PAC影响MBR污泥混合液特性及膜污染研究

第*’卷第’期’(""年’月环!!境!!科!!学+,-./0,1+,23456.+,6+-7;B *’$,7B ’=@CB$’(""2<-影响OX \污泥混合液特性及膜污染研究李绍峰"$高元’""‘深圳职业技术学院建筑与环境工程系$深圳!)"&())’’‘东北农业大学资源与环境学院$哈尔滨!")((*(#摘要!通过对比试验考察了投加V 36对1T /污泥混合液特性的影响$拟合+V 5与泥饼层阻力2M 和51V 与膜孔堵塞阻力2O 的关系$并在此基础上进一步探讨了V 36减缓膜污染的原因B 结果表明$投加V 36可以降低混合液黏度$增大污泥粒径$减缓过膜压力的增加’混合液+V 5含量(污泥比阻与2M 具有很好的相关性$V 36的投加降低了+V 5含量$减小污泥比阻$减缓2M 增加速度$减轻膜污染’2O 随上清液中51V 浓度增大呈指数增加$V 36的投加降低了51V 浓度$从而减缓了2O 的增长速度’两反应器运行过程中$2M 和2O 逐渐增大$但2M P 2R "’%‘*’h j %*‘"%h #始终大于2O P 2R "$‘&#h j *)‘*’h #$说明2M 是膜污染的主要因素$投加V 36对控制2M 的作用大于对2O 的减缓作用B关键词!膜生物反应器’粉末活性炭’相对分子质量分布’污泥比阻’膜污染中图分类号!_$()!文献标识码!3!文章编号!(’)(D **(""’(""#(’D ()(&D ($收稿日期#’("(D ("D ’%’修订日期#’("(D (*D ’%基金项目#广东省自然科学基金项目"($((#(*"#作者简介#李绍峰""#$’j #$男$博士$教授$主要研究方向为水污染控制及污水资源化技术$+D F G A ;!N 7;S @’&K"%*‘M 7F/11%7)+12+I *%&%*<7)’HF)%*-F&3+(+()0%"4#*9%O’^%*Z ’_#+&-0F&F7)%&’,)’7,F(*O%63&F(%8+#4’(9+1OX \4.5:G 7D R @8U "$Z 30Y >G 8’""‘W @OG L 9F @897R T >A ;?A 8Uv +8S A L 78F @89G ;+8U A 8@@L A 8U $5:@8c :@8V 7;<9@M :8A M.8N 9A 9>9@$5:@8c :@8)"&())$6:A 8G ’’‘5M :77;7R /@N 7>L M @v +8S A L 78F @89$,7L 9:@G N 93U L A M >;9>L G ;X 8A S @L N A 9<$\G L CA 8")((*($6:A 8G #<3,)&F7)!+R R @M 97R ?7N A 8U O7Q ?@L G M 9A S G 9@?M G L C78"V 36#789:@M :G L G M 9@L A N 9A M N 7R 9:@N ;>?U @F A J @?;A d>7L A 8F @F CL G 8@CA 7L @G M 97L "1T /#Q G N A 8S @N 9A U G 9@?C<OG L G ;;@;9@N 9N B 38?9:@L @G N 789:G 9V 36F A 9A U G 9@?F @F CL G 8@R 7>;A 8U Q G N G ;N 7@J O;7L @?B 2:@L @N >;9N N :7Q @?9:G 9V 36M 7>;??@M L @G N @F A J 9>L @S A N M 7N A 9<G 8?A 8M L @G N @N ;>?U @OG L 9A M ;@N A c @$Q :A M :;@?97;@N N9L G 8N D F @F CL G 8@OL @N N >L @?@S @;7OA 8U B +J 9L G M @;;>;G L O7;<F @L N >CN 9G 8M @N "+V 5#M 789@89$N ;>?U @N O@M A R A ML @N A N 9G 8M @G 8?M G I@;G <@L L @N A N 9G 8M @"2M #:G ?GU 77?M 7L L @;G 9A 78B 3??A 8U V 36M 7>;??