生物载体缓解管式膜MBR工艺中的膜污染_范辉.pdf

净水技术 2023,42(2):103-108Water Purification Technology范辉,高燕宁,刘克成,等.生物载体缓解管式膜 MBR 工艺中的膜污染J.净水技术,2023,42(2):103-108.FAN H,GAO Y N,LIU K C,et al.Membrane fouling mitigation in tubular membrane MBR process with biocarriersJ.Water Purification Technology,2023,42(2):103-108.生物载体缓解管式膜 MBR 工艺中的膜污染范 辉1,高燕宁1,刘克成1,魏 伟2(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北石家庄 050021;2.天津伊唯信科技有限公司,天津 300384)摘 要 膜污染一直是影响膜生物反应器(MBR)工艺稳定运行的难题。试验研究了浮球填料的加入对好氧管式膜 MBR 工艺中膜污染的影响规律及机理。结果表明,生物载体的加入能够显著减缓膜污染。与没有生物载体的 MBR 相比,载体填充率达到 40%时可使滤饼层阻力下降约 60.7%,孔堵阻力下降约 90.6%,单周期运行时间延长约 83.3%。机理分析表明,载体型 MBR 中悬浮污泥粒度明显增大,不可逆膜污染主要组分溶解性胞外聚合物(EPS)含量显著减少,而且 EPS 中蛋白质相对比例增加,滤饼层与膜面间的结合程度减弱,可改善低压冲洗和化学清洗效果。关键词 管式膜 膜生物反应器(MBR)浮球填料 载体填充率 膜污染中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1009-0177(2023)02-0103-06DOI:10.15890/ki.jsjs.2023.02.013Membrane Fouling Mitigation in Tubular Membrane MBR Process with BiocarriersFAN Hui1,GAO Yanning1,LIU Kecheng1,WEI Wei2(1.Electric Power Research Institute,State Grid Hebei Electric Power Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050021,China;2.Tianjin Yiweixin Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)Abstract Membrane fouling is recognized as a problem that affects the stable operation of the membrane bioreactor(MBR)process.In this paper,the influence law and mechanism of floating ball carriers on membrane fouling in tubular membrane MBR process was studied.The experimental results suggested that the addition of biocarriers significantly alleviated membrane fouling.Compared with the MBR without carriers,in MBR with 40%filler filling rate,the cake layer resistance was reduced by about 60.7%,and the pore blocking resistance was reduced by about 90.6%,which resulted in about 83.3%extension in single cycle operation time of MBR.Mechanism analysis suggested that the particle size of the suspended sludge in MBR with carriers was significantly increased.The dissolved extracellular polymeric substance(EPS)on the membrane surface,which was the main component of the irreversible membrane fouling,was significantly reduced.Moreover,the relative proportion of protein in EPS increased,and the binding between the entire fouling layer and the membrane surface was weakened,thereby improving the effect of low-pressure flushing and chemical cleaning.Keywords tubular membrane membrane bioreactor(MBR)floating ball carriers filling rate membrane fouling收稿日期 2021-04-04基金项目 国家电网有限公司科技项目:电站生产污水、雨水与生活污水交叉利用资源化技术研究及应用(kj2020-066)作者简介 范辉(1969),男,高级工程师,研究方向为水资源管理及废水处理技术,E-mail:hbdysfh 。通信作者 高燕宁(1981)男,高级工程师,E-mail:。