污水处理膜工艺分析

污水处理膜工艺分析

近年来，膜生物反应器(membrane bioreactor, MBR)由于具有出水水质好、占地面积小、剩余污泥少、操作管理方便等优点，在污水处理与回用领域得到了快速的推广应用。然而，目前MBR仍然面临着膜污染较重的问题，影响了工艺的经济性和稳定性。2008年，国外学者提出了一种新型的MBR替代工艺，正渗透膜生物反应器( osmotic membrane bioreactor, OMBR)。OMBR采用正渗透(forward osmosis , FO)膜代替传统MBR中使用的微滤

( micro-filtration, MF)膜或超滤( ultra-filtration , OF)膜来实现泥水分离。由于FO 过程借助两侧的渗透压差而不是外加压力作为驱动力，与MBR相比，OMBR具有工艺能耗低、膜污染趋势小、出水水质可靠等优点。作为一种新型的污水处理方法，OMBR目前仍处于研究阶段，遇到的瓶颈之一就是盐度的积累。FO膜的高效截留和反向盐扩散导致OMBR内盐度大幅上升，直接造成渗透压差的减少和FO膜通量的大幅衰减，同时对微生物活性产生不利影响。

考虑到MF膜具有允许溶解性盐透过的特性，笔者在之前的研究中提出了采用MF膜来控制OMBR中盐度积累的设想，成功实现了盐度的控制。以此为基础，在本研究中提出了一种新型的污水处理与回用工艺—祸合MF的OMBR ( micro-filtration and forward osmosis membrane bioreactor, MFO-MBR) 。MFO-MBR中FO膜的出水满足饮用水的标准，可以作为高品质的回用水，而MF膜的出水可以满足城市杂用水的水质标准。基于此，MFO-OMBR在今后的污水处理与回用领域应该具有良好的应用前景。

已有的关于OMBR的研究均是采用HTI生产的三醋酸纤维(cellulose triacetate , CTA)材质的FO膜。最近面世的另一种材质的FO膜一聚酞胺复合薄膜(thin film composite polyamide , TFC)的稳定性和亲水更好，且反向盐渗透更低，具有更好的应用前景。因此，本文选取HTI公司生产的TFC材质的FO膜构建MFO-MBR，并从运行通量、出水水质、盐度积累、污泥性质和膜污染等方面来考察MFO-MBR处理生活污水的运行性能。

1 实验部分

1.1 实验装置

本实验采用的MFO-MBR装置如图1所示，主要由生物反应器、空气供给系统、进水系统、出水系统、FO膜组件、MF膜组件和汲取液系统等组成。生物反应器的有效体积为7. 0 L，在膜元件下方连续曝气，一方面为反应器提供氧气，另一方面增加膜面的剪切力，减缓膜污染。

实验使用的MF膜为聚偏氟乙烯( polyvinylidene fluoride , PVDF)材质的平板膜，其平均孔径为0. 2 um。 FO膜为HTI公司生产的TFC材质的平板膜。所用FO膜为非对称膜，分为活性层和支撑层，且已有研究表明膜污染物更易于在支撑层沉积，因此本实验所采用的膜的朝向为“活性层朝向原料液”。FO膜和MF膜元件的有效面积分别为0. 057 m2和0. 060 m2。MF膜的通量控制在(11士1)LM H。

汲取液选取1.0 mol / L的氯化钠溶液，并通过电导率仪控制浓度，当电导率仪示数小于设定值时，浓盐泵就会将5. 0 mol / L的氯化钠溶液打入汲取液池中，以保证汲取液浓度稳定，从而提供稳定的渗透压差，排除由于汲取液稀释而引起的通量下降的影响。

整个实验过程在(25士1)℃的恒温室内运行，HRT控制在(5. 5士0. 5 ) h, SRT为10 d,曝气量为0. 45士0. 02 ) m3 / h，污泥浓度最终稳定在(2. 5士0.2) g / L，进水为人工配置的生活污水，连续运行30 d。

