PAC影响MBR膜阻力的实验研究

蒋一凡 余 静 李彬彬

(扬州大学 环境科学与工程学院， 江苏 扬州 225127)

PAC影响MBR膜阻力的实验研究

蒋一凡 余 静 李彬彬

(扬州大学 环境科学与工程学院， 江苏 扬州 225127)

进行了PAC-MBR和MBR处理废水的对比实验研究，主要分析投加PAC控制膜污染以及膜阻力的变化情况．控制膜组件跨膜压差在2.6～26 kPa区间内，测定实验数据，发现投加PAC后系统处理效果略有提高;对两系统上清液溶解性有机物进行检测，得出PAC对低分子量溶解性有机物以及疏水性有机物的吸附效果好，可减缓膜污染．此外，投加PAC显著延长了膜的使用周期，利用达西公式计算其膜阻力，发现PAC的投加对减少滤饼层阻力有利．

膜生物反应器； PAC； 膜阻力； 膜污染； 溶解性有机物

膜生物反应器(MBR)因其系统占地面积小、出水水质好、产泥量少、抗冲击负荷强等优势，近年来被广泛应用于中小型污水处理厂及中水回用领域．尽管如此，膜污染问题仍是专家学者们待以解决的主要难题．膜污染主要分为膜表面形成滤饼层引起的可逆膜污染和膜孔堵塞造成的不可逆膜污染．研究表明，间歇过滤、反冲洗、降低膜通量、良好的流体动力设计以防止滤饼层的积累、采用物理化学方法对膜进行清洗等方法[1]均可起到控制膜污染的作用．目前，许多课题针对改善混合液特性这一方向研究膜污染的机理与控制技术，研究人员根据废水水质的不同投加粉末活性炭(PAC)、沸石、絮凝剂等物质，取得了较好的效果．本研究采用平行试验的方法，着重分析投加PAC对水中溶解性有机物(DOM)分子量大小及构成的改变，并利用数学模型阐述投加PAC对膜阻力产生的影响．

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

PAC-MBR实验装置如图1所示，另设一组MBR实验装置(即去除图1中PAC投加系统)作平行对比试验．反应器有效容积为16 L，膜组件浸没其中，固定在两片挡板之间置于空气扩散装置上方．

膜组件用PVDF中空纤维膜，过滤表面积0.2 m2，平均孔径0.2 μm，试验时膜通量恒定为10 L/(m2·h)．实验所用PAC为Sigma-Adrich公司生产的木质PAC．

1.PAC储罐；2.PAC投加泵；3.中空纤维膜组件；4.挡板；5.压力表；6.抽吸泵；7.空压机；8.流量计；9.空气扩散装置；10.进料泵；11.磁力搅拌器；12.合成废水储罐图1 PAC-MBR系统示意图

1.2 实验方法

接种活性污泥取自新加坡当地MBR污水处理系统的好氧池，用实验原水培养35 d．实验控制HRT为8 h，SRT为16 d，环境温度为(28±2°C)，装置中pH为6.8～7.5，DO浓度约为5 mg/L；PAC逐天加入，投加剂量为100 mg/L，即每天投加量为4.8 g，膜的抽吸压力由压力表监测，MBR和PAC-MBR分别运行了79 d、127 d，抽吸压力超过26 kPa时实验终止，取出膜组件进行严格清洗．

1.3 实验原水水质

实验原水为人工合成废水，采用CH3COONa、(NH4)2SO4、KH2PO4调节合成废水COD∶N∶P配比为100∶10∶1左右，进水COD维持600±20 mg/L，适量补充Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Cu、Co、Mo等微量元素．

1.4 膜阻力计算模型

膜通量保持恒定时，跨膜压差(Trans-Membrane Pressure Drop, TMP)随运行时间的延长而增大．用达西公式(Darcy's law)表示膜通量与跨膜阻力的关系：

