污泥基吸附剂耦合MBR工艺处理生活污水

潘志辉，黄 彬，胡晓东

（广州大学珠江三角洲水质安全与保护省部共建教育部重点实验室，广东 广州 510006）

污泥基吸附剂耦合MBR工艺处理生活污水

潘志辉，黄 彬，胡晓东

（广州大学珠江三角洲水质安全与保护省部共建教育部重点实验室，广东 广州 510006）

本研究利用污水处理厂产生的化学污泥制备成多孔、高效吸附剂材料，并且耦合膜生物反应器（MBR）工艺对生活污水进行处理.与普通MBR工艺比较可知，污泥基吸附剂耦合MBR工艺能强化污水处理效能，对浊度、NH3-N、总磷与DOC的去除率分别为99.5%、94.6%、37.9%与88.8%.跨膜压差（TMP）的实验表明，污泥基吸附剂耦合MBR工艺能维持较长的TMP，说明污泥基吸附剂能减缓MBR工艺的膜污染程度，延长膜清洗周期，降低污水厂的运行成本.

污泥基吸附剂；膜生物反应器；生活污水；跨膜压力差

近年来，由于城市的不断发展，污水处理任务逐渐加剧，大量的污泥随之产生［1］.若不妥善处理，它将对环境构成日益严重的问题.污泥是一种富含有机物的碳质材料，利用化学活化方法可以将其改性制备成类似粉末活性炭（PAC）性质的吸附剂材料.因此，不仅能以对生态环境友好的方式解决由污泥引起的二次污染问题，而且还可以将污泥基吸附剂应用于废气处理及污、废水处理［2-3］中，达到以废治废的目的.

MBR工艺是一种集膜过滤和生物处理于一体的新型高效生物处理装置，不仅具有工艺流程简单、占地面积小、基建投资少、运行费用较低、操作管理方便等优点，而且还具有出水水质优良，污泥停留时间和水力停留时间分离迅速，和便于自动化控制等优点［4］.但是MBR也存在着一些不足，主要是反应器内较容易产生膜污染，导致系统处理污水能力下降，进而导致膜清洗周期频繁，使投资与运行管理成本增高［5］.另外，由于受微生物的处理能力与膜孔孔径大小的限制，MBR工艺对污水中各种有机污染物的去除有限，达到一定的程度后很难有进一步提高.研究表明，投加PAC于MBR后，PAC可以通过吸附作用去除污水中小分子污染物；而且，由于PAC可以降低污泥絮体的可压缩性与增加滤饼层的孔隙度，膜通量也会因此而升高［6］.投加PAC后的结果看起来是很有前景的，但是，PAC的投加量较大且费用较高，这对于城市污水厂中的应用是极不经济的［7］.

因此，文章研究制备低廉的污泥基吸附剂材料并且应用于MBR工艺，并进一步探究污泥基吸附剂耦合MBR工艺对生活污水的处理效能与膜污染情况.

1 材料与方法

1.1 污泥基吸附剂的制备与表征

污水处理厂产生的化学污泥（化学强化一级污水处理产生的污泥）经103℃烘24 h后研磨成粉末状并过筛（180目，0.083 mm）.粉末污泥与3 M的ZnCl2溶液以质量比1∶1在常温下搅拌混合24 h后，再在103℃下烘24 h.混合物在马弗炉中以700℃的高温在无氧条件下活化1 h，其中加热升温速率为18℃·min-1.热解产物经研磨与过筛（180目，0.083 mm）后在3 M的HCl清洗20 min后再利用去离子水漂洗至pH为中性，最后在103℃下烘24 h.

污泥吸附剂的比表面积、孔容采用比表面积分析仪（ASAP 2020M）测定；样品的C与H含量采用元素分析仪测定；样品经消解后采用ICP-AES（Optima 5300DU）测定其重金属含量；样品的晶体结构由粉末X-光线散射仪（Rigaku D/max-2000）测定.

