双功能陶瓷膜生物反应器处理废水的研究

张永明¹，程旖旎¹，石英丽¹，施汉昌²，钱易²
1.南昌航空工业学院环境与化学工程系， 南昌， 330034：
2.清华大学环境模拟与污染控制国家重点联合实验室， 北京， 100084

　　利用膜生物反应器（Membrane Bioreactor， MBR）处理废水正在受到人们的关注。而无机膜生物反应器（Inorganic Membrane Bioreactor， IMBR）则是在MBR基础上兴起的。IMBR的核心是采用无机膜，与有机膜比较，无机膜具有化学稳定性好、热稳定性高、机械性能优异、通量大、寿命长、容易清洗等优点，但也存在着制造成本高，运行费用大等问题，特别是容易堵塞的问题。
　　本研究针对上述陶瓷膜容易堵塞的问题。提出了一种新的膜生物反应器的设计方案。即将陶瓷膜设计成U型管状，并置于反应器内，成为内置式膜反应器。该陶瓷膜既可以曝气，又可以进行抽滤，形成一种具有双重功能的陶瓷膜，在处理废水的同时不断地进行曝气/抽滤的切换。而曝气的同时又是对陶瓷膜的反吹，以解决陶瓷膜容易堵塞的问题，从而提高反应器处理废水时的效率。这一设计目前在国内外尚未见报道。

1.实验方法

　　1.1 生物反应器和陶瓷膜
　　图1所示是双功能陶瓷膜生物反应器的示意图，其有效体积约2.5L。反应器内部装有2组U型管状陶瓷膜，在反应器的底部有陶瓷膜的接口，可分别接上曝气和抽滤装置。在处理废水的时候可定时地进行曝气/抽滤的切换。反应器内另装有可拆卸的蜂窝状的陶瓷载体，该载体的作用是使微生物能附着生长在其上，以提高生物相浓度。反应器中间安装有一挡板，可使废水在反应器内形成内循环以强化气液传质。U型管状陶瓷膜的微孔孔径为60～100mm，每个陶瓷膜过滤面积为40.69cm²。
　　1.2 废水
　　在降低水样浊度试验时，选用两种浊度的水样。低浊度的水取自池塘水，内含有细小的胶体悬浮物。而高浊度的水样，是在取自池塘水样中加入一些泥土，以提高其浊度。
在降解废水时，在取自池塘的水中添加适量的葡萄糖及氮、磷等元素配制的模拟废水。
　　1.3 生物膜的形成
　　当采用生物膜方法处理废水时，首先用肉汤培养基，接入少量菌种。摇瓶培养48h，待微生物生长到一定浓度后，将该菌液加入到反应器中，使微生物吸附在多孔陶瓷载体上，经过一段时间的培养形成生物膜。
　　1.4 陶瓷膜通量的测试
　　为了考察陶瓷膜通量随抽滤时间的变化情况。分别用前述的高、低2种浊度的水样进行试验。 每隔一定时间用型号为WGZ-1数字式浊度仪（上海产）测定抽滤后出水的浊度，并和同类废水在自然沉降情况下进行比较。此外还在1h内分为6个阶段考察陶瓷膜通量的变化规律以及经过曝气反吹之后，膜通量的恢复情况。
　　1.5 废水的生物处理试验
　　在反应器中安装陶瓷载体，待形成生物膜之后，分别进行间歇和连续生物处理模拟废水的试验。此时每隔0.5h进行一次曝气/抽滤的切换，以保持陶瓷膜的通量，并定时从抽滤膜处取样并测定水样的COD和浊度。

