管式自生動態(tài)膜生物反應(yīng)器處理垃圾滲濾液的小試研究
膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor,MBR）與傳統(tǒng)的活性污泥法（Conventional Activated Sludge,CAS）相比,，有更可靠的出水水質(zhì)和簡便的操作方式[1，2],，被認(rèn)為是最有前途的水處理技術(shù)和中水回用技術(shù)之一,。但是，膜面的膜孔堵塞和凝膠層及濾餅層等形式的膜污染[3]易造成膜通量的下降,，它就象在原有的膜面上
再敷上了一層膜[4],，一些學(xué)者稱之為動態(tài)膜（Dynamic Membrane）或次生膜（Second Membrane）[5,6]，把利用這種膜做成的生物反應(yīng)器稱之為動態(tài)膜生物反應(yīng)器[6],。盡管膜污染會導(dǎo)致膜通量的下降,，但它有助于對小粒子的截留,，提高過濾分離性能，而且與相同孔徑的非動態(tài)膜相比,，它的滲透性也更好,。國內(nèi)已有部分高校和科研機構(gòu)在研究動態(tài)膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于生活廢水的試驗研究[6-9]。他們在研究上均采用了孔徑在100 微米左右的微網(wǎng)材料制成平板式的膜組件,。管式膜組件在反應(yīng)器單位容積過濾面積和操作等方面比平板膜更有優(yōu)勢,，本文在實驗室小試基礎(chǔ)上初步考察了管式動態(tài)膜對垃圾滲濾液的處理。
1 實驗材料和方法
1.1 實驗用水
實驗用垃圾滲濾液取自北京六里屯垃圾填埋場調(diào)節(jié)池,， 水質(zhì)為： COD=4058~9151mg/L, BOD5=2800~5700 mg/L, BOD5 /COD=0.63~0.71,，NH3-=598~1104mg/L，pH=7.78~8.00,。由于該滲濾液含有較高的氨氮和較高的有機物,，在進入膜生物反應(yīng)器之前進行了稀釋和水解處理。實際的膜生物反應(yīng)器的進水水質(zhì)為：COD=625.8~1420mg/L, NH3-N=598~1104mg/L, pH=8.14~8.35,。
1.2 膜組件
實驗采用的膜材料為PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)細絲材料制成的編織管,，管外徑4mm，壁厚0.4mm,。實驗采用自制簾式膜組件,，膜組件高20cm，有效面積為0.04m2,。圖1 是無污染新膜片顯微鏡下放大40倍照片,。
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1.3 實驗裝置與流程
實驗裝置如圖2 所示。
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整個實驗系統(tǒng)有兩部分組成,，水解池和動態(tài)膜生物反應(yīng)器（DMBR）,，反應(yīng)器由有機玻璃制成，DMBR是實驗的主反應(yīng)區(qū),。其中水解池為長方柱形,，有效容積24L（0.2×0.15×0.8m），HRT=7d,。水解池在工作時有攪拌器（J1-100W）的攪動加強傳質(zhì),，轉(zhuǎn)速為500rpm/min。水解池的進水由蘭格蠕動泵（BT-100M）從原水池供給,，原水池的垃圾滲濾液經(jīng)過了適當(dāng)稀釋,，使得水解池的實際進水水質(zhì)為:COD=2100~3400mg/L,NH3-N=410~620mg/L ，pH=7.86~8.05,。DMBR 外型也是長方柱型,，有效容積為9L（0.20×0.15×0.30m）。DMBR 內(nèi)設(shè)置擋板將反應(yīng)器隔為生化區(qū)和膜池。在生化區(qū)和膜池內(nèi)均設(shè)有穿孔曝氣管,，生化區(qū)曝氣為 DMBR 內(nèi)混合液供氧和推動混合液循環(huán)之用,，曝氣強度為0.4m3/h，混合液DO=3~5 mg/L,；膜池曝氣管的反曝氣強度為1.0m3/h,。DMBR 的HRT=3d，MLSS 控制在4.2g/L 左右,。DMBR 的進水水質(zhì)為：
