添加劑對減緩膜生物反應器中膜污染的作用研究
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楊燕
(上海同濟水處理技術(shù)開發(fā)有限公司，上海200092)
摘要：膜生物反應器( MBR)具有高效、出水水質(zhì)好的特點，在生活污水和工業(yè)廢水處理中得到應用，但膜污染是MBR廣泛應用的主要障礙。通過向膜生物反應器巾投加添加劑，人為改善反應器中活性污泥混合液的性質(zhì)，從而減緩膜污染進程成為一種新興的膜污染控制技術(shù)…總結(jié)近年來對添加劑減緩膜生物反應器巾膜污染的效果和機制的研究，以期找到更有效、廉價的減緩膜污染添加劑。
關(guān)鍵詞：膜生物反應器；膜污染；添加劑
中圖分類號：X703 文章編號：1004-4655( 2016) 02-0099-04
1概述
膜生物反應器( Membrane Bioreactor, MBR)是將膜分離技術(shù)和生物反應器結(jié)合而成的水處理工藝。它用膜分離裝置取代傳統(tǒng)活性污泥法中二次沉淀池，實現(xiàn)對活性污泥、懸浮顆粒物和游離細菌的完全截留。體現(xiàn)傳統(tǒng)生物處理工藝無法比擬的優(yōu)越性，包括：設備和基建成本小，出水質(zhì)量高，除菌效果好，體積負荷率高以及污泥產(chǎn)量少等。然而，在MBR的運行過程中，混合液的大分子物質(zhì)和活性污泥顆粒會沉積在膜的表面和內(nèi)部，導致膜污染，降低膜通量，縮短膜的使用壽命。膜污染是MBR技術(shù)的主要缺點和難題，至今仍是研究與應用的核心問題。
一般認為，膜污染的主要組分來源于生物污泥上清液，膜污染的主要物質(zhì)是細菌細胞所產(chǎn)生的溶解性微生物代謝產(chǎn)物( Soluble Microbial ProduCt,SMP)中的碳水化合物組分[Soluble Microbial Product (carbohydrate)，SMP，]，有研究表明，相對分子量>1 000的有機污染物是造成膜污染的主要因素。此外，MBR中微生物的胞外聚合物( Extracellular Polymeric Substances, EPS)的含量、MBR膜的性質(zhì)如膜材料、膜孔徑親疏水性等都是影響膜污染的重要因素。
在實際應用中，控制膜污染的方法通常有以下5個方面：對進水進行適當?shù)念A處理；采用合理的物理或化學清洗方案；降低通量；增加曝氣量；采用化學或生化方法調(diào)控混合液。其中，投加添加劑調(diào)控混合液減緩膜污染是一條重要且可行的途徑。MBR的工藝流程圖見圖1。
2添加劑種類、效果及機制
目前，調(diào)控MBR混合液所投加的添加劑主要分為填料與吸附劑類和混凝／絮凝劑兩大類。
2.1填料與吸附劑
填料與吸附劑的主要機制是物理吸附、載體等。投加填料，可以強化水力條件，利用填料對膜表面的摩擦，去除膜表面的污泥層。吸附劑可作為微生物載體，為微生物生長提供固體基質(zhì)，減少絮體的破壞，使部分懸浮生長的微生物轉(zhuǎn)為附著生長，降低沉積在膜表面的微生物及其代謝產(chǎn)物數(shù)量。
李紹峰等對比投加聚丙烯半軟性填料的浸沒式MBR和普通浸沒式MBR處理生活污水發(fā)現(xiàn)，兩個膜生物反應器跨膜壓差( TransmembranePressure, TMP)隨著運行時間的變化規(guī)律基本一致，但投加填料改變生物相的種類數(shù)量分配，吸附到膜表面的污泥量與胞外聚合物也下降，延長膜清洗周期。孫選舉等用柔性多孔顆粒為填料組成的復合式膜生物反應器處理滌綸堿減量廢水時發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，投加填料的MBR最終跨膜壓差比普通MBR小28.3 k Pa，高通量運行時，相同壓差投加顆粒填料的MBR通量更大。