式中，J为膜通量[L/(m2·h) ]；ΔP为作用于膜两侧的压差(TMP)(Pa)；μ为透过液粘度(Pa·s);Rt为总膜阻力(m-1)．

建立串联阻力模型将Rt划分为3部分进行研究：

Rt=Rm+Rr+Ri

式中，Rm为膜的固有阻力(m-1)；Rr为由滤饼层吸附在膜表面引起的可逆膜阻力(m-1)；Ri为污染物吸附在膜孔中导致的不可逆膜阻力(m-1)．

Rm、Rr、Ri分别用下列公式进行计算：

式中，ΔP0为用新膜过滤纯水测定的膜阻力；ΔP′为实验终止后，所用膜经物理清洗后过滤纯水测定的膜阻力；ΔPf为实验终止时，系统压力表显示的膜阻力．

1.5 分析方法

COD、MLSS、MLVSS、比耗氧速率(specific oxygen uptake rate, SOUR)均采用标准方法[2]测定；DOC采用美国OI公司生产的1010型TOC分析仪测定；DOM中碳水化合物采用苯酚-硫酸法[3]测定；蛋白质含量采用改良性Lowry法[4]测定，以牛血清蛋白为标准参考物；ESP用规定标准[5]测定．

2 结果与讨论

2.1 PAC-MBR与MBR总体性能比较

对两反应器出水、上清液以及污泥的各项指标进行检测分析，结果见表1．

表1 检测项参数对比

可见二者COD去除率均保持95%以上，PAC-MBR的去除率略高于MBR．由两反应器上清液和出水DOC可知，膜可以截留30%以上的DOC，再者由PAC-MBR对比MBR，上清液和出水的DOC均减小，说明PAC可吸附一定量的DOC．PAC-MBR污泥MLVSS与MBR相差不大，说明两反应器污泥活性几乎相等，而值得关注的是前者污泥的MLSS却上升了，这是由于该反应器投加了PAC的缘故．此外，两反应器的SOUR接近，说明二者污泥代谢活性没有明显区别．对比两反应器混合液EPS含量，投加PAC，EPS含量明显降低了．

2.2 溶解性有机物(DOM)组分分析

提取两系统上清液进行分析，DOM表观分子量(apparent molecular weight distributions ，AMWD)分布如图2所示，有机物组成情况如图3所示．

图2 上清液DOM分子量分布图

图3 上清液DOM成分构成

如图2所示，AMWD小于10kDa的有机物占总体的54%～60%，AMWD介于10～30 kDa之间的有机物分布最少．可以看到PAC-MBR系统上清液小于10kDa的有机物减少，说明PAC对这部分有机物起到一定的吸附作用，避免了其对膜孔的堵塞从而减小了膜阻力．董秉直[6]等人分析了PAC对水中DOM的去除效果，得出PAC去除低分子量的DOM效果较好，与本实验结果一致．

图3所示为DOM的6种有机物成分分布情况，即疏水性酸(AHS)、疏水性碱(HoB)、疏水中性物(HoN)、亲水性酸(HiA)、亲水性碱(HiB)、亲水中性物(HiN)．总体而言，亲水性物质多过疏水性物质，亲水性物质主要包括多糖、蛋白质、氨基酸等，疏水性物质中AHS由腐殖酸和黄腐酸构成，许多研究表明腐殖酸能导致严重的膜污染．而投加PAC使得疏水性物质整体减少了，特别是AHS降低了近10%．

2.3 PAC对TMP的影响

设定TMP下限为2.6 kPa，上限为26 kPa，超过压力上限时实验终止．记录两系统在压力范围内的运行天数如图4所示．对于MBR系统，TMP突然升高发生在第57 d，而PAC-MBR系统则延长至第96 d；MBR系统在TMP数值范围内共运行了74 d，而PAC-MBR系统运行至127 d，为前者的1.71倍．显而易见，投加PAC后，膜阻力减小，运行周期延长．李绍峰[7]等人的研究推导出膜阻力与混合液EPS的关系式，二者成正相关．由2.1可知，PAC-MBR反应器混合液ESP明显低于MBR，故总膜阻力相应降低，本实验膜通量恒定，透过液粘度几乎不变，由达西公式可知TMP也是减小的．