@M L @G N @+V 5M 78M @89L G 9A 78$N ;>?U @N O@M A R A ML @N A N 9G 8M @G 8?9:@8N ;7Q ?7Q 89:@A 8M L @G N @7R 2M $Q :A M :F A 9A U G 9@?F @F CL G 8@R 7>;A 8U B1@F CL G 8@O7L @C;7M IA 8U L @N A N 9G 8M @"2O #A 8M L @G N @?@J O78@89A G ;;<Q A 9:A 8M L @G N A 8U7R 9:@N 7;>C;@F A M L 7CA G ;OL 7?>M 9N "51V #M 78M @89L G 9A 78A 89:@N >O@L 8G 9G 89BW 7N A 8UV 36L @?>M @?9:@51VM 78M @89L G 9A 78G 8?N ;7Q @??7Q 89:@U L 7Q 9:L G 9@7R 2O $Q :A M :Q G N :@;OR >;97F A 9A U G 9A 8U F @F CL G 8@R 7>;A 8U B 2M G 8?2O A 8M L @G N @?G ;78U Q A 9:9:@7O@L G 9A 787R 1T /N G 8?2M P 2R "’%‘*’hD %*‘"%h #Q G N G ;Q G <N U L @G 9@L 9:G 82O P 2R "$‘&#hD *)‘*’h #Q :A M :N >U U @N 9@?9:@2M Q G N 9:@F G A 8R G M 97L A 8F @F CL G 8@R 7>;A 8U B17L @7S @L $A 9Q G N G ;N 7R 7>8?9:G 9M 789L 7;;A 8U 7R ?7N A 8U V 36782M Q G N C@99@L 9:G 8A 9782O B A %G I +&*,!F @F CL G 8@CA 7L @G M 97L "1T /#’O7Q ?@L G M 9A S G 9@?M G L C78"V 36#’?A N 9L A C>9A 787R L @;G 9A S @F 7;@M >;G L F G N N ’N ;>?U @N O@M A R A M L @N A N 9G 8M @’F @F CL G 8@R 7>;A 8U!!膜污染是膜技术应用中所面临的一个重要问题$它缩短膜的使用寿命$降低膜的处理能力$从而使膜工艺的运行费用增加B 因此$膜生物反应器"F @F CL G 8@CA 7L @G M 97L $1T /#稳定运行的核心问题之一是膜污染控制+",B 由于引起膜污染的物质都来自于混合液$所以混合液的特性对膜污染的影响最重要B 研究表明$通过改变混合液的性能来防止膜污染是一条重要且可行的途径+’j E ,B1T /中投加粉末活性炭"O7Q ?@L @?G M 9A S G 9@?M G L C78$V 36#能够提高污染物去除效果并减缓膜污染+),B 2N G A 等+%,总结1T /中投加V 36的优势$指出1T /中的V 36可吸附去除对微生物群落有毒害作用的生物性化合物’Z >7等+$,研究发现投加V 36可以有效减缓过膜压力的增加并减轻膜污染’5G 9<G Q G ;A G 等+&$#,发现V 36的投加抑制了污泥膨胀$提高通量达’*h $延长了清洗周期$大分子物质未受V36投加的影响$多糖与V 36结合减小了尼龙膜的污染’V 36投加没有改变污泥活性和污泥粒径尺寸$+V 5浓度虽无改变$但其中蛋白质P 多糖比例随V 36投加而变化$并以傅里叶红外光谱研究了污泥官能团与V 36的关系B以上研究多集中在污染物去除和通量提高的效果等方面$但对投加V 36后如何改变混合液性质进而减缓膜污染的内在机制研究尚存不足B 本研究采用对比试验$考察投加V 36的1T /中污泥粒径(’期李绍峰等!V 36影响1T /污泥混合液特性及膜污染研究黏度(污泥+V 5含量(上清液51V 相对分子质量分布和比阻等混合液特性变化$在此基础上探讨膜表面滤饼层阻力2M (膜孔堵塞阻力2O 与污泥性质关系及对膜污染的贡献等$以期对V 36减缓膜污染的原因有进一步的认识$为解决1T /应用中膜污染的瓶颈问题积累知识B JK 材料与方法JL J !