投加粉末活性炭对膜阻力的影响研究

摘要：小试和中试研究结果表明：粉末活性炭在膜生物反应器系统中具有改善泥水混合液的性质和 膜表面泥饼层结构的作用，从而减小了膜的过滤阻力，减缓了膜通量的下降。向膜生物反应器内投加粉末活性炭是提高和维持膜通量的有效途径，并且可以降低运行费用。

关键词：膜生物反应器 粉末活性炭 膜通量 膜阻力

　　目前，限制膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)广泛应用的主要原因是该系统的运行 费用较高，而膜折旧在运行费用中又占有相当大的比例。降低膜折旧费用的方法有两种，其 一是增加膜的工作寿命；其二是增加膜的工作通量，从而降低所需的膜面积。采取低压操 作、间歇运行、紊流曝气等措施可在一定程度上减缓膜污染和堵塞［1］，在上述基础上，笔者又对在MBR系统中投加粉末活性炭(PAC)的效果进行了研究。

　　1 理论依据

　　1.1膜比通量
　　为比较不同膜面积、不同工作压力下膜的透水特性，引入膜比通量(Specific Flux，SF) 的概念。定义SF是基于在较低压力下工作的膜出水量与膜面积和工作水位差之积的比值，用公式表示如下：
　　SF=Q/(AH)=J/H　　　　 (1)
　　式中　SF——膜比通量，m³/(m²·m·s )
　　　J——膜通量，m³/(m²·s)
　　　Q——膜组件出水量，m³/s
　　　A——膜表面积，m²
　　　H——工作水位差，m
　　1.2 膜通量的基本方程
　　日本学者Shimizu Y.等人分析了膜通量下降的因素，提出了膜通量与膜阻力的关系^{［2 ］}：
　　J＝ΔP/(μ·R_t) (2)
　　式中ΔP——作用于膜两侧的压差，Pa
　　μ——渗透液的粘度，Pa·s
　　Rt——膜的总阻力，m-1
　　膜的总阻力可以表示为：
　　Rt=Rm+Rp+Rc (3)
　　式中Rm ——纯膜阻力，m-1
　　Rp——膜污染阻力，m-1
　　Rc——滤饼层阻力，m-1

　　2 试验方法

　　2.1 小试
　　小试历时4个月，试验装置如图1所示。

　　3 小试结果与讨论

　　3.1 投加PAC对膜比通量的影响
　　投加与不投加PAC对膜比通量的影响见图2。

　　从表1可知：①投加PAC后，膜污染阻力Rp和滤饼层阻力Rc均减小，其中前者降 低了约73%，后者降低了约92.4%；由于两次试验所用的膜相同，纯膜阻力Rm差别很小 ，使得投加PAC后，膜总阻力中主要部分由不投加PAC时的滤饼层阻力和膜污染阻力变成纯膜 阻力，这说明投加PAC对减小膜污染阻力和延缓滤饼层的形成是有效的。②处于稳定运行的M BR，膜表 面泥饼层处于相对稳定状态，其阻力可视为常数。当投加PAC的膜组件膜污染阻力达到(假设 能达到)未投加PAC的膜组件膜污染阻力时，其膜总阻力为纯膜阻力、投加PAC时滤饼层阻力 与未投加PAC时膜污染阻力之和，数值为2.85×10¹² m^-1。此时对应的膜比通量[应用式(2)和式(1)，且设ΔP=9 806 Pa］SF为3.44×10^-6 m³/(m²·m·s)。若以投加PAC后的MBR中比通量随运行时间的日均下降率计，从运行开始到稳定运行阶段需历时161d。根据对投加PAC后MBR中污泥性状的观察，到达此稳定运行阶段之后，通量衰减速度低于未投加PAC的MBR中的通量衰减速度。