图4 TMP随时间的变化

2.4 串联阻力模型对比分析

表2所列是实验终止后根据1.4所述串联阻力模型计算出的数据，可见膜的总阻力Rt和固有阻力Rm几乎相同，区别在于可逆阻力Rr和不可逆阻力Ri所占成分的差异，在PAC-MBR系统中Rr较MBR系统降低了，相反Ri升高了，说明PAC的投加对减少滤饼层阻力和改变粒径尺寸分布是有利的，也正因如此膜的使用周期延长了．

表2 MBR与PAC-MBR系统膜阻力对比

3 结 论

在MBR系统中投加PAC可提高原水的COD去除率，截留一部分DOC，在不改变污泥代谢活性的基础上降低EPS浓度．PAC可有效地吸附低分子量DOM，减轻了膜孔的堵塞；对DOM中疏水性有机物起到良好的去除效果，可以控制疏水性酸(AHS)中腐殖酸对膜的污染，降低膜阻力．在相同TMP范围内，MBR系统运行了74 d，PAC-MBR系统运行延长至127 d，投加PAC可明显延长膜的使用周期．

用串联阻力模型分析得出，两系统总阻力和固有阻力几乎相同，PAC-MBR的不可逆阻力高于MBR，可逆阻力低于MBR，说明PAC的投加对减少滤饼层阻力和改变粒径尺寸分布有利．

[1] Ng C A, Sun D, Bashir M J K, et al. Optimization of Membrane Bioreactors by the Addition of Powdered Activated Carbon[J]． Bioresoure Technology,2013,138(6)：38．

[2] Standard Methods for the Examination of Water and Wasterwater[M]． APHA,1976．

[3] Dubois M, Gilles K A, Hamilton J K, et al． Colorimetric Method for Determination of Sugars and Related Substances[J]． Anal.Chem., 1956，28：350-356．

[4] Lowry O H, Rosebrough N J, Farr A L, et al. Protein Measurement with the Folin Phenol Reagent[J]． The Journal of Biological Chemistry, 1951,193(1)： 265-275．

[5] Bo F, Palmgren R, Keiding K, et al. Extraction of Extracellular Polymers from Activated Sludge Using a Cation Ion Exchange Resin[J]． Water Research, 1996， 30(8)： 1749-1758．

[6] 董秉直,曹达文，范瑾初，等.混凝和粉末炭去除黄浦江水中DOM的效果[J]．中国给水排水,2000,16(3)：1-4．

[7] 李绍峰,王雪芹，王宏杰.PAC对MBR膜阻力影响研究[J]．水处理技术,2007,33(6)：14-17．

[责任编辑 王迎春]

Experimental Research on Influence of PAC on Membrane Resistance

Jiang Yifan Yu Jing Li Binbin

(School of Environmental Science & Engineering, Yangzhou Univ., Yangzhou 225127, China)

Experiments on the PAC-MBR and the MBR were conducted in parallel to analyze the effect of PAC on the MBR in membrane fouling. The trans-membrane pressure was kept between 2.6kPa and 26kPa throughout the experiments. The overall performance of the PAC-MBR is slightly better than the MBR in terms of chemical oxygen demand(COD) removal and effluent quality. The experimental results show that the addition of PAC into MBR would effectively decrease membrane fouling, which could be due to adsorption of low molecular weight dissolved organic matters and hydrophobic organic matters onto PAC. In addition, operation period of PAC-MBR was significantly extended in comparison with MBR. By model simulation using the Darcy's law, it is shown that the PAC plays an important role in reducing cake resistance and changing an overall particle size distribution, resulting in the longer operation time and weaker membrane fouling.

membrane bioreactor(MBR); PAC; membrane resistance; membrane fouling; dissolved organic matter

2016-09-01

江苏省2013年环保科研计划(2013030)

余 静(1973-)，男，讲师，博士，主要研究方向为水处理及污泥减量．E-mail： 2411544768@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.004

X703

A

1672-948X(2017)04-0019-03