三价铁离子投加对MBR运行效能的影响

张海丰，于海欢，姜　锋，问志勇

(东北电力大学化工学院，吉林　132012)



三价铁离子投加对MBR运行效能的影响

张海丰，于海欢，姜锋，问志勇

(东北电力大学化工学院，吉林132012)

膜生物反应器；三氯化铁；污泥混合液；膜污染

1　引　言

膜生物反应器(membrane bioreactor,MBR)是将生物降解过程和膜分离技术相结合的新兴工艺，与传统的活性污泥法相比，具有出水水质好[1]、污泥产量低[2]、占地面小[3]等优势。MBR技术面临的主要挑战是膜污染问题，膜污染问题导致操作费用增多[4]、膜寿命减少[5]。MBR中膜的主要功能是过滤污泥混合液，因而污泥混合液的特性直接关系着膜污染程度；最近，众多研究者发现向污泥混合液中投加三价铁离子，Fe3+与污泥絮体及细胞通过吸附电中和作用[6]、阳离子架桥理论[7]以及DLVO理论[8]强化污泥的絮凝作用，促使絮体尺寸增大，进而有效的减缓膜污染。本研究主要考察长期运行的MBR中投加三价铁离子对反应器运行效能的影响，通过检测三价铁离子投加后，污泥混合液特性的变化，进一步揭示铁离子与污泥混合液的作用机制，以期为MBR实际工程应用提供技术支撑。

2　实　验

2.1实验装置及运行条件

2套完全相同的MBR分别为C-MBR(对照反应器)及Fe-MBR(投加Fe3+反应器)，实验装置图如图1所示。2套反应器有效体积均为18 L，膜为聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)材质的中空纤维束膜，膜孔径为0.22 μm，膜过滤面积为0.3 m2，膜通量为10 L·m2·h-1，膜出水采用13 min运行及2 min停歇的恒流工作方式，2套反应器的跨膜压差达到30 kPa时对膜表面进行物理清洗。

图1　试验装置示意图Fig.1　Schematic diagram of the experimental set-up

2.2分析方法

MFI的测定[9]：在恒压条件下，MFI定义为t/V与V之间线性关系的斜率值，高MFI值会加快污泥混合液的污染速率，公式如下：

(1)

(2)

3　结果和讨论

3.1MBR污染物去除比较

图1中2套反应器中对TP的去除效果分别为(89.8%±1.4%)(Fe-MBR)和(85.7%±1.5%)(C-MBR)，FeCl3的投加对总磷的去除具有一定的效果，结果见表1。这是由于Fe3+在MBR系统中同时发生生物除磷和化学除磷，Fe3+一方面与磷酸盐生成难溶盐，一方面发生水解，在水解过程的同时又发生聚合反应，生成多核羟基络合物，这些羟基络合物具有较长线性结构，又通过吸附架桥、中和及絮体的网捕作用促使胶体凝聚而除磷[15]。

表1　C-MBR和Fe-MBR去污效率随运行时间的变化

( )内代表对照反应器污染物去除率

3.2铁离子对污泥沉降性的影响

对于Fe-MBR，三价铁离子的投加强化微生物之间的絮凝作用，有助于污泥的沉降性能的提高，污泥的沉降性能可通过SVI来表征。图2显示了C-MBR和Fe-MBR运行中SVI随运行时间的变化，由图2可见，C-MBR的SVI保持在(50±1.3) mL/g范围之内，相比之下，Fe-MBR的SVI在前78 d之内有降低的趋势，由开始的48.7减到33.1 mL/g，这可从2个方面解释：(1)三价铁离子与污泥絮体及胶体发生电中和作用，从而使污泥絮体之间聚集在一起[16];(2)架桥及压缩双电层作用，强化了污泥絮体之间及其污泥与三价铁离子之间的生物絮凝作用[17]，由于絮体尺寸的增大，有助于污泥的沉降。以上结果表明，铁离子能有效的改善MBR中活性污泥的沉降性和可压缩性，这Guo等的研究结果相一致[18]。

图2　C-MBR和Fe-MBR中SVI随运行时间的变化Fig.2　Change of the SVI with operation time in C-MBR and Fe-MBR

图3　C-MBR和Fe-MBR中Zeta电位随运行时间的变化Fig.3　Change of the Zeta potential with operation time in C-MBR and Fe-MBR