试验装置试验为’个反应器进行对照研究$其中"号为未投加V 36的反应器"1T /#$’号为投加V 36的反应器"V 36D 1T /#$’号中投加V 36的浓度为’U P 4$粒径"((j ")(目B 膜生物反应器的有效容积为*(4’聚丙烯中空纤维膜$膜孔径为(‘"*F $膜面积(‘’F ’P 片$反应器内放置)片$每片间距)M F $距反应器底’(M F B 膜组件的出水量通过抽吸泵控制(间歇抽吸出水"抽吸"(F A 8$停)F A 8#$通过控制出水量保持\/2约为%:$反应器运行过程中不排泥B’组反应器中的接种污泥取自深圳市某污水厂二沉池回流污泥$接种后反应器中污泥初始浓度为’‘)U P 4左右B 试验采用人工模拟生活污水$以葡萄糖(水溶淀粉(碳酸氢钠作为碳源$氯化铵作为主要氮源$磷酸二氢钾为磷源$以氯化镁(硫酸铁(氯化钙等补充微量元素B ’组反应器在整个运行周期内进水水质和运行条件均保持一致B JL N !检测方法污泥比阻!上海江科污泥比阻实验装置’污泥絮体颗粒粒径!美国1A M 9L 79L G M D 5*)((激光粒度仪’相对分子质量分布!1A ;;A O7L @&’((型磁力搅拌超滤杯’混合液黏度!W \]D )型涂D E 黏度计测定’胞外聚合物+V 5提取及测定参考文献+"(,$51V 提取采用(‘E)*F 微滤膜过滤$测定方法同+V 5’污泥混合液扫描电镜观察!污泥样品经戊二醛固定(乙醇梯度脱水$临!!!界点干燥(喷金后以扫描电镜"5D *(((,$\A 9G M :$]G OG 8#观察’60W 和1455等测定采用标准方法+"",B JL M !膜污染分析方法根据膜过滤W G L M <公式$膜污染程度可用膜污染阻力来表征!H:-0""2F A2M A2O #:-0""2F A2R#式中$H 为膜通量F *."F ’.N #a "’-0为膜两侧的压力差$V G ’"为渗透液黏度$V G .N ’2F 为膜固有阻力$F a "’2O 为膜孔堵塞阻力$F a "’2M 为膜表面滤饼层阻力$F a "’2R 为膜污染阻力$2O 与2M 之和B NK 结果与分析NL J !V 36对混合液性质的影响NL JL J !混合液黏度的比较图"表明两反应器污泥混合液的黏度随运行时间延长都呈增大趋势$图’为扫描电镜图片B 在很长一段时间内V 36D 1T /中活性污泥的黏度相对较小B 在清洗膜片过程中$可以发现1T /中膜上的泥!!!图JK 黏度随运行时间的变化=A U B "!-G L A G 9A 787R S A N M 7N A 9<Q A 9:9:@7O@L G 9A 787R 1T /图NK 污泥混合液扫描电镜图片"s )(((#=A U B ’!5+1A F G U @N 7R N ;>?U @F A J @?;A d>7L "s )(((##()环!!境!!科!!学*’卷饼有较强的黏性$与膜表面黏附紧密$不易清洗’而V 36D 1T /中泥饼较硬$黏性较小B 图’表明1T /中的污泥混合液黏合紧密$而V 36D 1T /中污泥略显松散BNL JL N !污泥粒径的比较由图*可知$两反应器污泥平均粒径随运行时图MK 污泥粒径随运行时间的变化=A U B *!-G L A G 9A 787R N ;>?U @OG L 9A M ;@N A c @Q A 9:9:@7O@L G 9A 787R 1T /间的延长不断增大$后期污泥粒径略有减小B 其中V 36D 1T /中的污泥粒径始终大于1T /$研究表明这主要是由炭粒与菌胶团之间的相互作用所致+"’,B 活性炭的吸附性和微生物的附着性使得混合液中的大量游离细菌(微生物絮体迅速地包围炭颗粒$形成大的絮体$当其它絮体或游离细菌接近时$各自的胞外聚合物不规则地缠绕在一起$从而使絮体进一步凝聚形成一个以炭颗粒为骨架的大絮体$二者的相互作用使含有炭颗粒的大絮体在曝气剪切力下稳定存在B 污泥颗粒的大小与膜通量的下降有着密切关系+"*,$活性炭的投加引起污泥絮体粒径增大$能够起到减缓膜污染的作用BNL JL M !