投加粉末活性炭對膜阻力的影響研究
目前，限制膜生物反應器(Membrane Bioreactor,MBR)廣泛應用的主要原因是該系統的運行 費用較高，而膜折舊在運行費用中又占有相當大的比例。降低膜折舊費用的方法有兩種，其 一是增加膜的工作壽命；其二是增加膜的工作通量，從而降低所需的膜面積。采取低壓操 作、間歇運行、紊流曝氣等措施可在一定程度上減緩膜污染和堵塞［1］，在上述基礎上，筆者又對在MBR系統中投加粉末活性炭(PAC)的效果進行了研究。
1 理論依據
1.1膜比通量
為比較不同膜面積、不同工作壓力下膜的透水特性，引入膜比通量(Specific Flux,SF) 的概念。定義SF是基于在較低壓力下工作的膜出水量與膜面積和工作水位差之積的比值，用公式表示如下：
SF=Q/(AH)=J/H (1)
式中 SF——膜比通量，m3/(m2•m•s )
J——膜通量，m3/(m2•s)
Q——膜組件出水量，m3/s
A——膜表面積，m2
H——工作水位差，m
1.2 膜通量的基本方程
日本學者Shimizu Y.等人分析了膜通量下降的因素，提出了膜通量與膜阻力的關系：
J＝ΔP/(μ•Rt) (2)
式中ΔP——作用于膜兩側的壓差，Pa
μ——滲透液的粘度，Pa•s
Rt——膜的總阻力，m-1
膜的總阻力可以表示為：
Rt=Rm+Rp+Rc (3)
式中Rm ——純膜阻力，m-1
Rp——膜污染阻力，m-1
Rc——濾餅層阻力，m-1
2 試驗方法
2.1 小試
小試歷時4個月，試驗裝置如圖1所示。
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為方便比較，進水水質與運行方式均與不投加PAC的試驗基本相同。采用間歇出水的方 式，出水時間與空曝時間之比為7∶3，其他主要控制參數：水溫為18～28℃；曝氣量為0.2～0.27 m3/h；膜上作用水頭為7kPa；PAC投加濃度為2000 mg/L； 平均進水CODCr=250 mg/L(其中BOD5∶N∶P按100∶5∶1計)；MLSS=8000 mg/L；SRT=100d。
2.2 中試
在原有的中試裝置運轉近5個月時取出膜組件，將膜表面的泥餅清洗干凈后放回。向反應器中一次性投加2000 mg/LPAC，其他試驗參數及運行方式與不投加PAC時基本相同。每周期處理水量為280L/h；HRT為6.25h；氣水比為30∶1；平均排泥量為30L/d；MLSS維持在7500mg/L左右(平均含有1700 mg/L的PAC)；SRT為30d；溫度維持在24～27℃；反應器內混合液pH值維持在7.0左右。
3 小試結果與討論
3.1 投加PAC對膜比通量的影響
投加與不投加PAC對膜比通量的影響見圖2。
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由圖2可見：
①未投加PAC的MBR中膜比通量的變化可分為兩個階段。投入運行后的前5d屬于快速下 降階段，膜的比通量由6.61×10-6m3/(m2•m• s)降至3.25×10-6m3/(m2•m•s)，其日均降低速率為6.72×10-7m3/(m2•m• s)。此后MBR即進入運行的相對穩定階段，膜比通量的日均下降速率僅為1.54×10-8m3/(m2•m•s)。
②投加PAC的MBR在投入運行后并沒有出現快速下降期，膜比通量隨運行時間的延長而緩 慢下降，日均下降率為2.69×10-8m3/(m2•m• s)。
③投加PAC后穩定運行階段的膜比通量較投加PAC前明顯增大。在運行時間相同(約100d) 的條件下，未投加PAC的MBR中膜比通量僅為1.81×10-6m3/(m2•m•s)，而投加PAC的MBR中膜比通量為5.14×10-6m3/(m2•m•s)，為前者的2.84倍。可見在MBR中投加PAC對維持較高膜比通量具有顯著效果，大大提高了產水量。
3.2 PAC與活性污泥的相互作用
在試驗末期的鏡檢中發現，成熟活性污泥絮體的體積比PAC顆粒本身的體積大得多，每個較為獨立的菌膠團中含有一顆或多顆PAC顆粒，鑲嵌在污泥里僅起骨架作用。根據PA C及菌膠團的性質，在向MBR中投加PAC 后，炭粒與菌膠團之間即存在相互作用。最初，PAC 的吸附性和微生物的附著性使得混合液中大量的游離細菌、生物絮體迅速地包圍PAC顆粒，形成較大的絮體；隨著該絮體中微生物的數量增多，分泌的胞外聚合物也增多，當其他絮體 或游離細菌接近時，各自的胞外聚合物不規則地纏繞在一起，從而使絮體進一步凝 聚形成一個以PAC顆粒為骨架的大絮體，二者的相互作用使含有PAC顆粒的大絮體在曝氣強度 較大的MBR中穩定存在。
3.3 PAC對MBR膜阻力影響的定量分析
投加PAC可形成粒徑更大、強度更高、粘性更小的礬花。隨著污泥絮體性能得以改善，膜阻 力隨之減小。各項阻力的測量方法如下：①純膜阻力Rm。清水試驗時，沒有膜污染阻 力和濾餅層阻力，Rt與Rm數值相等。②膜污染阻力Rp。系統運行到80 d 時，膜污染的發展已趨于穩定。取出膜并將其表面泥餅清洗干凈，立即測定清水通量，測得 的阻力為Rm與Rp之和。③濾餅層阻力Rc。在穩定運行90 d時，膜表面泥 餅層已處于相對穩定狀態，此時由通量算得的阻力為Rm、Rp和Rc之和。
