软硬性填料对MBR处理效率和膜污染的影响

梁乾伟，李永峰，程国玲（东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

研究开发

软硬性填料对MBR处理效率和膜污染的影响

梁乾伟，李永峰，程国玲
（东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

膜生物反应器（MBR）在污水处理领域的应用日益广泛，填料的投加对MBR污水处理效率和膜污染进程有一定的影响。本文分别向MBR中投加不同量的软性和硬性悬浮填料，研究了悬浮填料对MBR运行效率及膜污染的影响。结果表明，投加填料后MBR对COD、氨氮和总磷等污染物的处理效率有所提高，明显减缓了膜污染的进程。软性填料对MBR的改善效果优于硬性填料，投加20%的软性填料时，系统对COD、氨氮和总磷的去除率分别可达96.53%、98.21%和52.75%，系统运行30天时的膜污染情况比未投加填料的系统减缓了41.43%。通过对比发现软性填料能够为微生物提供更大的生存空间，提高反应器内的微生物量，从而提高MBR对污水的处理效率同时改善膜污染，是一种加强MBR系统的适宜填料，最佳投加量为反应器有效体积的20%。

膜生物反应器；悬浮填料；膜污染；最佳投加量

膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）是近些年来兴起的一种新型水处理工艺，该工艺将活性污泥法和膜分离技术有机结合起来，兼具两者的优势［1］。水资源短缺和水污染现象严重是我国亟待解决的矛盾之一，近年来国家对污水处理的要求逐渐提高，MBR工艺由于具有出水水质稳定、污泥产率低、污染物去除率高以及可进行中水回用等优点而受到广泛关注［2-4］。

膜污染是一直以来制约MBR工艺进一步推广应用的瓶颈［5］，在以往的研究中对膜污染机理和现象有多种论述［6-7］，但目前对于膜污染的控制方法主要集中在新型膜材料的开发、改善混合液特性和优化操作条件 3个方面［8-10］。现有的研究表明，向一体式MBR投加适当的填料可有效减缓膜污染，同时还能提高系统的处理效率［11-12］。常用的填料有颗粒活性炭（GAC）［13-14］、粉末活性炭（PAC）［15-16］、悬浮填料［17-19］、絮凝剂［20］等，不同类型的填料改善MBR运行效能的原理各异。

本试验向MBR中分别投加了硬性和软性悬浮填料，对比分析了不同类型悬浮填料对MBR处理效率和膜污染进程的影响，为选择适宜的填料提供参考依据。

1　材料与方法

1.1实验装置

实验装置如图1所示，主要由进水箱、膜生物反应器、曝气装置、出水箱等部分组成。膜生物反应器有效容积为125L。实验采用的膜组件为聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜，孔径为0.2μm，纤维内外径比为0.6mm∶1.1mm，膜面积为1m2，膜通量为10L/（m2·h），反应器中共有3件膜组件。

图1　实验装置示意图

硬性填料为柱状聚丙烯填料，直径和长度均为1cm；软性填料为聚氨酯填料，聚氨酯被裁剪成1cm×1cm×1cm的立方体。填料在加入活性污泥前加入反应器，在MBR底部曝气装置的作用下呈均匀流化状态分布，填料投加量按照填料体积占反应器有效体积的比例进行计算。

1.2接种污泥和试验用水

接种污泥取自哈尔滨市文昌污水处理厂，接种污泥浓度为10g/L，接种量为50L。试验用水采用人工配水模拟生活污水，主要添加红糖、NH4Cl和KH2PO4来作为碳源、氮源和磷源，利用 NaHCO3来调节pH，添加少量营养液补充微量元素，水质参数COD为350～400mg/L，NH4+-N为35～40mg/L，pH为6.5～8.0。

13试验方法

在水力停留时间（HRT）为 10h、曝气强度为0.6m3/h、抽吸 9min停抽 3min的条件下运行一套MBR装置，在不投加填料的情况下进行预实验，同时运行两套MBR装置，分别向两套装置中投加软性填料（MBR-A）和硬性填料（MBR-B），填料按反应器有效容积的10%、20%和30%进行投加，在3种投加量下各运行一个月，考察两种悬浮填料对MBR处理效率及膜污染进程的影响情况。

1.4主要分析项目及方法

COD的测定采用雷磁COD-571型COD测定仪；氨氮采用纳氏试剂分光光度法进行测定；总氮（TN）测定利用碱性过硫酸钾消解氧化法；总磷（TP）测定采用过硫酸钾消解氯化亚锡还原光度法；跨膜压差（TMP）利用电子真空表测定；其余指标均采用国标方法。

