SMSBR中PAC对膜污染的防治作用

李春杰1，耿 琰2，周 琪2，顾国维2?
(1.上海交通大学 环境科学与工程学院，上海200240；2. 同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092)

　　摘　要：在SMSBR处理焦化废水的过程中，通过向反应器中投加粉末活性炭(PAC)进而形成生物活性炭(BAC)来实现对膜污染的防治，并通过对BAC污泥的终端过滤来反映其对膜污染的改善作用。试验结果表明，BAC污泥在终端过滤过程中，其相对通量的变化规律与普通活性污泥相同，但投加PAC后的膜通量明显提高。另外，在相同压力下普通活性污泥的通量衰减指数要远高于BAC污泥，而在相同PAC浓度下BAC污泥的通量衰减指数随压力的变化与普通活性污泥一样，未表现出一定的规律性。BAC污泥的阻力分布表明，沉积层阻力仍占有绝对优势(大于80%)，并随压力的升高而增大，但与普通活性污泥相比该比例有明显下降，膜的固有阻力所占比例明显提高，体现了PAC对膜污染的防治作用。
　　关键词：SMSBR；焦化废水；膜污染防治；PAC；BAC
　　中图分类号： X703
　　文献标识码： A
　　文章编号： 1000-4602(2002)06-0005-05

　Effect of PAC on Control of Membrane Fouling in Coke Wastewater Treatment by Submerged Membrane Sequencing Batch Reactor
LI Chun-jie1, GENG Yan2, ZHOU Qi2, GU Guo-wei2
( 1.School of Environmental Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.State Key Lab of Pollution Control & Resource Reuse,Tongji University,Shanghai 200092,China)

　　Abstract：In coke wastewater treatment by submerged membrane sequencing batch reactor (SMSBR),membrane fouling was controlled by addition of powdered activated carbon (PAC),which was expected to change activated sludge into biological activated carbon(BAC) sludge so as to decrease the membrane fouling through dead-end filtration.The experimental result showed that in the process of dead-end filtration,the relativ e flux of both BAC and conventional activated sludge (CAS) is changed in the same regularity,but after addition of PAC,BAC sludge shows higher relative flux.Fur thermore,under the same pressure,the flux of CAS show much higher decline index than that of BAC sludge,while at the same concentration of PAC,the flux decline index of BAC sludge is varied with pressure,which shows no regularity.Based on t he resistance distribution of BAC sludge,the cake resistance of BAC sludge makes up above 80% and is increased along with the rising of filtration pressure,but it is lower than that of CAS.The difference between them shows the effect of PAC on the control of membrane fouling.
　　Keywords: SMSBR; coke wastewater; control of membrane fouling; PAC; BAC

　　膜的污染程度取决于膜本身的性质、料液的特征和过滤操作条件^[1]，因此对于膜本身抗污染性能的提高，除了膜本身的制作水平外，还可针对实际过滤料液的特征对膜进行改性，但由于MBR过滤料液成分复杂，这方面的工作难以奏效。有关膜过滤过程中水力操作条方面的研究成果已很多，笔者认为，对于MBR，通过改变过滤料液的性能来防止膜污染将是一条重要且可行的途径[1]。
　　尽管活性污泥混合液的组成复杂，但膜过滤活性污泥的过程受沉积层的控制而非膜孔的堵塞^[2]，这说明膜污染主要来自大于膜孔径的微生物絮体。大量研究表明^[3、4]，细菌胞外聚合物(EPS)是优势污染物，微生物通过这些物质相互粘连形成菌胶团，并在过滤过程中显示出较强的压密性，使过滤阻力不断升高。笔者通过向SMSBR中投加粉末活性炭(PAC)使之形成生物活性炭(BAC)污泥以进行膜污染防治，并通过终端过滤试验来评价膜 污染防治效果。

1 　试验方法

　　 从2000年10月2日起开始向SMSBR反应器中投加PAC(见表1)，共考察了3种不同PAC浓度下的膜过滤特性。

表1 　向SMSBR中投加PAC 日期 10月2日 10月13日 10月24日 每次PAC投加量(g) 9 9 9 反应器中PAC浓度(g/L) 0.6 1.2 1.8

　　投加了PAC的SMSBR按照“缺氧1—好氧—缺氧2”运行，在每次投加PAC后的第10天取200mL污泥混合液进行终端过滤试验，其方法和参考文献[2]中相同，考察了过滤通量的变化、通量衰减和阻力分布情况及SMSBR中膜组件的运行情况。?