1.2 实验装置与分析方法

试验装置如图1所示.设计2套平行小试规模的MBR装置：其中1套是污泥基吸附剂耦合MBR工艺（sludge-based adsorbent MRB，SAMBR），第2套单独MBR工艺（MBR）作为对比.膜组件直接浸入反应器中，反应器有效容积为3 L.原水经进水泵打入高位水箱再通过恒位水箱进入到各个反应器中，出水通过抽吸泵（蠕动泵）直接从膜组件抽出进入出水箱.系统定时从出水箱中抽吸水对膜组件进行反冲洗.在膜组件和抽吸泵之间设置压力传感器，监测跨膜压力差（Trans-membrane pressure，TMP）.空气泵连续向反应器内曝气以提供溶解氧、进行搅拌混合并清洗膜丝表面.整个系统由自动控件系统（Programmable Logic Controller，PLC）控制.

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

膜材料为束状中空纤维超滤膜，聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）材质，膜孔径为0.01 μm，膜面积为0.05 m2.滤液通过蠕动泵从膜组件中抽吸，控制膜通量恒定为10 L·（m-2·h-1），相应的水力停留时间（Hydraulic retention time，HRT）为6 h.实验中污泥龄（Sludge retention time，SRT）控制在30 d.污泥基吸附剂初始投加量为2 g ·L-1，每天补充相应于排除剩余污泥的损失量.生活污水取自校园生活区；接种污泥取自污水处理厂二级生物处理池.出水重金属含量采用ICPAES（Optima 5300DU）测定.

2 结果与讨论

2.1 污泥基吸附剂性质

由表1可知，由于ZnCl2的刻蚀造孔作用，污泥经活化后的产物具有较高的比表面积（363.2 m2·g-1）以及形成一定量的微孔（0.122 m3· g-1）与中、大孔容积（0.269 m3·g-1），使污泥基吸附剂具有高效吸附水中污染物的能力.

表1 污泥基吸附剂比表面积及孔结构参数Table 1 Surface area and porosity of sludge-based adsorbent

污泥基吸附剂元素分析与金属含量见表2.由于原材料为化学污泥，因此吸附剂中含有较多的Fe与Al.另外，由于活化剂是ZnCl2，活化后的产物也具有较高的Zn含量.而元素分析表明，活化后的吸附剂具有较高的C含量（39.8%）.

表2 污泥基吸附剂金属含量与元素分析Table 2 Contents of metals and ultimate analysis of sludgebased adsorbent

由污泥基吸附剂的XRD图谱（图2）可以得出，它的晶体结构主要是无机物石英晶体（JCPDS 47-1144）.另外的衍射峰群包括FeC（JCPDS 03-0411）、Al2O3（JCPDS 47-1771）和ZnCl2（JCPDS 39-0887）.XRD分析证明了这些吸附剂表面存在金属化合物，也存留有ZnCl2晶体于吸附剂表面，这与表2检测结果一致.

图2 污泥基吸附剂XRD分析Fig.2 XRD patterns of sludge-based adsorbent

2.2 污泥基吸附剂耦合MBR对生活污水的处理效果

2.2.1 浊度

2套MBRs系统对生活污水浊度的去除效果见表3.2套MBRs系统对生活污水的浊度的去除率都很高，去除率都几乎达到100%，出水浊度基本在0.3 NTU以下，这应归因于膜的强大的截留作用.由于膜孔孔径较小，而大部分引起浊度的悬浮或胶体状物体粒径都大于膜孔孔径，因此在过滤过程中，这些大粒径的物质都被膜截留下来，从而体现了反应系统的高浊度去除效果.

表3 2套MBRs系统对浊度的去除效果Table 3 Removal of turbidity by two MBRs

2.2.2 NH3-N

2套MBRs系统对污水NH3-N的去除效果见表4.由于膜的强大截留作用，大量的硝化细菌与亚硝化细菌滞留在反应器内，使污泥龄远大于这些细菌的世代生长时间，因此应保证其生存条件，使2套MBRs系统表现出良好的氨氮去除效果.MBR出水的NH3-N值为3.19 mg·L-1，去除率达93.8%；而SAMBR对NH3-N有更高的处理效果，出水平均NH3-N值为2.83 mg·L-1，去除率达到94.6%.这可能是由于在投加了污泥基吸附剂的MBR反应器内，硝化细菌可以以污泥吸附剂或者活性炭为载体，在其上进行生长［8］.因此，硝化细菌得到很好的繁殖，从而致使生活污水中NH3-N的去除率提高.

