无反冲DMBR处理生活污水

商 平，谢先思，杨 健，李 彦

（天津科技大学 海洋科学与工程学院，天津 300457）

0 前言

近年来，膜生物反应器（MBR）技术在污水处理中的应用越来越广泛．但是，其能耗高、组件寿命短、膜通量低和产水率低等问题仍是制约其被广泛应用的瓶颈，膜污染则是引起上述所有问题的主导因素[1-2]．动态膜生物反应器（DMBR）作为一种基于膜生物反应器基础之上的新型膜技术，在制备条件和运行条件控制方面已经取得良好成果，能够达到和膜生物反应器（MBR）同水平的处理效果[3]，其出水水质好、通量大，能耗低，投资少已逐渐被认可[4-6]．由于DMBR膜组件价格昂贵、强度较低、使用寿命短[7]，制约了其产业化进程，其主要原因是DMBR微网的载体基材和结构问题．目前大量研究主要集中在载体基材上，如：聚丙烯无纺布[6-9]、尼龙网[10]、工业滤布[11]、尼龙纺织布[12-13]等，应用这些载体基材制成DMBR装置，对各种污水进行处理实验，取得了实验室研究成果．不管是传统的膜生物反应器技术，还是现阶段还未走出实验室的动态膜生物反应器技术，反冲洗是解决膜污染问题的主要控制方法之一．

目前，动态膜的生物反应器的反冲洗方式主要为气反冲、机械或化学清洗等[14-15]．利用曝气反冲的方式能耗高，膜污染清洗效果差[16]；而机械或化学清洗的方式，虽然对动态膜清洗较彻底．但是，一般都需要离线清洗，导致恢复出水时间较长，使产水率降低，用化学方法来清洗容易带来二次污染问题[17]．

国内外大量研究表明，MBR工艺在实际工程中的推广应用受到了限制．为此研发出既保持MBR的优点，又能克服MBR致命缺点的膜组件和反应器十分必要．

本实验以涤纶为微网基材，针对膜通量降低时用气反冲洗、化学清洗能耗高，清洗后膜通量高浊度也升高问题，用涤纶网为载体基材制成的双膜构件和无反冲结构的转盘式动态膜微网组件[18]构成的DMBR处理生活污水，并对无反冲DMBR反应器在高通量、无反冲的情况下运行进行实验，还对DMBR反应器刷洗控制方法对缓解系统中膜污染的作用、载体表面动态膜形态的影响因素进行研究，为其工程化应用提供基础数据，具有实际应用意义．

1 实验

1.1 实验装置简介

本实验使用自行研制的无反冲DMBR反应器，实验装置如图1所示．无反冲DMBR装置主体长、宽、高分别为2.5 m、0.5 m、2.3 m，有效容积约2.8 m3．将其分为曝气区和反应区．曝气区底部设有侧位曝气装置，是向混合液供氧并推动混合液在装置内形成环流；反应区底部设有底位曝气装置,提供剪切动力，减薄动态膜层，距池体左端0.5m处设导流板．DMBR组件为双腔体圆平板型，直径150cm，组件外网为200目涤纶网，固定于圆形外框两侧形成外腔；内网为300目涤纶网，固定在扇形平板两侧，形成内腔，为了截留部分动态膜迁移到外腔内的细小颗粒物，从而提高出水的质量．外网背水面和内网迎水面均设条形毛刷，由机械装置带动组件内扇形平板实现反刷洗操作．组件中心处设有出水口，底部设排泥口．无反冲DMBR反应器靠池体标准液位与组件中心出水口之间的水位差（ h）自流出水．

无反冲DMBR装置连续进、出水的主要运行参数为：污泥浓度2 000～4 000 g/L，膜通量为45L/m3h，水力停留时间约8.5 h，溶解氧为2 mg/L，刷洗周期为30d．无反冲DMBR反应器进水与动态膜组件出水处均设有流量计和调节阀并保持进、出水量一致，池体设有溢流口以保持液位稳定，整个实验期间为恒流作业的过程，试验期间（90 d）未排泥．