COD=625.8~1420mg/L, NH3-N=598~1104mg/L, pH=8.14~8.48,。系統(tǒng)在運行的50 天時間內(nèi)沒有排泥。膜出270 水利用膜池的液面和膜組件集水管出口間的壓力水頭△H（圖2 所示）自流出水,。
1.4 試驗方法
試驗對COD,、BOD5、氨氮,、濁度,、MLSS、DO,、pH,、粘度等運行參數(shù)進行了測定，方法及所用儀器見表1,。
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2 結(jié)果和討論
2.1 膜通量
2.1.1 清水通量
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清水通量實驗用水為自來水。由圖3 可以看出,，PET 膜在低壓力下就有著很大的通量,，在H △ =0.2cm時，膜通量是37L/m2·h,；當(dāng)H △ 增加到1.0cm 時,，膜通量更是達到170L/m2·h。另外,，從圖3 可以看到一個有意思的現(xiàn)象,，清水通量曲線在y 軸的截距并不是零，而是大于零,。范彬[7]也發(fā)現(xiàn)了這個截距不為零的現(xiàn)象,，但是他的結(jié)論是小于零，他分析認(rèn)為是膜材料尼龍篩絹的疏水性所致,。本實驗所用實驗材料也是疏水性的PET 高聚物[10],，但為什么卻有著相反的結(jié)果呢？筆者認(rèn)為,，從圖1 的顯微鏡照片可以看出,，膜的單根編織線是由很多細絲組成，在清水過濾時,，這些細絲間的孔道很窄,，再加上膜的壁厚較大,，使得在清水實驗時形成毛細作用，并且和膜的疏水性對水的阻抗作用相比占據(jù)優(yōu)勢地位,，這就是在沒有壓力水頭作用下能形成清水出流的原因,。
2.1.2 混合液過濾通量
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圖4 是在H = △ 30cm 時混合液過濾時的膜通量曲線，可以看到在開始過濾時,，膜的通量僅為4.5L/m2·h,，半小時后，通量降到3.75L/m2·h,，并且能長時間的維持在這個水平上,，這和清水實驗的高通量形成巨大的反差。這是否是由于PET 聚酯編織膜的疏水性所導(dǎo)致有待研究,。據(jù)文獻,，聚酯分子結(jié)構(gòu)對稱，結(jié)晶度較高,，結(jié)構(gòu)中又沒有高極性基團,，因此親水性較差[10]。當(dāng)過濾混合液時,，膜表面附近的水分子的Gibbs 自由能（G）取決于水分子和蛋白質(zhì)之間以及水分子和膜表面之間的氫鍵和極性作用,，疏水性、非極性膜表面與水無這種相互作用,，結(jié)果使膜表面水分子的G 值高于主體溶液中水分子的G 值,，使得水溶液中疏水性的蛋白質(zhì)優(yōu)先迅速吸附于膜表面[11，12],。其次,，垃圾滲濾液的營養(yǎng)配比不合理及含有大量不易生物降解的有機物，使得混合液中的生物難以適應(yīng),，混合液的粘性較大,，大量的胞外聚合物（EPS）生成。這樣,，PET 聚酯編織膜在混合液過濾時,，大量EPS、壞死的生物細胞和其它蛋白質(zhì)類物質(zhì)會瞬間吸附在膜表面,，阻塞了過水通道,，蛋白質(zhì)和膜的疏水性使得水分子很難靠近膜表面，細絲的編制結(jié)構(gòu)和膜壁較厚加劇了這一過程,。當(dāng)PET聚酯膜在清水實驗時,，由于水中沒有或極少蛋白質(zhì)，難以對水分子的通過構(gòu)成阻礙。這樣,，PET 聚酯膜在應(yīng)用于清水實驗和混合液過濾時就會形成巨大的反差,。實驗發(fā)現(xiàn)：膜絲在混合液中抖動能提高膜通量和增強透水穩(wěn)定性，曝氣沖刷不會對膜造成傷害和斷絲現(xiàn)象,，并且對出水水質(zhì)影響很小,。本實驗的膜下反曝氣管一直處于工作狀態(tài)，曝氣強度為1.0m3/h,。
由于膜通量較低,，客觀上增加了混合液的水力停留時間，HRT=3d 左右,，較高的水力停留時間符合生物法處理高濃度有機廢水的要求,，能比較充分的實現(xiàn)對污染物的降解，實驗結(jié)果表明,，系統(tǒng)運行穩(wěn)定,，對濁度、COD 和氨氮等都有很好的去除效果,。
2.2 混合液MLSS 的變化