膜生物反应器(MBR)因其较高的生物量、优异的固液分离能力和较小的占地面积,已经成为污水处理的重要技术之一1-2。但是高生物量带来高去除效率的同时,也加重了膜污染。严重的膜污染会导致频繁的水力反洗甚至化学清洗,降低系统净产水率,增加运行费用,甚至会缩短膜组件使用寿命。近年来一些研究3-5表明,向系统中投加生物载体可以适当提高 MBR 对污染物的去除率,同时减缓膜污染,但目前这方面的研究主要集中于中空纤维帘式膜 MBR 工艺中,而且对膜污染减缓机理的认知也存在分歧。与中空纤维膜相比,管式膜具有膜通量301大、机械强度高、耐污染性强等特点6。同时内压式管式膜组件的设计也避免了生物载体对膜面的刮擦损伤,不存在中空纤维帘式膜组件的断丝问题。生物载体的加入对管式膜 MBR 工艺中膜污染的影响,特别是载体填充率对膜污染的减缓规律,还鲜有研究。生物载体对管式膜 MBR 工艺中膜污染的减缓机理也需要进一步分析。为此,本文选择浮球填料作为生物载体,重点研究了浮球填料的加入对好氧管式膜 MBR 工艺中膜污染的影响规律及减缓机理,研究结果可为载体型管式膜 MBR 的推广应用提供理论支持。1 试验材料和方法1.1 试验材料试验用聚偏二氟乙烯(PVDF)管式膜由天津市膜天膜科技有限公司提供,管式膜内径为 12 mm,平均孔径为 0.02 m。自制膜组件为内压式管式膜组件,以有机玻璃为膜组外壳,由 4 根管式膜组成。膜组件有效长度为 12 cm,有效过滤面积为 0.018 m2。试验所用生物载体为自制组合式浮球填料,浮球内填充一定量的纤维丝以增大挂膜面积。1.2 试验进水及装置1.2.1 试验进水试验进水为雄安新区剧村 220 kV 变电站的化粪池上清液。该变电站生活污水处理达标要同时考虑有机物、氮和磷的有效去除。变电站生活污水中灰水部分主要来自洗漱用水和少量厨房用水,有机物浓度很低,不足以满足脱氮除磷过程中对碳源的需求。因此,需将站内所有污水都先汇入化粪池,取上清液作为待处理污水。试验期间该进水水质变化情况如表 1 所示。表 1 变电站生活污水水质特征Tab.1 Characteristics of Domestic Wastewater Quality at Electrical Substation水质指标数值/(mg L-1)水质指标数值/(mg L-1)CODCr215280总磷0.63.2BOD598125悬浮物100198氨氮1530动植物油1012总氮20401.2.2 试验装置试验装置如图 1 所示,好氧池为有机玻璃材质,有效水深为0.6 m,水力停留时间为4 h。管式膜组件以支架固定在好氧池中,膜通量设定为 20 L/(m2 h),抽停比为 82,膜组件采用恒通量运行方式,当跨膜压差(TMP)增加至 30 kPa 时停止过滤,进行低压冲洗,冲洗水量为进水量的 3 倍,冲洗时间为 1 min。盘式微孔曝气器固定在管式膜组件下方,曝气量为0.2 L/min。好氧池中浮球填料按试验内容进行相应调整。在正式试验开始前需投加污泥进行挂膜,污泥取自天津纪庄子污水处理厂,接种污泥量为 10 g/L。运行一个月后好氧池浮球填料上挂膜成功,从好氧池底部排出悬浮污泥,开始正式运行。图 1 试验装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of Experimental Device1.3 试验方法1.3.1 溶解态胞外聚合物(EPS)测定取污泥混合液 10 mL,经低速离心后(10 min,4 000 r/min),取上清液过 0.45 m 滤膜,分别测定滤出液中的多糖(PS)和蛋白质(PN)7。PS 测定采用蒽酮比色法,PN 测定采用 Lowy 法8。1.3.2 污泥粒度分布测定利用马尔文激光粒度分布测定仪(Mastersizer 2 000,英国)对膜反应器中悬浮污泥粒度进行测定。测定过程中以去离子水作为分散介质,泵转速为800 r/min。1.3.3 傅里叶红外光谱测定膜面残余污染物红外光谱测定:过滤结束后低压冲洗膜组件去掉膜面松散滤饼层,然后截取 1 cm长度膜管,经真空干燥后,对膜面残余污染物进行红外光谱测定。MBR 中溶解态 EPS 红外光谱测定:取 50 mL 污泥混合液,经低速离心(10 min,4 000 r/min)后取上清液作为进水,利用新管式膜过滤,使上清液中溶解401范 辉,高燕宁,刘克成,等.生物载体缓解管式膜 MBR 工艺中的膜污染Vol.42,No.2,2023性 EPS 累积在膜面,过滤结束后截取 1 cm 长度管式膜,经真空干燥后进行红外光谱测定。红外光谱测定条件:利用傅里叶红外光谱仪(Vertex 80,布鲁克,德国)对上述两个样品进行红外光谱图测定,分辨率为 4 cm-1,扫描波长为 5504 000 cm-1。1.3.4 膜阻力构成分析根据串联阻力模型,膜总过滤阻力由 3 部分构成,即膜固有阻力、孔堵阻力和滤饼层阻力。3 部分阻力的具体测定和计算方法参照已有文献9报道进行。2 结果和讨论2.1 生物载体对膜污染减缓的影响试验首先探讨了好氧池中生物载体的加入对管式膜膜污染的影响规律。图 2 反映了不同载体填充率下一个过滤周期内的 TMP 修正曲线。在定压冲洗条件下,一个过滤周期的运行时间可以直观反映膜污染的程度。图 2 的试验结果证明,生物载体的加入能够明显减缓膜污染。与没有载体的情况对比,载体填充率为 20%(体积分数)时可以使单周期运行时间延长 50.0%。载体填充率增至 40%时,单周期运行时间进一步约增加 22.2%,相比未添加载体时增加了约 83.3%。再度增加载体填充率至60%时,单周期运行时间增长幅度明显减小,只比40%填充率时约延长了 9%。这意味着从控制管式膜膜污染角度,适当增加载体填充率可以显著减缓膜污染,但填充率增加到一定程度后对膜污染不再具有显著减缓作用。图 2 生物载体对 TMP 曲线的影响Fig.2 Effect of Biocarriers on TMP Curves在单周期过滤结束后,对每个载体填充率下的管式膜组件进行膜阻力构成分析,如图 3 所示。在