自生动态膜生物反应器影响因素的研究进展

  
 

SFDMBR一般都采用气升式流化床反应器的形式.动态膜过滤还可以与SBR工艺相结合,间歇曝气延长了过滤时间,总氮的去除率达到70%以上[8].
    1.1　膜组件的外形
    将微网材料包裹于固定支架上就构成了膜组件.绝大多数膜组件都采用平板式外形,也有采用管式膜组件的.在低通量20.8~45.8 L/(m2·h)下运行时,管式膜组件的过滤压力和平板膜组件基本相等,但当通量升高到72.1 L/(m2·h)时,比平板膜组件运行更加稳定[9].
    1.2　微网材料
    1.2.1　微网材料的种类
    制作膜组件的微网材料对动态膜的过滤性能产生很重要的影响[10],微网材料不同将影响动态膜的形成过程、稳定性能、污染特征及处理效果.材料表面越致密,所形成的动态膜也越致密且其分离性能也相对较好,但出水通量会随之下降.在选择时应从材料的强度、热稳定性、化学稳定性、耐污染性能、产水性能、使用寿命、膜造价等方面进行技术分析和经济性评价来确定[11].
    无纺布具有独特的空间网状结构,其过滤性能明显高于其它材料,其作用有两方面:一是扩散、惯性力、重力等作用使小粒径物质粘附于滤布表面,起到表面过滤的作用;二是依靠无纺布过滤材料内部多微孔阻截作用,使各种微小粒子在过滤介质的纵深方向被捕获,起到深层过滤的作用[12].实验表明四种不同规格的无纺布构成的动态膜对浊度的去除效果无明显差异,喷丝密度较小(30 g/m2)的无纺布构成的动态膜的阻力增长缓慢,能保持较高膜通量40 L/(m2·h)以上[13].
    纺织品主要有筛绢、筛网等.筛绢和筛网通常由化学纤维制成,属于平面编织材料,孔隙比较均匀,表面光滑平整,通常用于化工分离操作中的筛分过滤.尼龙筛网具有质地坚韧、不易破损及清洗再生容易的突出优点[14].
    采用无纺布或纺织品作微网材料的最大问题是强度较差[15],金属丝网(一般采用不锈钢丝网)的强度要好得多,因此应用越来越广泛[16],但也有作者认为不锈钢丝网在膜组件的构建中不具有良好的适用性[17].
    近年出现了玻璃纤维编织管做微网材料,稳定过滤期内膜出水浊度都在1 NTU以下,但通量只有6 L/(m2·h)左右[18].
    有些研究者比较了不同微网材料的性能.在相同的运行周期下,耐污染程度:聚酯无纺布>聚丙烯无纺布>聚酯筛网>聚酰胺筛网[19].孔径100μm的涤纶筛网和单滑面无纺布在膜组件的构建中具有良好的适用性,双滑面无纺布不如孔径100μm的涤纶筛网和单滑面无纺布[17].
    1.2.2　微网材料的孔径
    一般来说,孔径的改变会使动态模形成过程遵循不同的过滤模型,过滤阻力会相应变化而影响出水的通量和水质[20].实验证明,孔径达到一定程度(>200μm)的微网材料表面形成的动态膜无法有效去除SS,而在一定的孔径范围内(<100μm),出水水质并无太大的区别,故普遍认为孔径为80 ~100μm微网材料是比较合适的[14].微网材料孔堵塞产生的过滤阻力是通量下降的主要因素.因此,选择合适的孔径对降低膜污染十分必要[21].
    1.3　挡流板
    早期的SFDMBR和小试反应器内一般不设挡流板[22].但中试装置和实际工程中如果不设挡流板可能容易造成反应器内存在曝气“死区”,反应器内混合液流态不均匀.
    反应器内设单挡流板,将反应器分成升流区和降流区.通过曝气一方面使活性污泥混合液维持一定的循环流速,同时确保网表面能够形成一定厚度的动态膜;另一方面供给微生物分解污水中有机物所需的溶解氧[23].设单挡流板可能会出现水力短路,而且污泥在膜表面堆积,使得营养物不能与污泥充分接触,处理效果下降,而设双挡流板较好地解决了这些问题[24,25].