2 　结果与分析

2.1 　膜通量的变化
　　 在压力为60、100、140、180和220kPa下，不同PAC投量对相对膜通量的影响见图1-a～1-e。
　　由图1-a～1-e可见，无论投加PAC与否，其相对膜通量都表现出相同的变化特点，即在短时间内膜通量急剧衰减，但投加PAC后的膜通量明显得到提高；在压力相对低的情况下(60、100kPa)，PAC浓度为1.2g/L时表现出较高的膜通量，而在压力相对高的情况下(140、180和220kPa)，PAC浓度为1.8g/L时表现出较高的膜通量。

　　PAC浓度为0.6、1.2和1.8g/L时不同压力下的膜通量变化分别见图2-a～2-c。

　　由图2-a～2-c可见，投加PAC后不同压力下的膜通量变化与不投加PAC时膜通量的变化相似，即随着压力的升高，相对膜通量值减小；在压力相对低的情况下(60、100kPa)，膜通量随压力的变化大，而在压力相对高的情况下(140、180和220 kPa)，膜通量随压力变化不大且随着过滤时间的延长而趋于一致。
　　不同PAC投量在不同压力下的膜通量变化按照参考文献^[2]中式(15)进行拟合，所得膜通量衰减指数及相关系数如表2所示，不投加PAC和不同PAC投量下膜通量衰减系数随压力的变化见图3。

表2 　不同PAC投量和压力下的通量衰减指数及相关系数 项目 60 kPa 100 kPa 140 kPa 180 kPa 220 kPa 0.6g/L -0.5857(0.980 7) -0.5809(0.973 5) -0.6128(0.994 7) -0.5852(0.994) -0.5978(0.992 5) 1.2g/L -0.6094(0.995 3) -0.5884(0.995 1) -0.6062(0.99 3) -0.5975(0.979 3) -0.5803(0.9852) 1.8 g/L -0.5856(0.980 8) -0.578(0.988 7) －0.586(0.9938) -0.5689(0.982 8) -0.5231(0.989 5) 不加PAC -0.5143(0.957) -0.508(0.983 6) -0.514(0.975 6) -0.4957(0.974 5) -0.5572(0.985 5) 注：括号内的值为R²。

　　经比较得出，不投加PAC的膜通量衰减指数要远高于投加PAC的膜通量衰减指数(压力为220kPa所对应的值除外)；当PAC浓度为1.8g/L且在较高压力下，表现出较高的膜通量衰减指数，其他情况下的差别不明显；对于相同PAC投量(包括不投加PAC)而言，膜通量衰减指数随压力的变化未表现出一定的规律性。
2.2 阻力分布?
　　 表3、4分别为PAC浓度为0.6g/L和1.2g/L、在压力为100kPa及180kPa下的阻力分布。
　　由表3、4可见，投加PAC后污泥的过滤阻力分布与不加PAC时的过滤阻力分布相似，极化阻力或沉积层阻力占主导，并随过滤压力的增加而升高；不同之处在于投加PAC后的极化或沉积过滤阻力所占总阻力的比例明显下降，而膜的固有阻力所占总阻力的比例有较大提高，体现了膜污染防治的效果。

表3　 PAC浓度为0.6 g/L的阻力分布 项目 R_m R_p R_ef R_c(=R_p+R_ef) R_if R 100 kPa 1.6E+11(18.0)¹ 6.81E+11(76.41)¹ 3.84E+10(4.31) 7.2E+11(80.72) 1.15E+10(1.29) 8.91E+11(100) 180 kPa 1.79E+11(8.87) 1.79E+12(88.4) 2.0E+10(0.99) 1.81E+12(89.39) 3.52E+10(1.74) 2.02E+12(100) 注：括号内的值为占总阻力的百分比(%)。

表4 　PAC浓度为1.2 g/L的阻力分布 项目 R_m R_p R_ef R_c(=R_p+R_ef) R_if R 100 kPa 1.53E+11(16.04)¹〖〗 6.93E+11(72.55)¹ 4.83E+10(5.06) 7.41E+11(77.61) 6.07E+10(6.35) 9.55E+11(100) 180 kPa 1.66E+11(9.73) 1.46E+12(85.53) 7.3E+10(4.29) 1.53E+12(89.82) 7.73E+9(0.45) 1.7E+12(100) 注：括号内的值为占总阻力的百分比(%)。

