圖1　一體式膜-生物反應器中試流程圖

　　生物反應器自接種后，開始進水運行。 目前 已運行110余天。在此期間，沒有人為排泥。
1.2　試驗用水
　　試驗用水取自清華大學一號樓后污水泵站，并投加了適量的工業葡萄糖。具體水質情況如表1所示。
1.3　 分析 項目及方法
　　日常分析測定的項目包括進出水和污泥上清液的COD、進水SS、污泥SS和VSS、氨氮濃度等。測定方法采用標準方法。

表1　膜-生物反應器中試試驗進水水質

2　試驗結果與分析

2.1　污染物去除效果
　　圖2表示了系統進出水、生物反應器上清液的COD濃度以及系統和生物反應器對COD的去除效率隨時間的變化。

圖2　膜-生物反應器中試系統中COD濃度及去除效果變化情況

　　從圖2可以看出：(1)系統總COD去除率除開始運行前12天以外，均保持在90%以上，而生物反應器COD去除率波動較大。在開始運行前12天，由于微生物尚未充分生長，生物反應器的COD去除效率較低，在60%以下。之后，隨著微生物的增殖，生物反應器的COD去除效率逐步增加，最高達96%。相應地膜分離對COD的去除效率隨生物反應器性能的好壞而變化，在3%～35%之間波動。膜分離對部分有機物的截留作用彌補了生物反應器處理性能的不穩定，使系統總的COD去除效率穩定保持在較高水平；(2)活性污泥對COD的去除起到了重要作用。在進水COD變化較大的情況下，生物反應器內活性污泥的效能仍發揮得很好。除個別情況外，生物反應器上清液的COD濃度可維持在80mg/L以下；(3)膜對系統的穩定出水起到了決定性作用。盡管系統進水水質變化極大，COD濃度從100mg/L變化到700mg/L，上清液COD濃度也隨之有較大的變化，但膜出水COD濃度始終穩定在30mg/L以下，滿足中水回用水質標準的要求。
　　圖3表示了本系統的進出水、生物反應器上清液氨氮濃度的變化情況以及系統和生物反應器對氨氮的去除效果。

圖3　膜-生物反應器中試系統中氨氮濃度及去除效果的變化情況

　　從圖3可以看出：(1)運行基本穩定后，系統對氨氮的去除率可達98%以上；(2)氨氮的去除主要靠生物反應器中微生物的作用，膜對氨氮的截留作用很小；(3)在開始運行的頭一周，系統基本上沒有硝化作用發生；運行兩周后，系統的氨氮去除率達44%；運行三周后，系統的氨氮去除率達98%。這說明膜的分離作用可使世代時間較長的硝化細菌逐漸在系統中積累，使廢水中的氨氮得以發生充分的硝化反應，系統出水氨氮濃度在0.5mg/L以下。
　　此外，小試其它測定指標表明，出水無SS和大腸桿菌檢出、無色無嗅，滿足建設部頒布的《生活雜用水水質標準》(CJ25.1-89)。
2.2　污泥增殖情況
　　圖4表示出一體式膜-生物反應器中試系統中生物反應器內的污泥增殖情況。運行前20天，由于進水COD濃度較低(參見圖2)，污泥生長緩慢。為刺激污泥的生長，在進水中投加了相當于100～200mg COD/L的葡萄糖以增加進水COD濃度，污泥濃度表現出明顯的上升趨勢。運行第33～42天，由于反應器水力循環條件不好而對系統進行改造，致使部分污泥流失，污泥濃度有所下降。運行第42天后污泥濃度仍有降低現象是因為停止投加葡萄糖所致。第58天以后，再次投加葡萄糖，污泥濃度出現回升，VSS在4.5g/L左右。

圖4　膜-生物反應器中試系統污泥濃度變化情況

　　生物反應器污泥的VSS/SS的比值在試驗期間內基本無變化，在0.7～0.8之間，說明污泥中沒有無機物積累。
2.3　膜過濾壓差的變化
　　圖5表示一體式膜-生物反應器中試系統運行過程中膜過濾壓差與膜通量隨時間的變化。在膜通量保持恒定時，膜過濾壓差的變化反映了運行過程中污染物在膜面的積累，即膜過濾阻力的變化情況。本試驗為減緩啟動階段的膜污染與堵塞，采用了膜通量分階段由小到大的運行方式。首先將膜通量控制在4L/(m2.h)運行一段時間，然后逐步增大至8.7L/(m2.h)穩定運行。然而，運行第21天后，由于膜過濾壓差(即阻力)增長很快，為達到長期穩定運行的目的，再次將膜通量降低至5L/(m2.h)運行。