1.2 进水水质

实验用污水取自某工业园区内化粪井污水，其水质见表1．

1.3 分析方法

本实验采用的分析指标有COD、TN、TP和浊度，其分析方法见表2．

图1 DMBR实验装置图Fig.1 Thedynamic membranebioreactor experimental device

表1 进水水质Tab.1 Influent quality

表2 分析指标及分析方法Tab.2 Analysis indexs and methods

2 结果与讨论

2.1 反刷洗前后出水浊度的变化

在无反冲DMBR实验本中，刷洗流程如下：关闭清水池调节阀和侧位曝气→开启底位曝气和反刷洗传动设备→打开排泥调节阀（流量与进水相同，为45L/m3h）→关闭排泥调节阀并开启干扰水调节阀（流量与进水相同，为45 L/m3h）→定时间检测出水浊度，当DMBR反应器<1.0NTU时开始正常出水．

实验中，无反冲DMBR刷洗操作间每隔5 min检测1次出水浊度，刷洗持续1 h，其浊度变化如图2所示．刷洗操作是在无反冲DMBR正常稳定运行30 d后，观察到膜通量有下降趋势时开始进行，发现外网上敷有约10mm的动态微生物膜层且外网与内网扇板表面贴紧；反刷洗的同时利用底位曝气以提高混合液在组件表面的错流速度，对外网迎水面的动态膜层进行减薄．由图2可以看出，操作期间，随着刷洗时间的延长，在排泥口检测到的出水浊度值呈递减趋势．操作前5 min内，可以观测到排泥口有大量碎泥，说明在反应器运行过程中，动态膜可以透过外网向网内迁移，并且这种迁移量是随着动态膜的不断更新而逐渐积累的，当过网的动态膜累积达到一定程度（即外网与内网扇板之间的空腔被动态膜过网累积产物逐渐填实），就可能引起动态膜组件出水通量下降．持续反刷洗1 h后，排泥口出水基本观察不到活性污泥，检测其浊度为5.59NTU，刷洗在一定程度上对迁移到组件外腔内动态膜的清洗效果较好，这时将排泥阀关闭，底位曝气切换成侧位曝气并打开调节阀出水，每隔5 h检测一次出水浊度，其浊度变化值如图3所示．

图2 连续刷洗前出水浊度变化Fig.2 Theturbidity of treated water beforetheoperation in DMBR

图3 停止刷洗后出水浊度变化Fig.3 Theturbidity of treated water after theoperation in DMBR

由图3可以看出，在停止刷洗操作约50 h后检测到出水浊度值为0.93 NTU．说明在恒定的进、出水流量下，载体表面已重新附着了较为理想的动态膜层．这也表明，通过刷洗操作可以解决动态膜组件膜通量下降的问题，从而实现反应器无反冲运行．

2.2 对COD的去除效果

本实验应用无反冲DMBR实验装置对COD的去除效果如图4所示．由图4可以看到，经过90 d的连续运行，在进水COD平均质量浓度值为293 mg/L时，出水COD平均值为36.3 mg/L，最低出水可达23.3 mg/L，其平均去除率为85.1%．试验期间，取B池混合液用滤纸进行死端过滤，测得 COD值与DMBR出水水质相近．结果表明，DM（动态膜）的截留对 COD的去除发挥了重要的作用，无反冲DMBR对COD的去除效果良好．

2.3 对浊度的去除效果

实验中，在育膜为完成阶段的出水浊度值均较高，且出水中伴随着少量的大颗粒物质．而在育膜完成后，为期90 d的实验运行中，其出水浊度值的变化如图4～图5所示．

图4 DMBR对COD的去除效果Fig.4 COD removal efficiency in DMBRin DMBR

由图5可以看出，无反冲DMBR在育膜完成后，出水浊度降至<1.0 NTU．DMBR对浊度的去除并不是尼龙网本身的截留作用，而是DM在微网表面发挥作用．在发生污泥膨胀阶段时，出水浊度迅速上生至>5.0 NTU时,出水较浑浊，其中含有不沉降的絮状物质；附着DM层变薄且松散，但生物膜仍比较完整．这可能是由于污泥膨胀而引起了DM层内部结构的改变，使贴近微网或网孔内的凝胶层性状发生了变化，从而导致出水质量下降．以当出水浊度可以维持在<1.0 NTU时，胶体物质能被DM层有效截留．