2　结果与讨论

2.1不投加填料情况下水质变化

为了对比分析投加填料后MBR对污水处理效果和膜污染的改善情况，并列运行一套不投加填料的装置一个月，进水中污染物浓度和运行稳定后出水结果如表1所列。

表1　不投加填料情况下水质变化

从表1中可以，看出运行一个月之后出水水质比较稳定，COD和氨氮的去除率分别达到93.43% 和 96.21%以上，但是总磷的去除效果较差，说明MBR工艺的除磷效率与传统工艺相比没有明显提高。跨膜压差（TMP）主要体现了膜污染的情况，测得运行开始时的TMP为9.2kPa，运行一个月之后达到45.5kPa左右，已接近于膜组件要求的TMP范围（5～50kPa）上限，长期在这种条件下运行不仅出水水质稳定性不能得到很好的保障，而且会严重缩短膜组件的使用寿命。

2.2填料对COD去除的影响

COD是衡量水质标准的一个重要指标，向MBR中投加不同量软性和硬性填料运行后COD的变化情况如图2所示。其中MBR-A和MBR-B分别为投加软性填料和硬性填料的装置。

图2　不同投加量软硬填料对COD去除效果的影响

软性填料投加量为10%、20%和30%时的COD最高去除率分别为95.54%、96.53%和97.25%，投加相应量硬性填料后 COD最高去除率分别为94.96%、95.67%和96.61%。可以看出，两种悬浮填料的投加对 COD的去除率都有所提高，总体上相同投加量下软性填料比硬性填料的去除效率高0.69%左右。由于MBR本身对COD的去除效率较高，所以投加填料后的提高并不明显，但对提高出水水质仍有一定作用。

2.3填料对氨氮去除的影响

图3是两种悬浮对氨氮去除效果的影响情况。运行一个月后每种工况下氨氮去除效果都能达到稳定，当填料量为10%时，投加软性填料的系统对氨氮的去除基本呈现稳定上升的趋势最大去除率达到97.74%，比未投加填料的系统略有提高，投加硬性填料的系统则波动较大，最大去除率为97.06%，基本与未投加填料的系统持平。当填料投加量为20%时，MBR-A和MBR-B对氨氮后10天的去除都趋于稳定，平均去除率分别为98.21%和97.68%，相对于未投加填料系统都有所提高。填料投加量为30%时，仍然是软性悬浮填料的去除效果优于硬性悬浮填料，MBR-A和MBR-B对氨氮的去除率最高分别达到99.25%和98.36%，MBR-A几乎能够去除全部的氨氮。

图3　不同投加量软硬填料对氨氮去除效果的影响

2.4填料对总磷去除的影响

投加填料后 MBR对总磷的去除效果如图 4所示。

从图4中可以看出，整体上两种填料对总磷去除率的影响相差不大。填料投加量为 10%时，MBR-A和 MBR-B对 TP的平均去除率分别为43.93%和43.45%，与未投加填料系统的最高去除率42.78%相差不大，所以当填料投加量较少时附着生长的细菌中除磷微生物含量仍然较少，不能使除磷效率有所突破。当投加填料量为 20%时，MBR-A 和MBR-B对TP的最高去除率为52.75%和53.10%，两者相差很小，相对于未投加填料时提高了约10%，当填料投加量为30%时，两套系统的TP去除率均没有很大提高，基本和20%填料时的水平相当。所以投加填料后增加了系统中除磷细菌的量，当填料投加量适宜时可提高系统的除磷效率，但整体的除磷效果相对于传统工艺依然没有很大的提高，这也将是该工艺在今后需要深入研究的课题之一。

图4　不同投加量软硬填料对TP去除效果的影响

2.5膜污染

膜污染程度的衡量有很多指标，如膜通量、跨膜压差（TMP）、胞外聚合物（EPS）浓度、膜阻力等。本试验中采用 TMP来表征膜污染的进程，图5（a）、（b）分别是MBR投加软性填料和硬性填料运行后TMP的变化情况。