表4 2套MBRs系统对NH3-N的去除效果Table 4 Removal of NH3-N by two MBRs

2.2.3 总磷

2套MBRs系统对生活污水中总磷的去除效果见表5.从表5可以得知，投加了污泥基吸附剂的SAMBR除磷效果较好，其对总磷的平均去除率为37.9%，而MBR对总磷的去除率只有21.3%.

表5 2套MBRs系统对总磷的去除效果Table 5 Removal of TP by two MBRs

SAMBR的除磷效果较MBR好，这可能是因为投加了污泥基吸附剂后，由于无机物的积累和微生物的增殖使得污泥基吸附剂形成的较大菌胶团较为密集，氧在菌胶团内部分布不均，表面为好氧状态，而在混合液污泥内局部产生厌氧微环境［9］，从而使部分聚磷菌释放出磷，其吸磷能力得以恢复.另一方面，因为投加的污泥基吸附剂含铁、铝金属氧化物较多（见表2）；当金属氧化物水解时生成金属氢氧化物与水中的磷酸盐生成金属络合物而吸附于污泥基吸附剂表面上，因此SAMBR的污泥吸附了更多的磷元素.通过定期排泥的方式，系统中更多的磷元素被排出系统，从而使该系统的除磷效果优于单独MBR工艺.

2.2.4 有机物

2套MBRs系统内污泥（混合液）、膜与整个反应器对DOC的去除效果见表6与图3.由表6可知，SAMBR与MBR对DOC的去除率分别为88.8%与85.9%，2个系统之间相差3%；而在膜的截留作用方面，2套MBRs系统对DOC的去除率分别为45.3%与44.6%，仅相差1%左右.这说明膜对有机物的截留作用相差不多，主要的差异是由混合液的组成所造成的（去除率分别为79.1%与74.6%，相差5%左右），即SAMBR中形成了生物污泥基吸附剂，从而使DOC具有较高的去除率.

表6 2套MBRs系统对DOC的去除效果Table 6 Removal of DOC by two MBRs

图3 2套MBRs系统对DOC的处理效果Fig.3 Effect of DOC removal by two MBRs

图3结果表明，MBR运行初期出水有较高的DOC值，而随后出水水质DOC值慢慢降低，这可能是因为MBR系统中微生物量通过繁殖增多，从而致使DOC去除率逐渐升高，并且附着于膜表面的污泥层也对DOC有很好的降解作用.在第25 d后，MBR的出水DOC值逐渐稳定，在10 mg·L-1左右.而SAMBR运行的前10 d内混合液或出水DOC值却都较低，出水DOC值维持在5 mg·L-1左右，这可能是由于在运行前期投加高投量（2 g ·L-1）的污泥基吸附剂所致.但随着运行天数的推移，DOC值逐渐升高，这应该是由于污泥基吸附剂的吸附能力已经趋于饱和状态所造成的.第10 d后，无论进水水质波动还是混合液的去除效果变化，出水水质DOC值都处于一个稳定状态，在6～8 mg·L-1，不受波动的干扰.

2.2.5 重金属

SAMBR系统出水重金属含量见表7.由于污泥基吸附剂由ZnCl2活化所得，因此，活化后的污泥基吸附剂含有较高的Zn含量（12.9 mg·g-1，见表2）.但SAMBR出水的Zn含量却很少，只有0.31 mg·L-1，这可能是由于反应器内活性污泥对污泥基吸附剂浸出的重金属的吸附作用所造成的［10］.其他重金属检测结果都显示出较低的含量（见表7），因此该工艺能满足大部分工业废水处理的安全标准.