在本試驗中，取μ=1×10-3 Pa•s(假設濾液的粘度與清水的一樣，溫度為25℃ )，由此可按式(2)求得投加PAC后的各種膜阻力值(見表1)，不投加PAC時的各項膜阻力值也列入表1。
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從表1可知：①投加PAC后，膜污染阻力Rp和濾餅層阻力Rc均減小，其中前者降 低了約73%，后者降低了約92.4%；由于兩次試驗所用的膜相同，純膜阻力Rm差別很小 ，使得投加PAC后，膜總阻力中主要部分由不投加PAC時的濾餅層阻力和膜污染阻力變成純膜 阻力，這說明投加PAC對減小膜污染阻力和延緩濾餅層的形成是有效的。②處于穩定運行的M BR，膜表 面泥餅層處于相對穩定狀態，其阻力可視為常數。當投加PAC的膜組件膜污染阻力達到(假設 能達到)未投加PAC的膜組件膜污染阻力時，其膜總阻力為純膜阻力、投加PAC時濾餅層阻力 與未投加PAC時膜污染阻力之和，數值為2.85×1012 m-1。此時對應的膜比通量[應用式(2)和式(1)，且設ΔP=9 806 Pa］SF為3.44×10-6 m3/(m2•m•s)。若以投加PAC后的MBR中比通量隨運行時間的日均下降率計，從運行開始到穩定運行階段需歷時161d。根據對投加PAC后MBR中污泥性狀的觀察，到達此穩定運行階段之后，通量衰減速度低于未投加PAC的MBR中的通量衰減速度。
4 中試試驗
4.1 投加PAC對混合液COD濃度的影響
試驗中混合液與出水的COD之差列于表2。
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從表2可見：投加PAC后膜內外COD之差的平均值降低了很多(約為0 mg/L)。有研究表明 ，MBR系統在遭受COD沖擊負荷時，膜出水COD基本不受影響，而系統內 混合液COD增加，同時膜通量迅速降低。這表明混合液與出水的COD之差是通過 膜和膜表面的泥餅層截留作用而減少的，降低此差值對維持MBR的膜通量非常有利。
4.2 投加PAC對活性污泥的影響
投加PAC通過改善活性污泥絮體及泥餅層的性質來減緩膜通量的下降。在投加PAC后，污泥絮體更易互相吸附、聚集而體積更大、粘性更小，因而其在膜表面形成的泥餅層比較疏松，透水性好。未投加PAC時，手洗膜表面泥餅層發現泥餅有較強的粘性，與膜表面粘附較緊，不易清洗；而投加PAC后的泥餅則比較硬，粘性很小，只需用清水稍沖就可脫落。在投加PAC前后，從膜表面分別取一小塊泥餅，將其橫、縱斷面分別切開(如圖3)，取厚度基本相同的小切片在普通顯微鏡下觀察，結果如表3。
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投加PAC后，泥水混和液及污泥絮體的物理性質、結構有所改變，因而形成的泥餅層性質、結構也與未投加PAC時不同。投加PAC后的泥餅層呈疏松堆積狀態，后生孔道更多更大，不易堵塞，因此泥餅層造成的膜阻力大大降低。
投加PAC是通過提高污泥的沉淀性能來改善污泥的泥水分離性。投加PAC后，污泥絮體顆粒變大，SVI值也下降(可達60mL/g左右)，這大大改善了污泥的泥水分離性能，減緩了泥餅的形成。
通過上述分析可見，PAC在MBR中可影響泥水混合液各方面的性質，包括污泥絮體的性質、混合液中的有機物濃度、泥水分離性能等，從而引起膜污染阻力、膜表面泥餅結構及該阻力的 有利變化，其宏觀結果就是大大減緩了膜通量的下降，使得單位膜面積在膜壽命期內的產水 量大大提高。
4.3 PAC的消耗量
MBR系統在排泥時會排出部分PAC，為維持反應器內PAC的濃度，需補充PAC。若MBR系統的水力停留時間為6 h，污泥停留時間為30 d，PAC的投加量為2000 mg/L，則處理單位體積水消 耗的PAC量約為16.7 mg/L。
5 結論
通過小試和中試的研究表明，向MBR系統內投加PAC是降低膜過濾阻力、提高膜通量的有效途徑。
①在小試中，投加PAC并運行約100d時，膜比通量從未投加PAC時的1.81×10 -6 m3/(m2•m•s)增加到5.14×10 -6 m3/( m2•m•s)。PAC有效地減小了濾餅層阻力(從原來占膜總阻力的51.3%降到11.6%)，從而說明了投加PAC是使膜比通量增加的實質性原因。
②在中試中，向反應器內投加PAC可降低膜內、外COD濃度之差，形成體積更大、粘 性更小、強度更高的污泥絮體，并在膜表面形成更加疏松的泥餅層，大大改善了污泥的可過 濾性，提高了膜通量。
③向MBR系(xi)統投加PAC后，處理單位體(ti)積水(shui)消耗的PAC 量約為16.7 mg/L，對(dui)運行費用影響不大(da)。
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