无反冲DMBR分别运行28 d、57 d、83 d左右时，发现膜过滤通量均有不同程度的下降，遂进行反刷洗操作．在外微网表面有近1.5 cm的DM存在．随着反应器的持续运行，DM层不断的增厚和密实会增大过膜阻力引起膜过滤通量的降低；在操作后的近1～3 d，出水浊度>1.0 NTU．实验中反刷洗操作后生成新的DM层需要1～2d，且随着膜组件的运行时间越长而递增．反刷洗操在一定程度上可以缓解膜堵塞．

2.4 对TN和TP的去除效果

无反冲DMBR运行过程中进出水TN和TP的浓度变化如图6和图7所示．

由图6可以看出，试验进水TN质量浓度在45～95 mg/L之间，平均质量浓度为70.9mg/L，出水TN平均质量浓度为34.8 mg/L，无反冲DMBR对TN去除的主要途径是反应器内微生物的硝化作用．

对 TP的去除效果如图7所示．从图中可以看出，进水TP平均质量浓度为10.2mg/L时，出水的平均质量浓度为5.1 mg/L，平均去除率为50%．

2.5 刷洗对微网网孔的清洗效果

图5 DMBR的出水浊度Fig.5 Theeffluent turbidity in DMBR

图6 DMBR对TN的去除效果Fig.6 TN removal efficiency in DMBR

图7 DMBR对TP的去除效果Fig.7 TPremoval efficiency in DMBR

图8 冲刷前的微生物在微网基材表面附着情况Fig.8 Thephoto about thesurfaceof net beforeoperation

图9 冲刷后微生物在微网基材表面附着情况Fig.9 Thephoto about thesurfaceof net after operation

本实验采集了无反冲DMBR外网刷洗前、后涤纶微网基材的照片，对比微网基材表面动态膜形态的变化,如图8、图9所示．由图8，图9可以看出，在刷洗前，微网基材表面附着着大量粘稠状的生物质层，厚度近10mm；而经过反刷洗后，生物质层已基本被去除，涤纶丝表面的附着物得到了一定的清洗，这对恢复组件膜通量有积极的影响．同时，还可以观察到基材表面只有少量的网孔被清洗干净，这可能与反刷洗操作的时间、曝气方式等因素有关．因为过于彻底的清洗后，可能会延长组件预膜时间，从而影响到反应器的出水水质．实验表明，利用底位曝气配合腔内反刷洗的可有效的减薄动态膜层和提高膜通量．

2.6 污泥活性对出水水质的影响

实验过程中，无反冲DMBR出现2次由于进水有机负荷过高而引起了池内混合液微生物污泥膨胀现象，污泥沉降性能差导，致出水各项指标下降，此时的无反冲DMBR组件通量明显下降．对于传统的膜生物反应器，由于其过滤机理为致密膜基材的死端过滤，活性污泥质量的好坏对其几乎没有影响．而DMBR对污废水的净化机理并非是单一的死端过滤，还包括载体表面动态膜的生物吸附和降解作用，在无反冲DMBR反应器实际运行过程中保持良好的污泥活性，也是维持无反冲DMBR正常稳定持续运行的关键因素之一．

3 结论

1）保持膜通量为45L/(m2h)，无反冲DMBR系统稳定运行了90d，产水率>95%，出水浊度<1.0NTU．

2）无反冲DMBR通量下降后，经过1 h的刷洗恢复组件通量．停止刷洗50 h后，系统出水浊度仍然在<1 NTU，刷洗后可以缓解膜污染，无反冲DMBR实现无反冲运行．

3）无反冲DMBR经过刷洗可以有效清除附着在基材表面的老化的生物膜层，可以在控制时间内恢复无反冲DMBR膜通量．

4）保持良好的污泥活性，是维持无反冲DMBR稳定持续运行的关键因素．

5）无反冲DMBR组件出水浊度在<0.5 NTU时的膜通量有下降，可以把水浊度<0.5 NTU作为无反冲DMBR反应器刷洗周期的技术指标之一．

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