    内循环DMBR实际上是在膜组件外部设置了圆柱形挡流板,膜组件放置在内筒中,提高了膜表面的错流速度,促进反应器内的流态均匀性[26].
    2　自生动态膜-生物反应器的操作方式
    2.1　过滤方式
    动态膜中的污泥层是过滤介质的主体[27].泥饼过滤可以分为死端过滤和错流过滤.死端过滤很容易在过滤介质表面形成滤饼,使透过液通量迅速衰减,故一般用于低浓度流体的过滤.但也有相反的研究结果,认为死端过滤在恒定跨膜压差操作条件下,通量降低较慢[28].现在SFDMBR几乎都采用错流过滤.错流过滤所产生的流体剪切力和惯性提升力可以促进膜表面被截留的物质向主体流体的反向运动,从而提高过滤速度.
    2.2　曝气强度与错流流速
    错流流速主要取决于曝气强度的大小.在SFD-MBR常见的曝气强度范围内,膜面错流速度随曝气强度的增加可以看作是线性增加;在曝气强度不变的情况下,反应器内部结构显著影响流速的变化[29].曝气量越小,出水浊度降低越快;曝气量大,膜面错流速度加大,使得污泥颗粒很难沉积在膜表面,从而影响泥饼的形成,出水浊度一直很高[30].当错流流速较小时,动态膜结构松散,单位厚度动态膜截流效果差;当错流流速较大时,减轻了浓差极化,减少了大颗粒物在膜表面的沉积,形成的动态膜结构比较致密,虽然较薄,但具有良好的截流效果.反应器在恒流状态下,增大错流流速会降低通量衰减的起始速率,增大了运行末期的通量[31].
    曝气强度和错流流速对动态膜的结构和过滤性能的影响是多方面的,与实验装置和控制条件也有一定的关系.但对于延长系统稳定运行的时间,即使在缺氧条件下,保持一定的错流流速也是必要的[32].但曝气强度也不是越大越好,一定污泥浓度下存在一个合适的曝气强度[33],曝气强度过大不能形成截留性能良好的动态膜[34].
    2.3　出水控制
    研究采用的出水方式包括重力自流出水与泵抽吸出水方式.重力自流出水方式适用于动态膜过滤阻力不高的情况.泵抽吸可以实现恒压或恒流操作,当动态膜过滤阻力比较高,水头差(WHD)不足以维持一定通量时,宜采用泵抽吸出水.范彬[7]认为增加WHD显著缩短稳定运行的时间,董滨[35]认为WHD还需要达到一定的临界值才能使微网材料表面快速形成有效的动态膜.
    2.4　膜通量
    膜通量对动态膜的过滤性能有重要影响[36],通量过大则膜污染发展迅速,过小则需要更大的膜面积.采用新型材料的SFDMBR能够长期稳定运行,在高达40 L/(m2·h)的通量下稳定运行33 d后仍有稳定运行的潜力[37].高松[38]建议操作采用大的初始通量和小的后续通量,前者可有效形成动态膜,后者则缓和动态膜的堵塞从而达到稳定出水.但吴季勇[39]认为在动态膜的形成过程阶段,应保持较低的膜通量,而较高的膜通量可能导致动态膜无法形成.动态膜同样存在一个临界通量,一旦运行膜通量高于这个临界值,膜阻力会迅速上涨.
    2.5　过滤阻力
    采用侧方曝气且过滤基材为微网材料的自生动态膜过滤阻力很小.固体停留时间(SRT)和水力停留时(HRT)分别为40~47 d和3.5 h,膜通量为14.9 L/(m2·h)的情况下反应器能够平稳运行45d,液位差基本维持在10 mm以下[3].Libing Chu等[3]的研究表明,动态膜的过滤阻力比微滤/超滤膜要低2~3个数量级,滤饼层阻力是主要过滤阻力,凝胶层以及膜的吸附堵塞阻力在总阻力中约占14%.