DMBR 的接種污泥來自實驗室氣升循環(huán)膜生物反應(yīng)器的生物池,，接種量為3.45g/L。前十天,，DMBR污泥的馴化采用了人工配水和水解池出水按2：1 的比例投加的方式,，此間的污泥濃度有所上升，到第12天,，污泥濃度最大到5.4g/L,。此后，膜生物反應(yīng)器的進水完全該為水解池出水,，混合液污泥濃度開始下降,，第35 天降至最少2.9g/L,，這與垃圾滲濾液的成分復(fù)雜不適合微生物正常生長需要有關(guān),，通過顯微鏡鏡檢可明顯看出生物相遠不及普通膜生物反應(yīng)器豐富，而且數(shù)量也相對較少,，申歡在研究膜生物反應(yīng)器處理城市垃圾滲濾液時也發(fā)現(xiàn)了生物量減少和污泥活性降低的現(xiàn)象[13],。隨后，補加接種了8g/L 污泥約1.5L,，混合液污泥濃度有所回升,。
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2.3 對濁度的去除效果6月9日對膜片進行了化學(xué)清洗，隨即對膜出水濁度變化情況進行了檢測,，檢測結(jié)果如圖6 所示,。
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初始膜出水濁度為21.8，跟其它動態(tài)膜實驗結(jié)果[6，9]相比明顯低很多,，并且在系統(tǒng)運行過程中沒有出現(xiàn)泄漏[6]導(dǎo)致濁度回升現(xiàn)象,，這可能是混合液中蛋白質(zhì)類物質(zhì)易于被膜絲吸附的結(jié)果，很少能透過膜,，印證了前面的推斷的合理性,。在半個小時內(nèi)，濁度迅速降到5 度以下,，并且能長時間的維持在1 度以下,。正常運行期間的膜出水濁度在常規(guī)檢測中也都在1 度以下。
2.4 對COD 的去除效果
圖7 是DMBR 在實驗期間對COD 的去除情況,。從圖上可以看出DMBR 的進水COD 變化幅度較大,，在625.8625.8~1420mg/L 之間，平均值為974.4mg/L,。出水COD 在136.5~428.9mg/L 之間,，平均值300.44mg/L，DMBR 對COD 的平均去除率為69.23%,。從圖上可以看出,，DMBR 在前一段時間的出水COD 相對較低，并且去除率呈下降趨勢,，這和這段時間的進水采用人工配水和垃圾滲濾液的混合投加有關(guān)系,，一方面有易生物降解的人工配水的存在使得出水COD 較低，另一方面垃圾滲濾液對混合液生物相的沖擊使得COD 去除率有所下降,。當(dāng)系統(tǒng)補加了部分污泥后,，COD 的去除率又有了回升。此外,，通過對DMBR 上清液和膜出水COD 的監(jiān)測,，膜對上清液COD 有部分截留作用，平均值為18.27%,，但卻不及其它動態(tài)膜[6],，究其原因，可能是PET 膜對有機物吸附性更強,，膜絲更密集有機物更難通過的結(jié)果,。
2.5 對NH3-N 的去除效果
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DMBR 的HRT 較長，使得世代時間較長的硝化細菌能夠大量繁殖生長,，達到了對氨氮穩(wěn)定良好的去除效果,，如圖8 所示。DMBR 的進水氨氮都在400 mg/L 以上,，平均值為509.33mg/L,，DMBR 出水氨氮均在20mg/L 以下,，并且氨氮的去除率都在94%以上，平均去除率高達98.11%,。
3 結(jié)論
采用新型疏水性PET 聚酯材料的管式動態(tài)膜生物反應(yīng)器處理垃圾滲濾液,，利用重力自流出水。系統(tǒng)穩(wěn)定連續(xù)運行50 天,，過濾壓力水頭為30cm,，膜通量維持在3.75L/m2·h 左右。動態(tài)膜通量較低的原因,，文章分析認(rèn)為,，膜材料的疏水性及膜的編織結(jié)構(gòu)是這一現(xiàn)象的可能因素。疏水性膜在過濾時優(yōu)選吸附混合液中的蛋白質(zhì)并排斥水分子的通過,，膜的細絲編織結(jié)構(gòu)和膜壁較厚加劇了這一過程,，確切的原因有待于深入的研究。
系統(tǒng)對濁度,，COD 和氨氮有著很好的處理效果,。正常運行時濁度在1 度以下，COD 和氨氮的平均去除率分別在69%和98%以上,，并且動態(tài)膜對混合液中COD 還有一定的截留作用,，平均截留率為18.27%。
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