羅虹等在MBR處理生活污水的試驗中投加粉末活性炭，出水水質(zhì)好，減少膜阻力，提高膜通量。李紹峰等向MBR反應器中投加粉末活性炭，結(jié)果表明膜組件清洗周期延長，且投加粉末活性炭的反應器中ESP含量、SMP濃度和污泥比阻均低于普通MBR。定量投加粉末活性炭還可以形成生物活性炭( Biologically Activated Carbon，BAC)，吸附和降解溶解性有機物。張鳳君等研究發(fā)現(xiàn)，粉末活性炭的投加使得反應器中EPS含量和黏度均小于未投加粉末活性炭的反應器。對分置式和浸沒式粉末活性炭-MBR復合工藝對比發(fā)現(xiàn)，BAC還有效降低SMP和EPS的含量。
趙玉華等考察發(fā)現(xiàn)，合適粒徑的沸石自身構(gòu)成污泥絮體骨架，改善污泥絮體結(jié)構(gòu)，增強絮體強度，提高對偶氮染料廢水的吸附能力。Lee等研究在MBR中投加鋁鹽和沸石粉末對膜過濾性能的影響，發(fā)現(xiàn)投加沸石粉末后膜通量明顯增加。李洋洋等用投加沸石的MBR處理模擬染料廢水，結(jié)果表明，試驗條件下，投加沸石不但可以減小膜過濾阻力，還提高系統(tǒng)的脫色率。
2.2混凝／絮凝劑
目前應用于MBR中調(diào)控混合液減緩膜污染的混凝／絮凝劑大體分為四類：單體鋁鹽或鐵鹽，如氯化鐵( FeCl3)、硫酸鋁(Al2(SO4)3．nH2O)等；聚合鹽，如聚合硫酸鐵([Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m，PFS）等；天然高分子物質(zhì)，如殼聚糖( Chitosan)等；合成高分子物質(zhì)，如MPE50（NALCO，美國）等。
在以MBR為基礎的試驗中添加硫酸鋁可顯著降低SMP。濃度，同時改善濾膜的水力學性能。雖然氯化鐵的成本較高，但投加氯化鐵的效果比硫酸鋁更好，最近一項研究實例表明定量投加鐵鹽既可控制不可逆污染的發(fā)生，又可控制懸浮液的黏度。在處理模擬印染廢水的試驗中，向膜生物反應器中投加氯化鐵與氫氧化鈉反應形成的氫氧化鐵絮體，其出水COD、染料和氨氮濃度低于普通MBR，且生物鐵MBR污泥所產(chǎn)生的膜阻力遠小于普通MBR污泥。
聚合鹽是常用的聚合金屬鹽類絮凝劑，與傳統(tǒng)絮凝劑硫酸亞鐵、硫酸鋁等相比，具有良好的吸附架橋、電中和絮凝性能，形成絮體速度快、體積大、凝聚物緊密。在MBR長期運行試驗中，最佳劑量下活性污泥比阻力．降低約85%，對于生物活性具有一定的抑制作用，且對混合液SMP的去除能力優(yōu)于傳統(tǒng)絮凝劑。
目前使用的天然高分子絮凝劑主要為殼聚糖，其兼有電性中和及吸附絮凝雙重作用，對無機懸浮固體有很強的絮凝能力，不易產(chǎn)生絮凝惡化現(xiàn)象，能有效改善混合液性能。王剛等在MBR處理生活污水的試驗中投加10 mg.L-1殼聚糖，結(jié)果表明，殼聚糖的投加降低混合液的黏度，增大污泥粒徑，降低反應器中SMP的含量，從而降低膜污染速率。
美國NALCO公司開發(fā)一種基于陽離子聚合物的“膜性能增強劑”MPE50，該聚合物與溶解性有機物（特別是SMP c）之間的相互作用被認為是引起膜性能提高的主要原因。近期有學者對德國BASF公司開發(fā)的新型添加劑BASF-1和BASF-2進行比較測試，發(fā)現(xiàn)BASF-1具有與MPE50相似的效果，但其最佳投加量低于MPE50或?qū)⒊蔀镸BR中更有前途的添加劑。