    3·反应器内活性污泥的性质
    活性污泥性质与动态膜形成、反应器的运行以及膜污染过程密切相关.动态膜的截留作用使得SFDMBR成为一对微生物来说相对封闭的系统,其性质必然与开放式的传统活性污泥工艺有所不同.
    3.1　污泥浓度
    SFDMBR象MBR一样实现了SRT和HRT的分离,可以在反应器内维持较高的污泥浓度.筛网过滤器甚至可以作为污泥增稠的设施[40].污泥浓度对动态膜系统的影响主要表现在影响动态膜的出水通量、出水水质和运行周期,具有一定的复杂性.
    在相同的WHD下随着污泥浓度的升高,出水通量减小,出水浊度升高.可能的原因是在高MLSS浓度下,絮状颗粒可以絮凝为更大颗粒,絮状颗粒的增大可以减少颗粒透过膜孔的可能性,并且在动态膜表面形成良好的滤饼层,使得通量减小.高污泥浓度亦使反应器内小颗粒絮体增多,穿过膜孔的可能性增大.污泥浓度的升高影响污泥的活性、黏性等性质,进而影响动态膜的结构、透水性及过滤阻力[41].采用无纺布做微网材料,进水化学需氧量(COD)约300 mg/L,当污泥浓度低于7.5 g/L时,比通量和污泥浓度成反比,出水COD低于60 mg/L[42].
    3.2　固体停留时间
    Moghaddam[43]等用稀释50倍的人工培养基作为进水,总有机碳约100 mg/L,SRT在10 d和30 d时,在4个月的运行时间里SS分别不超过8 mg/L和10 mg/L,没有出现膜堵塞问题.当SRT长达75d时观察到膜堵塞,跨膜压差升高,出水水质下降.
    3.3　污泥粒径
    采用工业滤布制成膜组件,发现膜表面污泥的粒径远小于反应器内污泥粒径,表明直径较小的污泥容易附着在膜表面,但二者均大于接种活性污泥粒径.一般认为,相对于传统的活性污泥系统,MBR中污泥絮体的粒径要小,而该实验测定的结果却相反,分析原因是由于生活污水的SS含量较高[44].出水中颗粒物粒径分布范围明显比原水中窄,说明动态膜对颗粒物有较好的截留作用[45].
    3.4　F/M值
    F/M值对污泥絮体的性质有重要影响.根据MBR中的观测结果,F/M值越高,中等和大的絮体越多,小絮体越少[46].Fuchs[47]等采用30μm的尼龙筛网构成筛网过滤-活性污泥装置,污泥絮体越大,出水水质越好.在某种程度上,当F/M值达到0.18和单位活性污泥总量的BOD5为0.3 g/(g·d)时,出水SS < 7 mg/L;F/M值很低时出水水质明显下降.
    3.5　胞外多聚物
    胞外多聚物(EPS)构成生物絮体如生物膜,对活性污泥的生物絮凝、沉淀和脱水性能有重要影响,而且在MBR中引起膜污染[48].EPS导致滤饼层的形成,这和可逆污染有关;溶解性微生物产物和不可逆污染有关.然而,也有人认为EPS对膜污染并没有明显影响[49].筛网过滤MBR在运行的42 d内进行完全厌氧处理,EPS随时间下降[50].
     4　结语
    2000年之前我国学者几乎没有从事SFDMBR技术研究的,2000年之后我国学者发表的论文逐渐增多,到2003年已经超过了国外学者发表的论文数,说明这是一项比较适合我国国情的技术.但SFDMBR也面临一些问题:(1)在不进行膜污染控制的情况下动态膜高效稳定运行的时间还不太长;(2)影响SFDMBR处理效果的因素较多,操作要求较高;(3)缺乏成熟的工业化产品.解决这些问题、对上述影响因素的进一步研究、与其他处理技术相结合,可能是SFDMBR今后的发展方向。