胡麗麗,趙秋燕

(合肥城市學(xué)院，安徽 合肥 238079)

近幾年采用膜法凈化污水的理論及應(yīng)用已成為水處理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，然而膜污染一直是限制其推廣的瓶頸性因素.目前，常規(guī)膜組合工藝采用的膜組件靜置于反應(yīng)器中，污泥混合液在膜表面形成的濾餅層被認(rèn)為是引起膜污染的主要原因[1].水流的紊動是水處理生物反應(yīng)器中物質(zhì)和能量傳遞的重要動力因素，不僅影響活性污泥的特性及微生物的生長和代謝能力，同時(shí)也成為水處理生物反應(yīng)器運(yùn)行效果和效能的關(guān)鍵因素[2].

由于水流狀態(tài)決定了活性污泥處理系統(tǒng)中物質(zhì)和能量傳遞的主要功能,因此水力條件對活性污泥處理系統(tǒng)的特性有著重要影響[3].本文采用的旋轉(zhuǎn)膜組件在反應(yīng)器中不僅可以替代傳統(tǒng)攪拌器，使得反應(yīng)器內(nèi)氣相、液相及污泥絮體間的相互碰撞產(chǎn)生不同的剪切作用，強(qiáng)化了系統(tǒng)對污水中各污染物的去除效能，而且膜組件的旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生的離心力會使膜表面沉積的松散濾餅層污泥絮體不斷脫落，濾餅層變薄，有效延緩了膜污染進(jìn)程.

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要有原水箱、高位水箱和生物反應(yīng)器(材質(zhì)均為有機(jī)玻璃)，其中一組生物反應(yīng)器(尺寸為25 cm×25 cm×50 cm)內(nèi)安裝旋轉(zhuǎn)膜組件(反應(yīng)器A)，反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置沿垂直方向延伸的中空轉(zhuǎn)軸，膜組件固定在中空轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)中空轉(zhuǎn)軸以一定速度轉(zhuǎn)動時(shí)，帶動膜組件在反應(yīng)器中旋轉(zhuǎn)，本實(shí)驗(yàn)?zāi)そM件轉(zhuǎn)速采用的是15 r/min.膜組件選用材質(zhì)為300目的尼龍布，有效過濾面積約為0.06 m2.中空轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部固定安裝有一個(gè)同軸設(shè)置的集水管，膜組件過濾后出水進(jìn)入集水管經(jīng)蠕動泵抽吸后排出，曝氣池底部安裝曝氣軟管，經(jīng)空氣泵對反應(yīng)器內(nèi)部提供氧氣，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧含量經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制在2～3 mg/L.曝氣池水力停留時(shí)間為8 h.

1.進(jìn)水泵，2.閥門，3.空氣泵，4.轉(zhuǎn)子流量計(jì)，5.曝氣軟管，6.旋轉(zhuǎn)膜組件，7.集水管，8.中空轉(zhuǎn)軸裝置，9.壓力表，10.出水泵

1.2 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)及污泥特性

實(shí)驗(yàn)用水為人工配置的模擬生活污水：分別選用磷酸二氫鉀提供磷源，氯化銨提供氮源，乙酸鈉提供碳源，投加適量的微量元素及碳酸氫鈉為緩沖物質(zhì).兩組反應(yīng)器原水均來自同一個(gè)進(jìn)水箱，進(jìn)水水質(zhì)相同.原水水質(zhì)：COD為350～400 mg/L，NH3-N為30～40 mg/L，TP為3～5 mg/L，pH為7～8.

接種污泥取自合肥市某污水處理廠曝氣池，連續(xù)悶曝48 h，靜置充分后倒掉上清液，加入人工配置好的模擬生活污水.取100 mL活性污泥靜置0.5 h后，測得活性污泥SV30為20%，沉降性能好，污泥質(zhì)量濃度約4 100 mg/L.活性污泥為黃褐色，在顯微鏡下觀察微生物活性較好.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將接種污泥分別倒入2組反應(yīng)器中，24 h連續(xù)曝氣后充分靜置，將上清液排出，加入人工配置的模擬生活污水進(jìn)行穩(wěn)定培養(yǎng).經(jīng)7 d的培養(yǎng)馴化，活性污泥呈現(xiàn)亮黃色且鏡檢時(shí)微生物較多，各污染物的去除率基本穩(wěn)定在80%以上.如此循環(huán)運(yùn)行，直至污泥質(zhì)量濃度達(dá)到期望值(5 000 mg/L左右)，膜組件表面開始形成一層生物膜，系統(tǒng)進(jìn)入啟動階段.試驗(yàn)運(yùn)行周期為30 d，裝置運(yùn)行期間不排泥.