2.3納米材料
隨著納米技術(shù)發(fā)展，納米材料對生物膜污染的研究也已經(jīng)開始。富勒烯C60能抑制大腸桿菌呼吸活動和附著，同時富勒烯C60減少細菌的Zeta電位和增加細菌的疏水性。Zeta電位的減少和細菌疏水性的增強，正好是減緩膜污染的必要條件，所以富勒烯C60是優(yōu)良的減緩膜污染添加劑，值得進一步研究。
近來，對銀納米粒子的抗微生物和防污效果進行研究。此外，鐵、鎂或氧化鈦和銅納米粒子在水處理及地下水土壤修復中也是熱點之一，可作為MBR的添加劑減緩膜污染。
2.4添加劑對減緩膜污染機制總結(jié)
至此，表1對近年來一些文獻中各種添加劑減緩膜污染效果及機制做個總結(jié)。
3添加劑的研發(fā)方向
目前使用的各種添加劑在一定程度上都能減緩膜污染速率，但也有各種缺陷：投加填料不利于排泥且容易將污泥絮體打碎，對膜生長產(chǎn)生不利影響；投加粉末活性炭、沸石等能降低沉積在膜表面微生物及其代謝產(chǎn)物數(shù)量，但存在再生難的問題；混凝／絮凝劑的投加會對反應器中微生物的活性產(chǎn)生不利影響，對環(huán)境產(chǎn)生二次污染；天然高分子絮凝劑長期運行中被逐漸分解，實際處理效果逐步減弱；合成高分子添加劑商業(yè)應用較少，選擇性小且成本高昂。
雖然有著一些缺陷，但是隨著MBR實際應用工程案例的增多，仍值得從以下方面深入研究通過添加劑控制膜污染的方法。
1)開發(fā)MBR膜污染快速發(fā)展時期的應急添加劑。在部分MBR應用較多的工業(yè)廢水領(lǐng)域（如垃圾滲濾液、印染廢水、石化廢水等行業(yè)），由于水質(zhì)復雜，水量波動大，極易導致污泥性狀惡化。應急投加添加劑，可以快速控制膜污染，避免膜頻繁離線清洗，增強MBR系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連貫性。加大應急添加劑的研發(fā)并盡快在實踐中予以應用，是當前需要特別關(guān)注的。
2)研發(fā)MBR正常運行時的添加劑。MBR正常運行時投加適量添加劑，可以減少膜污染，增大膜通量，延緩膜清洗頻率，延長膜壽命，在減少整體工程項目投資的同時還節(jié)約日常運行費用，是進一步推廣應用MBR技術(shù)的有益補充。
3)深入研究膜污染的機制。根據(jù)膜污染的機制，有針對性地開發(fā)具備某些特殊屬性的添加劑，從研發(fā)的源頭人手，尋找能有效控制膜污染且成本低廉、無二次污染的新型材料添加劑，也是MBR膜污染領(lǐng)域的重要研究方向。
4)研究多種添加劑的組合使用。目前的研究與應用中，多是通過添加單一添加劑控制膜污染，下一步還可深入研究各種添加劑作用于污泥的效果，最終實現(xiàn)多種添加劑的組合使用，在減少藥劑總使用量的前提下取得更佳效果。
5)開發(fā)適用于特定種類廢水的專用MBR添加劑。不同行業(yè)廢水水質(zhì)千差萬別，下一階段還可基于廢水、污泥混合液的不同屬性研發(fā)專用添加劑，實現(xiàn)對MBR膜污染的定向控制。
4結(jié)語
MBR由于其處理出水效果好，污泥產(chǎn)率低、占地面積小等優(yōu)點，已經(jīng)越來越多的在國內(nèi)外污水處理廠中得到應用，所以膜污染的有效控制對MBR的應用有著重要意義。通過向膜生物反應器中投加添加劑，人為改善MBR中活性污泥混合液的性質(zhì)，減緩膜污染進程，有效控制膜污染，值得進一步深入研究。
