利于動(dòng)態(tài)膜的快速形成，此后膜通量維持在一個(gè)較低的水平（4～10L/m2·h，平均約6.3L/m2·h），有利于延長動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行周期，便于觀察膜阻力變化過程中各個(gè)階段的過濾特征。
從圖2可知，整個(gè)運(yùn)行周期按膜阻力的變化特征可以分為三個(gè)階段：第一階段為動(dòng)態(tài)膜的形成期（前6h），其特征表現(xiàn)是膜阻力增加得較快，由于動(dòng)態(tài)膜的特殊性，所以此階段的物化過程較復(fù)雜，包括了孔隙堵塞和濾餅的形成過程：首先是粒徑接近基質(zhì)孔隙（0.1mm）的活性污泥或泥渣在基質(zhì)孔隙內(nèi)的堵塞與被吸附，然后將有較小粒徑的污泥在其上補(bǔ)充與堆積，最終形成具有良好分離作用的過濾膜層，此后動(dòng)態(tài)膜結(jié)構(gòu)的變化過程應(yīng)類似于固定膜的污染過程。第二階段為穩(wěn)定運(yùn)行期（6～23h），其特征為膜阻力只有緩慢的增加，此階段類似于固定膜組成的膜生物反應(yīng)器中的濾餅形成期，即動(dòng)態(tài)膜已經(jīng)形成良好，但在死端過濾過程中，還是有一定量的污泥在膜表面的堆積，這也說明，膜污染是膜在應(yīng)用過程中，不可避免的，它總是會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間的延長而加重。第三階段為膜阻力快速增加期（23h之后），其特征表現(xiàn)為膜阻力飛躍增加，直至動(dòng)態(tài)膜無法運(yùn)行，此階段的出現(xiàn)可能是因?yàn)樗纬傻膭?dòng)態(tài)膜太厚，以致在整個(gè)膜組件的周圍形成了水力死角區(qū)，所以由曝氣區(qū)產(chǎn)生的水力循環(huán)流不能對動(dòng)態(tài)膜進(jìn)行有效的沖洗，因此，達(dá)到第三階段的時(shí)間與曝氣量、膜組件之間的距離和曝氣方式的選擇等多種因素有關(guān)。
這也說明不可能依靠增加膜壓差而使動(dòng)態(tài)膜無限運(yùn)行下去，膜阻力的增加有一個(gè)上限，當(dāng)超過了這個(gè)上限，動(dòng)態(tài)膜污染會(huì)迅速惡化。
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3結(jié)論
在系統(tǒng)的啟動(dòng)階段，從出水濁度和COD的變化來看，自生生物動(dòng)態(tài)膜能夠在30min內(nèi)形成良好，分離效果明顯，出水水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定；從膜通量和膜阻力的變化來看，在動(dòng)態(tài)膜形成初期，膜阻力非常小，或者根本就沒有膜阻力，膜通量隨著進(jìn)水流量的變化而變化，同時(shí)也說明，有效動(dòng)態(tài)膜的形成過程是一個(gè)非常短暫的時(shí)間（<30min）。
試驗(yàn)表明，自生生物動(dòng)態(tài)膜反應(yīng)器對城市污水具有良好的處理效果，在整個(gè)試驗(yàn)期間，反應(yīng)器對COD的平均去除率為81%，在穩(wěn)定期間，對氨氮的平均去除率為87%，對總磷的平均去除率為74%。用孔徑為0.4μm的定量濾紙分離反應(yīng)器中的混合液，并將其分離出水水質(zhì)與動(dòng)態(tài)膜出水比較發(fā)現(xiàn)：從COD的去除效果來看，動(dòng)態(tài)膜與固定膜都有良好分離的效果；從NH3-N的去除效果來看，動(dòng)態(tài)膜的分離效果也是有限的，不能分離分子較小的無機(jī)離子，污染物（特別是溶解性污染物）的去除主要是反應(yīng)池中微生物的作用，雖然動(dòng)態(tài)膜也包含大量微生物，但它主要起分離作用，轉(zhuǎn)化、分解污染物的能力非常有限。
與固定膜相似，在動(dòng)態(tài)膜的分離過程中，從膜阻力的變化來看，動(dòng)態(tài)膜的污染過程也是有階段性的，可以為三個(gè)階段：動(dòng)態(tài)膜的形成期、穩(wěn)定運(yùn)行期和膜阻力快速增加期，每個(gè)階段都有其各自的特征。
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