1.4 分析項(xiàng)目與方法

COD、NH3-N、TP及SVI的測定按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[4]進(jìn)行檢測.溶解氧DO由溶解氧儀(HACH LDO101)測定.污泥粒徑由粒度儀(Malvernsizer 2000)測定.混合液黏度采用NDJ-8S旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定.PCR-DGGE圖譜分析采用美國Bio-Rad Power Pac Basic 電泳儀測定.膜阻力

式中:R為膜阻力，m-1；ΔP為跨膜壓差，kPa；μ0為混合液黏度，mPa·s；J為膜通量，L·m-2·h-1.

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效能的比較

2.1.1 對脫氮除磷及有機(jī)物的影響

脫氮除磷，COD去除效果如圖2、圖3所示.運(yùn)行期間，反應(yīng)器A對NH3-N、TP、COD去除率分別為84.34%、94.76%、96.44%，分別比反應(yīng)器B提高了5.84%、3.96%、3.97%.與反應(yīng)器B相比，反應(yīng)器A中的旋轉(zhuǎn)膜組件除了有固液分離作用以外，還起著攪拌作用.膜組件以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會引起水流的紊動特性.有研究指出水流狀態(tài)會影響活性污泥處理系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的傳遞，從而影響系統(tǒng)中活性污泥的處理效能[5-6].

圖2 脫氮除磷效果對比

圖3 COD去除效果對比

活性污泥系統(tǒng)中混合液的紊動特性會促進(jìn)活性污泥反應(yīng)器中微生物之間互相碰撞、聚集，產(chǎn)生有效碰撞，是形成降解性能良好的活性污泥的首要動力學(xué)因素[7].反應(yīng)器A中旋轉(zhuǎn)膜組件引起的適度紊動可以使活性污泥中微生物、有機(jī)底物和溶解氧三者之間充分混合，有利于促進(jìn)氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞，提高微生物的生長繁殖速度.

2.1.2 變性梯度凝膠電泳分析(DGGE)

物種是構(gòu)成生物群落而組成生態(tài)系統(tǒng)的基本單元，生物多樣性的關(guān)鍵因素取決于遺傳多樣性[8].目前，DGGE技術(shù)已廣泛用于分析自然環(huán)境中古菌、微型真核生物、細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌、真核生物及病毒群落的生物多樣性.通過DGGE分析后得到的指紋圖譜，每一個(gè)條帶代表某個(gè)微生物優(yōu)勢菌群，通過測序和序列比對，可以得出此優(yōu)勢菌群的種類.條帶信號的強(qiáng)弱能夠反映菌種的數(shù)量.

由圖4可以看出，A反應(yīng)器中微生物群落豐富程度整體較高.分析對比條帶發(fā)現(xiàn)，條帶 4、6在A、B反應(yīng)器中均存在，表示該條帶所代表的微生物為A、B反應(yīng)器的共有菌群，通過信號強(qiáng)弱可見即使是共有菌群在不同反應(yīng)器中的優(yōu)勢地位也有差異，如條帶4在B反應(yīng)器中可視為頂級優(yōu)勢菌群，但在A反應(yīng)器中只是一般優(yōu)勢菌群.條帶 1、2、3、6、7 在反應(yīng)器A中信號較強(qiáng).綜合DGGE圖譜分析來看，說明A、B反應(yīng)器污染物去除效能的差異，很大程度上與系統(tǒng)內(nèi)部的微生物群落結(jié)構(gòu)及豐富程度變化有關(guān).膜組件旋轉(zhuǎn)引起的水流剪切力會刺激微生物的呼吸作用，使活性污泥有所增加，改變活性污泥的微生物生態(tài)系統(tǒng)[7].