有机物相对分子质量特征分析图E 和图)分别为"号(’号反应器上清液中有机物相对分子质量分布B 经比较发现’号反应器上清液中有机物相对分子质量各分布区间X -’)E 绝对值均小于1T /$表明V 36D 1T /较1T /能更有效去除反应器中不饱和有机物$且’号反应器中*(((图RKOX \上清液中有机物相对分子质量分布特征=A U B E!W A N 9L A C>9A 787R L @;G 9A S @F 7;@M >;G L F G N N A 89:@1T /N >O@L 8G 9G89图QK2<-.OX \上清液中有机物相对分子质量分布特征=A U B )!W A N 9L A C>9A 787R L @;G 9A S @F 7;@M >;G L F G N N A 89:@V 36D 1T /N >O@L 8G 9G 89(")’期李绍峰等!V 36影响1T /污泥混合液特性及膜污染研究以下小分子量有机物所占比例明显低于1T /$说明V 36D 1T /污泥系统对小分子量物质的去除能力较好B 整体来看$反应器运行期间$上清液大分子量物质含量逐渐加大$后期趋于稳定$这与51V 随运行时间的变化趋势相吻合$表明1T /中确实存在惰性有机物质的积累B图%和图$为"号(’号反应器膜出水中有机物相对分子质量分布$表明上清液中相对分子质量大的物质含量远高于膜出水的$而上清液中相对分子质量小的物质绝对含量"数据未给出#接近于膜出水中的$说明膜组件对相对分子质量大的物质的截留起到很大作用’两反应器每个相对分子质量区间有机物含量随运行时间延长变化不大$表明膜组件对出水的稳定性做出很大贡献B图!KOX \出水中有机物相对分子质量分布特征=A U B %!W A N 9L A C>9A 787R L @;G 9A S @F 7;@M >;G L F G N N A 89:@@R R ;>@89Q G 9@L 7R 1T/图SK2<-.OX \出水中有机物相对分子质量分布特征=A U B $!W A N 9L A C>9A 787R L @;G 9A S @F 7;@M >;G L F G N N A 89:@@R R ;>@89Q G 9@L 7R V 36D 1T /NL N !投加V 36对膜污染的影响NL NL J !投加V 36对过膜压力的影响本试验运行时间为"*(?$当膜过滤压差超过(‘(E 1V G 时$将膜组件从反应器中取出$先用流水清洗膜表面沉积的泥饼$然后用\6;浸泡’:后$用流水冲洗$再用,G 6;0浸泡$待膜通量恢复到#)h 以上$将膜组件重新装入反应器$继续运行B 图&为两反应器操作压力随运行时间变化情况$可见两者膜污染的规律较为类似$在开始运行阶段$膜阻力上升较慢$当操作压力突然加剧时$膜组件需重新清洗再生B 在连续运行的"*(?过程中$1T /分别于E$(#’和"*(?时$进行了*次膜清洗B 对于V 36D 1T /而言$操作压力增长相对缓慢$分别于)#和""#?时达到(‘(E 1V G 左右$共进行了’次膜清洗B 可见粉末活性炭的加入对膜污染有一定的减轻作用$其原因为V36颗粒与污泥絮体之间相互作用$形成粒径更大(黏性更小的絮体颗粒$减缓了膜表面泥饼层的形成并使泥饼层比较疏松$透水性好所致B NL NL N !投加V 36对2M 的影响反应器采用负压过滤$在过滤过程中膜表面形成的泥饼越紧实$泥饼层的阻力越大B 污泥比阻可用来表征泥饼层的压实效果+"E ,B 由图#可见$随"")环!!境!!科!!学*’卷图TK 操作压力随运行时间的变化=A U B &!-G L A G 9A 787R 9L G 8N F @F CL G 8@OL @N N >L @Q A 9:9:@7O@L G 9A 787R 1T /着混合液中+V 5含量的增加$’个反应器污泥比阻表现出相同的变化趋势$即污泥比阻随+V 5含量的增大而增加$且线性关系良好$说明在较高+V 5浓度下泥饼层更紧实B 由图"(可知污泥比阻与2M 有很好的相关性$即2M 随污泥比阻的增加呈指数增大趋势B 以上试验结果说明污泥比阻越大$2M 增加的速度越快$膜污染越严重’同时还可发现V 36D 1T /中+V 5含量(污泥比阻和2M 均低于1T /$说明V 36的投加减少了混合液中+V 5含量$降低了污泥比阻值$从而减缓2M 的增长速度$减轻了膜污染B图UK 污泥比阻与/2"的关系=A U B #!