圖5　膜-生物反應器中試系統膜過濾壓差與膜通量的時間變化

　　與小試試驗時膜過濾壓差的上升情況［6］相比較，發現中試試驗條件下膜過濾壓差的增長速度較快。初步分析主要是由于以下三個原因造成的：
　　(1)初始設計時反應器內水力循環條件不夠好，導致膜面沖刷不夠，膜面污染物易于積累。運行第35天至第41天時對反應器進行了改造，增強了反應器內的水力循環，情況有所改善。
　　(2)在生物反應器尚未達到穩定運行時即開始了膜的分離運行，啟動階段污泥濃度太低，SS不足0.5g/L。污泥濃度太低，進水中的有機物分解不完全，致使生物反應器上清液中有許多未降解的溶解性COD有機物存在。這些有機物易引起膜面堵塞，導致膜過濾阻力(即膜過濾壓差)上升很快。有研究報道直接用膜過濾原污水比與生物反應器聯用膜更易堵塞［7］。建議以后啟動時先間歇運行一段時間，待污泥增長到一定濃度、生物反應器運行基本達穩定后再開始膜過濾。
　　(3)在操作過程中的粗心造成了一部分微生物流入膜內部通道，使膜內表面受到污染。
　　為盡量延長膜的穩定運行時間，本試驗嘗試了許多方法來減緩膜過濾阻力的上升。
　　(1)高壓水龍頭沖洗膜表面和停止抽吸出水空曝氣。如圖5的點1所示，對降低膜過濾壓差有一定的作用，分別使膜過濾壓差降低了6.58kPa，之后膜過濾壓差的增長速度也有所減緩。分析原因可能是由于膜表面附著的泥餅很厚，空曝氣和膜面高壓水沖刷去除了膜表面上的泥餅，從而引起膜面阻力的降低。
　　(2)在線藥洗。采用5%的次氯酸鈉溶液，清洗了12h，膜過濾阻力壓差由52.63kPa降至44.74kPa(如圖5的點2所示)，而后其變化很小，基本達到穩定。
2.4　膜長期穩定運行的主要控制條件
　　根據以上試驗及運行操作經驗， 總結 維持膜長期穩定運行的主要控制條件如下：
　　(1)保持生物反應器內良好的水力循環條件。為維持膜面良好的水力沖刷作用，反應器升降流通道的設計要合理，曝氣量要適當。
　　(2)做好膜-生物反應器的啟動運行工作。應提高接種污泥的濃度，待生物反應器運行基本穩定后再開始膜分離的運行。
　　(3)注意膜的日常維護。可采取空曝氣、在線藥洗等一些簡單的手段來減緩膜過濾阻力的增長速度，延長膜運行時間。
　　(4)當膜污染極為嚴重、日常維護作用不大時，可將膜組件放到堿液和酸液中浸泡一定時間，以恢復膜的過濾性能。
　　(5)保持操作條件的穩定。操作條件的經常變化會促進膜的堵塞過程，加速膜污染。

　　(1)一體式中空纖維膜-生物反應器工藝用于處理我國生活污水，達到回用水質在技術上是可行的。110天以上的連續試驗表明，無論進水水質如何變化，均能得到優質而穩定的膜過濾出水：COD<30mg/L、NH3-N<1mg/L，且無色無味、無SS，并未檢出大腸桿菌，完全符合建設部頒布的《生活雜用水水質標準》(CJ25.1-89)。
　　(2)系統總COD去除率達90%以上，大部分是在生物反應器中去除的，膜分離截留部分COD，對維持穩定的系統出水起到了決定性作用。
　　(3)系統對氨氮的去除率達98%以上，主要靠生物反應器去除，膜的去除作用很小。
　　(4)生物反應器的水力循環條件是 影響 膜穩定運行的重要因素之一。
　　(5)應做好系統的啟動運行，注意膜的日常維護，采用在線藥劑清洗和空曝氣等簡單的手段減緩膜過濾阻力的上升，延長穩定運行時間。
　　(6)以經濟性評價表明，一體式膜-生物反應器用于處理生活污水實現回用，在經濟上是可以接受的。其基建費用較低，能耗與傳統中水處理工藝相差不多。

參考 文獻

1　岑運華.膜生物反應器在污水處理中的 應用 .水處理技術，1991，17(4)：23～26
2　Yamamoto K, Hiasa M, Mahmood T and Matsuo T. Direct Solid-Liquid Separation Using Hollow Fiber Membrane in an Activated Sludge Aeration Tank.Wat Sci Tech, 1989, 21:43～54
3　TATSUKI UEDA KLNJI HATA et al. Effects of aeration on suction pressure in a submerged membrane bioreactor. Wat Res, 1997, 31(3):489～494
4　H Kishino, H Ishida et al.Domestic wastewater reuse using a submerged membrane bioreactor. Desalination, 1996, 106:115～119
5　Boran Zhang and Kazuo Yamamoto. Seasonal change of microbial population and activities in a building wastewater reuse system using a membrane separation activated sludge process. Wat Sci Tech., 1996, 34(6):295～302
6　劉銳，汪誠文，錢易.影響一體式膜生物反應器膜清洗周期的幾個因素.環境 科學 ，1998，19(4)
7　邢傳宏.清華大學博士論文，1998.93～94