表7 SAMBR出水重金属含量Table 7 Content of heavy metals in treated sewage of SAMBR（mg·L-1）

2.2.6 跨膜压力差的变化

反应器内的膜污染情况可以通过TMP的变化情况反映出来：在相同的膜通量的条件下，TMP变得越大，说明膜污染越大.

图4显示了2套MBRs系统在正常运行条件下，TMP随运行时间的变化情况.从图4可知，对于MBR，其TMP在前8 d期间上升缓慢.而第8 d后，它的TMP上升速度变得很快，在后续的4 d时间内，TMP值从15 kPa上升到35 kPa，上升速度远远大于前8 d的速度.这可能是由于在运行的前8 d内，反应器内在临界通量下运行，所以膜污染缓慢，TMP上升的速度较低；而随反应器长期的运行，膜截留的污染物沉淀在膜的表面，有些污染物甚至堵塞在膜孔中，造成膜孔阻力，使得实际过滤的膜面积下降.最后局部的膜通量升高，甚至超过临界通量.这样加剧了膜污染，导致膜表面形成滤饼层，反应器内TMP迅速升高.SAMBR的TMP在前16 d都一直以较低的上升速度增加，16 d后才以较高的上升速度攀升，相比MBR有一个明显的滞后的阶段.这说明投加了污泥基吸附剂后，吸附作用和附着絮凝的作用明显地降低了对膜的直接污染程度，减缓了膜污染的发展速度，延长膜的清洗周期.

图4 2套MBRs系统的膜压差变化情况Fig.4 Variation of TMP in two MBRs

3 结 论

（1）在相同的条件下（如原水水质和HRT，SRT等），运行污泥基吸附剂耦合MBR工艺（SAMBR）与单独MBR工艺表明，由于污泥基吸附剂吸附与生物降解的综合作用，SAMBR对生活污水的处理效能（浊度：99.5%；NH3-N：94.6%；总磷：37.9%；DOC：88.8%）优于单独MBR（浊度：99.4%；NH3-N：93.8%；总磷：21.3%；DOC：85.9%）.

（2）SAMBR能有效延缓膜污染，使其在运行的过程中相对单独MBR的跨膜压差增长速度更慢.因此SMABR能延长膜清洗周期，降低污水处理厂运行成本，这既达到了废弃物的资源化利用，又实现了以废治废的目的，对污水处理与污泥处置技术具有深远的影响与非常高的利用价值.

（3）出水重金属含量测试表明，SAMBR出水符合大部分工业废水处理的安全标准.

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Sludge-based adsorbent coupled MBR treating wastewater

PAN Zhi-hui，HUANG Bin，HU Xiao-dong
（Key Laboratory for Water Quality Security and Protection in Pearl River Delta/Ministry of Education and Guangdong Province，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

In this study，the porous and high efficient adsorbent，prepared from chemical sludge generated in wastewater treatment plants，was coupled with membrane bioreactor（MBR）for wastewater treatment processing.Compared with common MBR，sludge-based adsorbent coupled MBR technology enhanced the efficiencies of wastewater treatment and the turbidity，NH3-N，TP and DOC removal were 99.5%，94.6%，37.9%and 88.8%，respectively.Trans-membrane pressure（TMP）of the experiments showed that the sludge-based adsorbent coupled MBR process can be maintained longer TMP.It can be concluded that the sludge-based adsorbent can slow down membrane fouling，extend membrane cleaning cycle，and reduce operating costs of the wastewater treatment plants.

sludge-based adsorbent；membrane bioreactor；wastewater；trans-membrane pressure

X 703.1

A

1671-4229（2016）01-0069-06

【责任编辑：孙向荣】

2015-11-24；

2015-12-16

国家自然科学基金资助项目（51308136）；广东省自然科学基金资助项目（S2013040015984）；广东省教育厅资助项目（2013LYM_0066）；广州市属高校科研资助项目（1201430824）

潘志辉（1983-），男，讲师，博士.E-mail：ri13＠163.com