/@;G 9A 78N :A O C@9Q @@8N O@M A R A M L @N A N 9G 8M @7R N ;>?U @G 8?+V 5NL NL M !投加V 36对2O 的影响由图""可知V 36D 1T /上清液中的51V 浓度较1T /中略低B 分析认为$V 36的投加$使反应器中原本呈分散生长的活性污泥形成了以V 36颗粒为骨架的网状结构$由于网状絮体的网捕作用$营养图JPK 混合液污泥比阻与泥饼层阻力的关系=A U B "(!/@;G 9A 78N :A O C@9Q @@8N O@M A R A M L @N A N 9G 8M @G 8?2M物质同样集中于污泥絮体内部$即微生物对有机物的吸附和降解以及活性炭的生物再生都发生于污泥絮体之中$并使吸附(解吸或生物再生作用之间保持着动态平衡$因此$V 36D 1T /中上清液的51V 浓度始终略低于1T /B图JJK 上清液中的"O2与膜孔堵塞阻力的关系=A U B ""!/@;G 9A 78N :A O C@9Q @@851VA 89:@N >O@L 8G 9G 89G 8?2O另外$"号和’号上清液51V 浓度与2O 具有很好的相关性$即2O 随51V 浓度的增加呈指数增长趋势$相关系数分别为(‘&(&$和(‘#(&$B 这说明反应器中51V 的积累会造成部分膜孔的堵塞$导致膜透过性的降低$膜污染情况加剧B 而V 36的投加$减少了上清液中51V 的浓度$降低了膜堵塞程度$增加了膜的透过性$减缓了2O 的增长速度$从而减轻膜污染BNL NL R !膜阻力分析表"为膜组件在一个清洗周期内混合液膜阻力’")’期李绍峰等!V 36影响1T /污泥混合液特性及膜污染研究的分布情况B 1T /和V 36D 1T /分别在第E$?和第)#?完成一个周期B 从表"可以看出$在膜组件的一个清洗周期内$两反应器中的膜阻力均随运行时间的延长而增大$但V 36D 1T /中的膜阻力明显小于1T /$并且膜阻力增长速度也较1T /缓慢B 说明V 36的投加对减小膜阻力(减缓膜污染速度起到很大作用’2M 和2O 对29的贡献随运行时间延长而增大$但2M 对29的贡献始终大于2O 对29的贡献$这说明2M 是造成膜污染的关键因素B 投加V 36后$2M 对29的贡献明显降低$而2O P 29的变化不大$说明V 36的投加对控制泥饼层污染作用大于缓解膜孔堵塞阻力的作用B表JKOX \和2<-.OX \膜阻力比较"#s "("’P F a "2G C;@"!-G L A G 9A 787R F @F CL G 8@L @N A N 9G 8M @A 81T /G 8?V 36D 1T /s "("’P F a "阻力$?’"?*)?E$?"号’号"号’号"号’号"号’号)#?’号膜固有阻力2F (‘’(‘’)(‘’(‘’)(‘’(‘’)(‘’(‘’)(‘’)"E$‘%’#"%(‘#%#"*)‘(##"E&‘(&#"""‘#&#"*&‘E%#"$‘’)#""E‘’(#"#‘E(#膜孔堵塞阻力2O (‘(#(‘(%(‘"*(‘"’(‘)#(‘"%"‘**(‘%E (‘$*"’"‘E*#"$‘&##"’’‘&"#"’*‘($#"*)‘*’#"’E‘%"#"**‘%##"*%‘E$#"’$‘EE #泥饼层阻力2M (‘"*(‘"((‘’E (‘")(‘&&(‘’E "‘%*(‘&$"‘%&"*(‘#)#"’%‘*’#"E’‘"(#"’&‘&)#")’‘$(#"*%‘#’#")#‘(%#"E#‘**#"%*‘"%#膜丝污染阻力2R (‘’’(‘"%(‘*$(‘’$"‘E$(‘E ’‘)%"‘)"’‘%"")’‘*&#"*#‘(’#"%E‘#"#")"‘#’#"&&‘(’#"%"‘)*#"#’‘$)#"&)‘&(#"#&‘"’#总阻力29(‘E’(‘E"(‘)$(‘)’"‘%$(‘%)’‘$%"‘$%’‘%%"#括号内是各种阻力占总阻力的百分数"h #MK 结论""#V 36降低了1T /污泥混合液黏度$增大了污泥絮体粒径$从而减缓了泥饼层的形成并使泥饼层结构疏松(透水性好$延长了膜组件清洗周期B"’#V 36的投加对改善出水水质起到一定作用’随5/2延长$上清液中相对分子质量大的物质含量明显增加$与51V 