　　4 中试试验

　　4.1 投加PAC对混合液COD浓度的影响
　　试验中混合液与出水的COD之差列于表2。

　　从表2可见：投加PAC后膜内外COD之差的平均值降低了很多(约为0 mg/L)。有研究表明 ［1］，MBR系统在遭受COD冲击负荷时，膜出水COD基本不受影响，而系统内 混合液COD增加，同时膜通量迅速降低。这表明混合液与出水的COD之差是通过 膜和膜表面的泥饼层截留作用而减少的，降低此差值对维持MBR的膜通量非常有利。
　　4.2 投加PAC对活性污泥的影响
　　投加PAC通过改善活性污泥絮体及泥饼层的性质来减缓膜通量的下降。在投加PAC后，污泥絮体更易互相吸附、聚集而体积更大、粘性更小，因而其在膜表面形成的泥饼层比较疏松，透水性好。未投加PAC时，手洗膜表面泥饼层发现泥饼有较强的粘性，与膜表面粘附较紧，不易清洗；而投加PAC后的泥饼则比较硬，粘性很小，只需用清水稍冲就可脱落。在投加PAC前后，从膜表面分别取一小块泥饼，将其横、纵断面分别切开(如图3)，取厚度基本相同的小切片在普通显微镜下观察，结果如表3。

　　投加PAC后，泥水混和液及污泥絮体的物理性质、结构有所改变，因而形成的泥饼层性质、结构也与未投加PAC时不同。投加PAC后的泥饼层呈疏松堆积状态，后生孔道更多更大，不易堵塞，因此泥饼层造成的膜阻力大大降低。
投加PAC是通过提高污泥的沉淀性能来改善污泥的泥水分离性。投加PAC后，污泥絮体颗粒变大，SVI值也下降(可达60mL/g左右)，这大大改善了污泥的泥水分离性能，减缓了泥饼的形成。
　　通过上述分析可见，PAC在MBR中可影响泥水混合液各方面的性质，包括污泥絮体的性质、混合液中的有机物浓度、泥水分离性能等，从而引起膜污染阻力、膜表面泥饼结构及该阻力的 有利变化，其宏观结果就是大大减缓了膜通量的下降，使得单位膜面积在膜寿命期内的产水 量大大提高。
　　4.3 PAC的消耗量
　　MBR系统在排泥时会排出部分PAC，为维持反应器内PAC的浓度，需补充PAC。若MBR系统的水力停留时间为6 h，污泥停留时间为30 d，PAC的投加量为2000 mg/L，则处理单位体积水消 耗的PAC量约为16.7 mg/L。

　　5 结论

　　通过小试和中试的研究表明，向MBR系统内投加PAC是降低膜过滤阻力、提高膜通量的有效途径。
　　①在小试中，投加PAC并运行约100d时，膜比通量从未投加PAC时的1.81×10 ^-6 m³/(m²·m·s)增加到5.14×10 ^-6 m³/( m²·m·s)。PAC有效地减小了滤饼层阻力(从原来占膜总阻力的51.3%降到11.6%)，从而说明了投加PAC是使膜比通量增加的实质性原因。
　　②在中试中，向反应器内投加PAC可降低膜内、外COD浓度之差，形成体积更大、粘 性更小、强度更高的污泥絮体，并在膜表面形成更加疏松的泥饼层，大大改善了污泥的可过 滤性，提高了膜通量。
　　③向MBR系统投加PAC后，处理单位体积水消耗的PAC 量约为16.7 mg/L，对运行费用影响不大。

　　参考文献：
　　［1］顾平，姜立群，杨造燕.中空纤维膜床处理生活污水的中试研究［J］.中国 给水排水，2000，16(3):5-8.
　　［2］Yasutoshi Shimizu，Yu-ichi Okuno Katsushi Uryu，Sadami Ohtsu bo，et al.Filtration Characteristic of Hollow Fiber Microfiltration Membrane Bioreactor for Domestic Wastewater Treatment［J］.Wat Res，1996，31(10):2385-2392 .
　　［3］罗虹，顾平，杨造燕.应用序批式膜生物反应器处理生活污水的研究［A］. 全国污水处理除磷脱氮技术研讨会论文集［C］.上海，2000.