3.3污泥表面电荷性变化

三价铁离子能强化污泥混合液的生物絮凝作用，主要机制是电中和作用，通过考察铁离子投加后，污泥混合液表面电荷随运行时间的变化，有利于深入了解污泥絮体之间的絮凝反应。图3显示了C-MBR和Fe-MBR运行中污泥絮体Zeta电位值的变化，由图3可见，在反应器运行初期，污泥混合液的Zeta电位分别为-14.4 mV和-14.9 mV，表明污泥絮体呈负电性，在整个运行过程中，C-MBR的Zeta电位值维持在(-13.7±1.2) mV，絮体带电性较稳定；然而，Fe-MBR中污泥絮体的Zeta电位呈上升趋势，并逐渐趋近于零，这是由于随着反应器的运行，累积在反应器中三价铁离子含量增大，降低了污泥絮体的负电性[19]。

3.4铁离子的投加对污泥黏度的影响

生物絮凝后会引起污泥黏度的变化，图4显示了C-MBR和Fe-MBR运行中黏度随运行时间的变化，从图4可见，离子加入后污泥混合液的黏度一直低于对照组，这表明离子的加入可影响污泥混合液中本体溶液黏度，引起污泥黏度降低[20]。在前67 d，两个反应器中的污泥黏度都升高，这可能在实验初期，污泥浓度的迅速增加，导致微生物数量及其代谢产物增多，引起混合液黏度增加，这与文献的研究结果相一致，前期研究表明污泥混合液的黏度与MLSS浓度是紧密相关的，高的污泥质量浓度会导致混合液黏度的增加[21]。在75 d后，投加铁离子反应器中的污泥黏度明显低于对照组，表明铁离子对MBR污泥混合液黏度降低效果显著，污泥混合液黏度的降低显著改善混合液的可滤性，有利于膜污染的减缓。

图4　C-MBR和Fe-MBR中黏度随运行时间的变化Fig.4　Change of the dynamic viscosity with operation time in C-MBR and Fe-MBR

图5　C-MBR和Fe-MBR中MFI随运行时间的变化Fig.5　Change of MFI with operation time in the C-MBR and Fe-MBR

3.5污泥混合液可滤性及膜污染比较

图6　C-MBR和Fe-MBR中TMP随运行时间的变化Fig.6　Change of TMP with operation time in C-MBR and Fe-MBR

MFI值的变化可反映过滤样品可滤性的差异，MFI值越高则表明在过滤过程中膜污染阻力越大。如图5所示，实验前65 d，Fe-MBR中MFI值与C-MBR差异不明显；70 d以后，Fe-MBR中MFI值降低显著，由65 d的4.66×104s/L2降为70 d的3.45×104s/L2，表明Fe3+对污泥混合液的改善需要一定的运行时间。80 d以后，Fe-MBR中MFI值随运行时间降低显著，表明铁离子对污泥混合液改善具有长效性。对于C-MBR，MFI值呈现持续增加的趋势，说明随着反应器的运行，污泥混合液的可滤性在持续恶化。在恒流量出水的情况下，跨膜压差(trans-membrane pressure,TMP)的增长速率直接表明膜污染程度。图6显示了C-MBR和Fe-MBR随运行时间TMP 的变化，由图6可见，C-MBR的TMP达到30 kPa需25 d，而Fe-MBR的TMP到达30 kPa需39 d，这表明三价铁离子能有效的减缓膜污染增长速率，减小膜的清洗频率。TMP的增长过程可分为2个阶段[22]：缓慢膜污染阶段和快速膜污染阶段，在缓慢膜污染阶段，Fe-MBR的平均膜污染速度为0.28 kPa/d，低于C-MBR的膜污染速率(0.78 kPa/d)，这是因为缓慢污染膜污染速率主要归因于本体溶液中溶解性有机物浓度，本课题组前期研究表明[23]，由于铁离子的絮凝作用，降低了上清液中溶解性有机物浓度，因而减缓了此阶段的膜污染速率。快速污染阶段Fe-MBR及C-MBR的TMP增长速率分别为0.89 kPa/d和0.93 kPa/d，差异不显著，表明Fe3+对MBR膜污染的减缓主要归因于缓慢阶段膜污染速率的降低。

4　结　论

(2) 考察三价铁离子在最佳投加量下对MBR中污泥混合液特性影响研究表明，Fe3+的投加显著改善了污泥混合液的沉降性能、有效增大了污泥黏度及絮体Zeta电位值；通过混合液可滤性及膜污染检测发现，铁离子提高了混合液可滤性，显著降低了缓慢阶段的膜污染速率。

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Impact on the Performance of Membrane Bioreactor with Fe3+Addition

ZHANG Hai-feng,YU Hai-huan,JIANG Feng,WEN Zhi-yong

(School of Chemical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

membrane bioreactor;ferric chloride;sludge mixed liquor;membrane fouling

国家自然科学基金计划项目(51478093);吉林省科技发展计划项目(20120404,20130206061GX)

张海丰(1974- )，男，博士，副教授.主要从事水处理及回用方面的研究.

X703

A

1001-1625(2016)02-0347-05