2.结果和讨论

　　2.1 出水浊度的变化
　　分别用两种浊度的水样，经过陶瓷膜的过滤考察其浊度的变化情况。图2是采用浊度为47的水样，经过陶瓷膜抽滤后其浊度的变化情况。从图中可以看出，经过陶瓷膜抽滤后其浊度下降至平均23左右，平均浊度下降率为51%。分析图中浊度变化曲线可以看出，抽滤后水样的浊度有一定幅度的变化，这说明陶瓷膜对浑浊水的过滤主要是通过在陶瓷表面形成的过滤层进行的。由于反应器内循环水流的搅动，过滤层的形成尚不稳定，所以出水浊度便有一些波动。从图中还可以看出，在抽滤的前期，是过滤层形成阶段，出水的浊度比后期的浊度要高。从5h以后，浊度稳定在20左右，总的趋势是浊度逐渐下降，平均浊度下降了57%。
　　图3是采用浊度为320的水样经过陶瓷膜抽滤后其浊度的变化情况。从图中可以看出，在前20min，出水浊度逐渐下降，此时是过滤层的形成过程，20min之后，出水的浊度就降低至120左右，废水浊度的下降率为62%，并且稳定在这个范围。
　　分析两种浊度的水样的下降情况，由于低浊度水中主要是细小的悬浮物，所形成过滤层的孔径就比较小。因而出水浊度相对就比较小。而高浊度的水中主要含有的是较大颗粒的泥土，所形成的过滤层的孔径相对较大，因而出水浊度也就较高。

　　为了与陶瓷膜过滤进行比较，对同类废水进行自然沉降的比较试验。图4和图5分别是采用浊度为58和390的2种水样经过自然沉降，其浊度下降的情况。从图4可以看出，低浊度废水经过10h的自然沉降后，其浊度下降到25，而24h后，浊度降到18。从图5可以看出，高浊度的废水经过4h的自然沉降，废水浊度的下降率为60%，此后浊度缓慢下降。
　　从上述试验结果可以看出，采用池塘水，由于水中含有较多的悬浮物，主要是一些浮游性的胶体物质，其自然沉降速率较慢，在此种情况下，陶瓷膜过滤的效果就相当于其自然沉降10～24h的结果。而高浊度的水，由于是在水中加入了泥土，其沉降速率较快，同时也会吸附悬浮的胶体物质共同沉降，所以陶瓷膜过滤的效果就相当于其自然沉降4h的结果。

　　2.2 陶瓷膜通量的变化
　　用陶瓷膜连续进行抽滤时，其膜通量会逐渐下降。下降的幅度是进行废水处理时的主要工艺参数。图6所示是用低浊度水进行的膜通量恢复性能的试验。进水浊度:47，出水浊度:23。试验时，在60min内每隔10min测定一次膜通量，考察其膜通量的变化情况。每次测试之后，均曝气10min，从实验结果可以看出，经过短时间曝气均能基本恢复到原来的水平。最后膜通量可稳定在180～200 (l/h·m²)之间。图7是用高浊度水进行的膜通量恢复试验。连续进行了3次试验，每次抽滤45min，然后曝气8min。从图7可以看出，经过短时间的曝气，膜通量也基本恢复到原来的水平。

　　2.3 处理废水的试验
　　在反应器内安装蜂窝陶瓷载体，让微生物附着生长在陶瓷膜上形成生物膜，用该方法处理模拟废水时，分别进行了间歇和连续处理模拟废水的试验，以考察用该反应器处理废水时的效果。图8是间歇处理模拟废水时COD降解的曲线。图9是连续处理废水时COD降解的曲线。
　　连续处理时，平均水力停留时间约113min。从图8中可以看出，经过3h的间歇处理，废水的COD就降解了92%，COD负荷约为1.1kgCOD/(m³·d)。从图9可以看出，连续处理时，经过6h之后，废水COD的去除率就稳定在90%以上，此时的COD负荷约为1。5kgCOD/(m³·d)。用生物膜法处理模拟废水时，每0.5h进行一次曝气/抽滤的切换，使膜通量保持在290～320 l/(h·m²)其出水的浊度从47下降到19。由于采用陶瓷作为生物膜的载体，有效地避免了污泥过多堵塞陶瓷膜，造成陶瓷膜通量下降。

3.结论

　　根据试验结果分析，陶瓷膜的过滤作用主要是通过在陶瓷膜表面形成过滤层实现的。用双功能陶瓷膜生物反应器处理废水时，由于可以进行抽滤/曝气的切换，从而有效地解决了一般膜反应器中普遍存在的膜容易堵塞的问题，提高了膜反应器处理废水的效率。此外，在该反应器中增加陶瓷载体，既可以增加生物相浓度，又可避免悬浮的微生物堵塞陶瓷膜。废水经过陶瓷膜的过滤，其出水浊度较低，与传统的废水处理方法相比，由于出水的浊度较低，可以缩短废水的沉清过程，从而提高废水处理的效率。因此双功能陶瓷膜生物反应器具有很大的应用价值。

* 教育部高校重点实验室访问学者基金资助