变化趋势吻合’上清液与膜出水中有机物相对分子质量分布特征表明膜的污染物可能主要是蛋白质和多糖等相对分子质量大的物质B"*#混合液+V 5含量与污泥比阻正相关$泥饼层阻力2M 随污泥比阻增加呈指数上升趋势$污泥比阻值减小$泥饼层水透过性增强B V 36的加入降低了混合液+V 5含量$从而降低污泥比阻值$减缓了2M 的增加速度$降低了膜污染B"E #’个反应器上清液51V 浓度与2O 具有很好的相关性$51V 浓度增加$2O 呈指数上升$表明51V 可能是造成膜孔污染的主要成分B 本研究中$与1T /相比$投加V 36后2O 虽有减小但贡献不显著B")#在整个运行过程中$两反应器的2M P 2R"’%‘*’h j%*‘"%h #始终大于2O P 2R "$‘&#h j *)‘*’h #$表明2M 是膜污染的主要因素$因此$如适当加强曝气扰动破坏泥饼层$可以减缓膜污染$文中投加V 36使泥饼层结构疏松$是膜通量得以提高的原因之一B参考文献#+",!朱永双B 投加V 36控制1T /膜污染的试验研究+W ,B 西安!西安建筑科技大学$’((#‘+’,!李绍峰$王雪芹$王宏杰BV 36对1T /膜阻力影响研究+],B水处理技术$’(($$MM "%#!"ED "$‘+*,!6:7]$3:8^\$5@7Y $"#$%&17?A R A M G 9A 787R 351,7B "R 7L GN >CF @L U @?F @F CL G 8@CA 7L @G M 97L N <N 9@F !A 8M ;>?A 8U9:@@R R @M 9N 7R 51V78F @F CL G 8@R 7>;A 8U +],BbG 9@L 5M A @8M @G 8?2@M :87;7U <$’((*$RS ""’#!"$$D "&"‘+E ,!Z G 71$Y G 8U1$4A\$"#$%&V G 88A 9L A R A M G 9A 78G 8?N ;>?U @M :G L G M 9@L A N 9A M N A 8GN >CF @L U @?F @F CL G 8@CA 7L @G M 97L 78N <89:@9A M A 87L U G 8A M Q G N 9@Q G 9@L +],BW @N G ;A 8G 9A 78$’((E $JSP !"$$D "&)‘+),!1@8U =Z $6:G @5/$W L @Q N3$"#$%B/@M @89G ?S G 8M @NA 8F @F CLG 8@CA 7L @G M 97L N "1T /N #!1@F CL G 8@R 7>;A 8U G 8?F @F CL G 8@F G 9@L A G ;+],BbG 9@L /@N @G L M :$’((#$RM !"E&#D ")"’‘+%,!2N G A \\$/G S A 8?L G 8-$V A L CG c G L A 1B17?@;R 7L OL @?A M 9A 8U9:@O@L R 7L F G 8M @7RF @F CL G 8@CA 7G ?N 7L C@LL @G M 97LOL 7M @N NA 8Q G 9@L 9L @G 9F @89G OO;A M G 9A 78N +],B 6:@F A M G ;+8U A 8@@L A 8U 5M A @8M @$’(()$!P "’(#!)%’(D )%*%‘+$,!Z >7b $-A U 8@N Q G L G 85$,U 7\\$"#$%&67F OG L A N 787R 9:@O@L R 7L F G 8M @7RN >CF @L U @?F @F CL G 8@CA 7L @G M 97L "51T /#G 8?N >CF @L U @?F @F CL G 8@G ?N 7L O9A 78CA 7L @G M 97L "513T /#+],B T A 7L @N 7>L M @2@M :87;7U <$’((&$UU !"("’D "("$‘+&,!5G 9<G Q G ;AY $T G ;G IL A N :8G 81BV @L R 7L F 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