从图5（a）可以看出，填料投加量为10%和20%时，从第10天开始，TMP的递增速度开始变缓，说明大幅度的膜污染主要发在反应器启动的前期，之后随着微生物稳定生长，膜污染进程逐渐减缓。而当填料量增加到30%时，膜污染趋势则不同于前两种情况，前22天TMP低于填料20%时的TMP，第23天超过填料20%的TMP，之后的TMP递增速率并未降低，此时在膜丝表面可以明显观察到附着生长了很多丝状菌，主要是由于填料过多影响了生物反应池中氧的传质效率，而且填料的流化状态也不如20%填料时好，导致了膜污染进程的加快。所以对于软性悬浮填料，20%是较为理想的投加量。从图5（b）可知，硬性填料在3种填料投加量下膜污染的变化趋势基本一致。填料量为10%和20%时后5天的平均TMP分别为37.88kPa和32.24kPa，相对于MBR-A分别高4.60kPa和3.74kPa，在相同投效果，主要是由于硬性填料不同于软性填料在该投加量下容易积聚在一起，这种填料在投加量为30%时，仍然保持良好的流化状态，氧的传质效率较好，微生物的生长状态基本不受影响，而且填料本身的流化运动可以冲刷掉膜组件表面沉积的部分颗粒污染物。后5天的平均TMP为26.50kPa，相对于未投加填料的体系极大地减缓了膜污染的进程。

图5　投加不同量填料TMP的变化

总体上比较两种填料来说，每种填料的最佳投加比例不同，软性填料投加20%时的效果较好，硬性填料投加30%时表现出良好的效果，而两种填料分别在相应投加比例下的最终效果相近。软性填料具有更大的比表面积，能够为微生物的生长增殖提供更大的空间，相对于硬性填料来说，软性填料的投加能够更有效地增加反应器中的微生物量，从而进一步提高MBR对水中污染物的处理效率，反应器运行过程中可以观察到投加软性填料的MBR中悬浮污泥极少，大大减轻了其对膜组件的黏附和堵塞；另一方面，选取的聚氨酯软性填料环保无污染，经济可行，软性填料相对于硬性填料具有更好的运用前景。

3　结　论

（1）投加悬浮填料可有效改善MBR对COD、氨氮和总磷等污染物质的去除效率。其中软性填料的投加相对于硬性填料对MBR去除污染物效率的提高更优，当投加量为30%时，投加软性填料的系统对COD、氨氮和总磷的去除率比未加填料的系统分别提高了1.74%、1.90%和10.32%，其中COD和氨氮几乎可全部去除。

（2）悬浮填料的投加可以明显减缓MBR膜污染的进程。当投加20%的软性填料运行30天时，膜污染的程度为未投加填料系统的58.57%，投加量为30%时效果变差；投加20%和30%的硬性填料运行30天时，膜污染程度为未投加填料系统的66.32% 和54.69%。

（3）通过比较两种悬浮填料对MBR污染物去除效率的改善和对膜污染的减缓作用，发现软性填料对MBR的改善作用更为明显，最适宜的投加量为反应器体积的20%。

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Effect of soft and hard carriers on the treatment efficiency and membrane fouling in membrane bioreactor （MBR）

LIANG Qianwei，LI Yongfeng，CHENG Guoling
（School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China ）

Membrane bioreactor（MBR） has been widely used in the field of wastewater treatment. The addition of carriers has partly effect on the wastewater treatment efficiency and membrane fouling of MBR. In this work，different dosages of soft and hard carriers were added into MBR. Impact of suspended carriers on the treatment efficiency and membrane fouling of the MBR was studied. Results showed that the treatment efficiency of MBR for COD，ammonia nitrogen and total phosphorus was improved. The process of membrane fouling was obviously slowed down after adding carriers. The improvement effect of soft carrier on MBR was better than that of hard carrier. The removal rates of COD，ammonia nitrogen and total phosphorus were 96.53%，52.75% and 98.21%，respectively. Membrane fouling was mitigated by 41.43% of the original system after 30 days operation. According to the comparison，soft carrier supplied more living room for microorganism and the microbial biomass of reactor could be improved，so that the wastewater treatment efficiency of MBR was improved and membrane fouling was mitigated. The soft carrier was a kind of suitable carrier to enhance the MBR system，and the optimum dosage was 20% of effective volume of reactor.

membrane bioreactor（MBR）；suspended carrier；membrane fouling；optimum dosage

X 703

A

1000-6613（2016）08-2575-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.43

2016-01-07；修改稿日期：2016-01-24。

黑龙江省自然科学基金项目（E201354）。

梁乾伟（1991—），男，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制。E-mail liangqianwei123@163.com。联系人：李永峰，教授，主要研究方向为污水处理和环境微生物。E-mail dr_lyf@163.com。