多孔悬浮填料对SMBR性能的影响

膜生物反应器(Membrane B ioreactor, MBR) 因其可靠的出水水质、简便的操作方式等特点引 起了广泛的关注[ 1 – 2 ] ,但膜组件的昂贵价格以及 严重的膜污染妨碍了MBR 的推广应用[ 3 ] 。目前 国内外的很多学者都在积极探索解决上述问题的 方法,以扩大膜生物反应器的应用领域。本研究 通过向传统的浸渍式膜生物反应器( Submerged Membrane B ioreactor, SMBR)中直接投加多孔、悬 浮填料,形成复合膜生物反应器,利用悬浮填料产 生的流化作用,预防和剥离膜表面的沉积污泥,减 缓膜污染;同时由于填料表面形成生物膜,增加了 SMBR中的生物量,强化了SMBR的处理性能,由 此考察了多孔悬浮填料对MBR性能的影响。 1 材料与方法 1. 1 材料及设备 试验原水由葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾依次 按质量比为100∶5∶1配制而成,并投加一定量 的微量元素。实验装置如图1。 反应器A,B的有效容积为5 L,其内安装了 两组材质为聚丙烯、公称孔径为1μm的无纺布厂膜 组件,有效过滤面积为0. 03 m2 ;多孔、悬浮填料材 质为改性聚乙烯, 形状为圆柱体, 柱体外径15 mm,高20 mm, 密度为137 kg·m- 3。A反应器中 投加填料, B 反应器为对照组。污泥浓度(悬浮生 长)为3000~4000 mg·L- 1 ,DO为2~3 mg· L- 1。 图1 实验装置示意图 在原水箱中配制的试验原水,通过进水泵进 入反应器。膜组件出水由泵抽吸获得。两组膜组 件由PLC控制实现间歇出水: 4 min – ON, 2 min – OFF。装置底部设有微孔曝气头,实现连续曝气。 1. 2 挂膜 试验所用接种污泥取自大连经济技术开发区 污水处理一厂的回流污泥,呈黑褐色。首先对污 泥进行1周的培养、驯化,然后进行挂膜,即将接 种污泥与原水混合后投入挂膜反应器中,闷曝8 h,使污泥与悬浮填料充分接触后全部排掉,然后 连续进水、出水,并逐渐加大进水量,每天测定反 应器进、出水的CODCr。3 周后测定, 系统对 CODCr的去除率> 80 % ,镜检发现填料上的生物 膜中出现了大量的草履虫等原、后生动物,说明填 料挂膜完成。以5 %的填充率将挂膜后的悬浮填 料投加到反应器A中。 通过分析进水、反应器中的上清液、膜出水的 CODCr (微波消解法) 、出水浊度( 2100, USA) 、跨 膜压力、膜通量、反应器中污泥混合液的SV I ( Sludge Volume Index)来考察多孔、悬浮填料对 SMBR性能的影响。 2 结果与讨论 2. 1 CODCr的去除及出水浊度的变化 系统进水、混合液上清液(经0. 45 μm滤膜 过滤后的混合液)和膜出水的CODCr变化情况如 图2。 由图2可知,对反应器A来说, CODCr的去除 是由填料上的生物膜、反应器中的悬浮污泥和膜 组件共同完成的[ 4 ] ;而对反应器B来说, CODCr的 图2 系统对CODCr的去除效果 去除是由反应器中的悬浮污泥和膜组件共同完成 的。系统进水CODCr平均为485 mg· L – 1 ,反应器 A上清液CODCr平均为157 mg · L – 1 , 较进水 CODCr平均降低了67. 7 %; 反应器B 上清液 CODCr平均为135 mg· L – 1 ,较进水CODCr平均降 低了72. 0 %。膜组件过滤进一步降低了有机物 浓度,提高了出水水质,使反应器A,B对CODCr的 平均去除率分别达到87. 0 % 和92. 5 %。反应器 A的生物量由悬浮污泥及填料上的生物膜两部分 组成,高于反应器B,其对CODCr的降解能力应大 于反应器B,但是图2实验数据表明,反应器A上 清液CODCr值大于反应器B。这是由于反应器A 中添加悬浮填料后,曝气带动悬浮填料产生的流 化作用,在预防和剥离膜表面的沉积污泥的同时, 对污泥絮体有一定的破碎作用,使反应器的上清 液中含有大量的微小悬浮物,增加了上清液的 CODCr。另外, 本实验的膜组件是公称孔径为 1μm的无纺布厂,悬浮填料预防和剥离了污泥在膜 组件表面的沉积,也减小了无纺布厂膜组件的截留 性能,导致反应器A出水的CODCr高于反应器B。 第1期仉春华,等:多孔悬浮填料对SMBR性能的影响7 出水浊度随运行时间的变化如图3,出水的变化 也证明了这一点。反应器A 和B 的出水浊度平 均值分别为13. 6 NTU和3. 0 NTU。反应器A的 出水浊度高于反应器B。但是二者出水的CODCr 值均保持稳定,说明悬浮填料的投加对无纺布厂膜 组件截留的稳定性影响较小。 图3 出水浊度随运行时间的变化 2. 2 跨膜压力及膜通量的变化 跨膜压力的大小反映了膜污染的程度。跨膜 压力随运行时间的变化如图4。 图4 跨膜压力随运行时间的变化 从图4可以看出,反应器A的跨膜压力明显 高于反应器B,说明填料的加入提高了跨膜压力, 增加了膜污染。曝气带动填料对污泥絮体的破坏 作用,产生了大量的微小絮体。悬浮填料的投加, 能有效防止污泥的沉积,但在膜表面难以形成以 大颗粒污泥絮体为主的动态膜,而上清液中的细 小颗粒及溶解性有机物则更易于吸附沉积在膜表 面,并进入膜孔,造成膜孔堵塞[ 5 ] ,增加了不可逆 膜污染阻力。膜通量随运行时间的变化如图5。 从图5可以看出,反应器A的膜通量明显大于反 应器B,但波动较大,不稳定,反应器B的膜通量 较小而平稳,且随着运行时间的增减逐渐降低。 这说明悬浮填料的投加,预防和剥离了污泥在膜 组件表面的沉积,减缓了滤饼层膜污染阻力,增加 了膜通量,但冲刷具有随机性和不稳定性,因而导 致膜通量波动较大。 图5 膜通量随运行时间的变化 综合跨膜压力及膜通量随运行时间变化的结 果,可以认为,投加悬浮填料能够减缓可逆的滤饼 层膜污染阻力,但是增加了由于污泥絮体被破碎 形成的微小悬浮固体和溶解性有机物形成的不可 逆膜污染阻力。 3 结 语 传统的膜生物反应中投加多孔、悬浮填料,在 一定程度上能够减缓可逆的滤饼层膜污染阻力, 保持较高的膜通量。但是曝气带动的悬浮填料的 流化作用,对污泥絮体有一定的破碎作用,导致 SMBR上清液中微小悬浮物量增加,提高了出水 浊度和CODCr值,增加了不可逆膜污染阻力。为 了减少悬浮填料对污泥絮体的破碎,应适当控制 曝气强度,并选用软性悬浮填料。

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