1. 2 接种污泥和实验用水

实验接种污泥取自连续处理模拟生活污水3个月以上的浸没式MBR,混合液悬浮固体浓度(mixedliquor suspended solids,MLSS)为5.5 -7.0 g / L，混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)为3. 85 -5. 95 g / L,MLVSS/MLSS为0. 70 - 0. 85。本实验采用的实验用水为人工配制的模拟生活污水，其中，葡萄糖、碳酸氢钱和磷酸二氢钾分别为其主要的碳源、氮源和磷源。浸没式MBR的介绍和模拟生活污水的配方见文献。

1. 3 膜污染评价装置

为考察MFO-MBR中FO膜污染情况，本实验采用膜污染评价装置进行评价。如图2所示，该装置主要由原料液池、FO膜组件和汲取液系统等组成。原料液池的有效容积为0. 9 L。 FO 膜组件分为上下相同的两室，上侧通汲取液，下侧过进料液，每室尺寸均为:宽40 mm、长85 mm、深20 mm。测试原料液为去离子水，汲取液为1. 0 mol / L氯化钠，浓盐为5. 0 mol / L 氯化钠，实验在25℃恒温室中进行，每30 min测定一次通量，连续运行8 h。

1. 4实验方法

膜通量采用单位时间内通过单位面积膜的透过量表示。进水、活性污泥滤液、出水的NHQ -N浓度均用国家标准方法测定。进水、活性污泥滤液、出水的TOC用TOC分析仪(Shimadzu TOG-Vcsh, Japan)测定。

活性污泥中溶解性胞外聚合物(soluble microbial products , SMP)和附着性胞外聚合物(bound extracellular polymeric substances,BEPS)的提取采用加热离心提取法。 SMP 和BEPS的含量均采用多糖和蛋白质加和的形式表征，其中蛋白质用考马斯亮蓝0250染色法测定，多糖采用苯酚一硫酸法测定。

运行结束后的污染膜组件，其中一面膜裁剪出2片8. 5 cm x 4. 0 cm大小的污染膜，分别用来分析清洗前和清洗后的膜通量;另一面裁取5. 0 mm x 5. 0 mm的污染膜，于38℃下烘干2h，通过SEM-EDX( Hitachi 54800 , Japan )分析污染膜面的形态和元索种类。此外，借助多重染色结合激光共聚焦显微镜(confocal laser scanning microscopy,CLSM)的方法分析污染膜面的生物污染。结合已有文献，使用异硫氰酸荧光索(fluorescein isothiocyanate , FITC )，刀豆蛋白A ( concanavalin A , ConA )，卡尔科弗卢尔荧光增白剂(calcofluor white , Cw)和总细胞核酸染剂SYTO 63四种染色剂分别对FO膜样品的生物污染层中的蛋白质，α-D-毗喃多糖，β-D-毗喃多糖和微生物总细胞进行染色，并分别在488、 552、 405和638 nm的激发波长下通过CLSM ( LEICA TCS SPS , Germany)进行观察，染色剂的制备以及详细的染色过程参见文献。

2 结果与讨论

2. 1 通量和盐度的变化

通量和混合液电导率随时间的变化如图3所示。由图3可知，反应器内电导率在刚加入FO膜后，即有大幅度上升，这主要是由于反向盐渗透。5d后电导率稳定在1. 7 mS / cm

左右，这表明MF的引入成功实现了MFO-MBR的低盐度环境。FO膜通量在初始运行阶段，随着时间的推移呈明显下降趋势，至第13天时稳定在6. 5 LMH左右，之后随时间的增加通量相对稳定。需要指出的是，在整个运行过程中，MF膜的通量始终维持在11 LMH,未发生通量的衰减。在已有关于未引入MF膜的OMBR研究中，进水水质、汲取液种类及浓度和接种污泥均相同的条件下，TFC膜通量在第10天后稳定在3. 0 LMH，反应器内电导率增加至22 mS / cm。与之相比，本研究的MFO-MBR具有更低的盐度和更高的运行通量。这说明MF膜的引入不仅可以使反应器维持在低盐环境，而且由于盐度的下降造成了FO膜运行通量的大幅提高。同时，与已有采用CTA材质FO膜的祸合MF膜的OMBR相比，在相同的运行条件下，TFC膜控制的盐度(1.7 mS / cm左右)低于CTA膜(5. 0 mS / cm左右)，这说明TFC膜比CTA膜具有更好的盐度控制效果。