3 　膜组件的运行情况

　　以上从过滤机理方面说明了其对膜污染的改善作用，现对实际运行的SMSBR中空纤维膜组件的情况加以考察。?
　　由于采用小试装置，试验过程中搅拌装置、曝气装置和膜组件随SBR反应器的周期而交替使用，因此不便于全面考察膜分离的操作条件对膜污染的影响；同时，SMSBR中的膜过滤过程与连续流MBR中的膜过滤有很大差别(即在2h和1.5h内完成排水的过程)，这就需要远大于连续流MBR的膜通量，且该过程也是对污泥的浓缩过程，因此污染速率更快。
　　中空纤维膜组件的抽吸排水过程属于恒流、死端过滤方式[过滤过程中膜通量基本保持在26L/(m²·h)]，而抽吸压力随沉积污染的增加而不断上升。为此，一方面通过对料液的曝气和间断抽吸来防止膜污染的加剧，另一方面通过膜组件的(上下)机械运动来防止膜污染，从而实现了长期运行的目的。尽管未能定量描述这种机械运动对膜污染的影响，但却体现了通过膜组件的运动来防止膜污染的重要思想。膜组件在排水过程中实现机械运动并不困难，且由于排水时间并不长而不会产生太高的能耗，在今后的研究中可采用更完善的试验装置来考察这种作用。
　　图4为投加PAC之前每天排水过程中的平均压力变化。?

　　图4中压力的变化大致可以分为4个区域。?
　　区域1：为试验运行第一个月，过滤温度对抽吸压力的影响较小，其间压力的升高来自污泥 浓度的不断富集，周期排水过程中压力上升较慢，不需要膜组件的机械运动，而只需通过对料液的曝气即可实现排水，但从图4中也看出，该阶段压力有一次较大飞跃。图5为压力突变前后周期排水过程中压力的变化情况，图中每个点代表10min排水过程压力的平均值，周期排水过程中压力的上升是由于污泥在中空纤维丝之间大量沉积所致，每次排水后经废水和出水清洗膜组件后，下一次排水时的初始过滤压力与前一次排水的初始压力差别不大，该结果与参考文献[2]的研究结果一致，即以沉积污染控制过滤过程，而非膜孔内部的堵塞。?

　　区域2：过滤压力不仅受到污泥特性(浓度及其生长形态)的影响，而且受到低温的影响，该阶段周期排水过程中压力上升速度很快，必须通过膜组件的机械运动来控制压力的上升。
　　区域3：周期排水过程中仍然需要通过膜组件的机械运动来控制压力的上升，但由于温度逐渐回升，表现出平均压力的不断下降。
　　区域4：由于容积负荷的提高，污泥浓度再次升高，平均过滤压力又升高。?
　　投加PAC后膜过滤情况得到了明显改善，但并未表现在周期过滤压力的变化上，却体现在抽吸过程中不再需要膜组件的机械运动，而改在停止排水的时间间隔内进行膜组件的机械运动沉积在膜组件上的BAC颗粒很容易通过抖动而脱落。由于小试装置难以定量衡量这种改善作用，因此需在今后作进一步研究。?

4 　结论

　　① BAC污泥在终端过滤过程中，其相对通量的变化规律与普通活性污泥相同，但投加PAC后的膜通量明显得到提高。另外，在相同压力下普通活性污泥的膜通量衰减指数要 远高于BAC污泥的膜通量衰减指数，在相同PAC浓度下BAC污泥的膜通量衰减指数随 压力的变化与普通活性污泥一样，未表现出一定的规律性。?
　　② BAC污泥的阻力分布表明，沉积层阻力仍占绝对优势，并随压力的升高而增大，但相比普通活性污泥该比例有所下降，膜的固有阻力所占比例明显提高，体现了PAC对膜污染的防治作用。?
　　③ 通过向普通活性污泥中投加PAC使之改性为BAC污泥，明显地改善了SMSBR中空纤维膜组件的过滤性能。

参考文献：

　　[1] 李春杰.开发膜生物反应器的经济技术因素探讨[J].上海环境科学，1999，18(12)：571-5 73.
　　[2] 李春杰，耿琰，周琪，等.SMSBR处理焦化废水过程中膜污染机理研究[J].中国给水排水，2002，18(4)：5-9.
　　[3] Nagaoka H,Veda S，Miya A.Influence of bacterial extracellular polymers on the membrane separation activated sludge process[J].Wat Sci Tech,1996,34(9):165-172.
　　[4] Mukai T.Ultrafiltration behavior of extracellular and metabolic products in acti vated sludge system with UF separation process[J].Wat Res,2000,34(3):902-908.

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　　作者简介：李春杰(1971- )，男，陕西米脂人，博士，上海交通大学讲师，主要从事废水生物处理方面的研究。?　
　　电　　话：(021)54742817 54745634?
　　E-mail:[email protected]
　　收稿日期：2001-10-15