圖4 DGGE分離圖譜對比

2.2 膜污染控制的比較

2.2.1 對污泥粒徑及污泥容積指數(shù)的影響

活性污泥的粒徑及污泥容積指數(shù)均與膜污染有關(guān).混合液中污泥粒徑的大小不僅影響處理后的出水水質(zhì)，還影響活性污泥顆粒在膜組件表面的沉積，從而影響膜污染進(jìn)程[9].Choi等[10]研究指出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生污泥膨脹時(shí)，膜污染狀況會更嚴(yán)重.Chang等[11]也發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器中污泥膨脹產(chǎn)生的泡沫對膜的污染能力比正常污泥高100倍.

如圖5所示，與反應(yīng)器B相比，反應(yīng)器A中活性污泥顆粒粒徑分布整體向后平移，反應(yīng)器A、B中粒徑小于10 μm的污泥顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為4.13%、5.62%，且污泥平均粒徑分別為92.92 μm 和68.18 μm，這表明在運(yùn)行后期，反應(yīng)器A中活性污泥絮體顆粒的平均粒徑比反應(yīng)器B中的大.圖6表明反應(yīng)器A在運(yùn)行期間污泥容積指數(shù)SVI一直低于反應(yīng)器B，反應(yīng)器A中SVI值在100～150 mg/L波動，反應(yīng)器B中SVI值在110～250 mg/L波動.

圖5 污泥粒徑分布對比

圖6 污泥容積指數(shù)SVI對比

旋轉(zhuǎn)膜組件在系統(tǒng)中引起適度的水流剪切力，會使得活性污泥中微生物的種類和數(shù)量發(fā)生改變，影響活性污泥的碰撞、聚集，以及污泥絮體的形態(tài)、粒徑、孔隙結(jié)構(gòu)、沉降性能、活性、濃度、污染物降解速率等理化特性[12].因此，反應(yīng)器A中有利于形成密實(shí)度更高、沉淀性能更好、活性更強(qiáng)的顆粒污泥.

2.2.2 對膜通量及膜阻力的影響

膜污染，是指在膜過濾過程中，水中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象.膜污染會導(dǎo)致膜通量的降低及膜阻力的增加.膜通量(或稱透過速率)是膜分離過程的一個(gè)重要工藝運(yùn)行參數(shù)，是指單位時(shí)間內(nèi)通過單位膜面積上的流體量，由圖7、圖8可見，運(yùn)行期間，反應(yīng)器A膜通量降低速率、膜阻力增加速率均小于反應(yīng)器 B.反應(yīng)器B在運(yùn)行第17 d時(shí)，由于膜污染較嚴(yán)重導(dǎo)致膜通量較低，對膜組件進(jìn)行了清洗，清洗后的膜通量恢復(fù)率為95.28%.發(fā)生這種現(xiàn)象的可能性原因?yàn)榉磻?yīng)器A中膜組件旋轉(zhuǎn)可以通過產(chǎn)生剪切力來加劇水流紊亂程度來減緩膜污染.膜組件表面形成的濾餅層在離心力的作用下脫落，降低了濾餅層的厚度，進(jìn)而延緩了膜污染進(jìn)程.

圖7 膜通量對比

圖8 膜阻力對比

3 結(jié)論

1)生物反應(yīng)器內(nèi)旋轉(zhuǎn)膜組件增大了水流的紊動特性，直接影響活性污泥的降解性能.適度的紊動會促進(jìn)固相、液相、氣相三者的充分接觸，提高微生物降解污染物的效率.DGGE圖譜表明，膜組件旋轉(zhuǎn)引起的水流剪切力改變了反應(yīng)器內(nèi)的微生物菌群種類和數(shù)量，進(jìn)而影響污染物的去除效能.

2)旋轉(zhuǎn)膜組件引起的水流剪切力能使活性污泥形成密實(shí)度更高、沉淀性能更好、活性更強(qiáng)的顆粒污泥，增大污泥顆粒的尺寸，改善污泥的沉降性能.

3)膜表面的濾餅層會在旋轉(zhuǎn)膜組件引起的離心力作用下松散或脫落，降低濾餅層的厚度，進(jìn)而延緩膜通量的降低及膜阻力的增加速率.