尼龙滤网防护罩对减缓膜污染的应用范文

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《水处理技术杂志》2015年第十二期

摘要：

以缺氧-好氧平板膜生物反应器（A/O-MBR）污水处理系统为基础，对校园生活污水进行处理，考察了膜污染的状况以及尼龙滤网在延缓膜污染方面的作用。结果表明，尼龙滤网表面形成的自生动态膜层可在一定程度上对膜污染起到延缓作用；平板膜组件经自来水洗-酸洗-碱洗后，膜通量得到有效复原,其中单纯碱洗使膜通量恢复50%左右；尼龙滤网的清洗方式采用大强度的空曝气法，可较为有效的控制滤网表面的污染。

关键词：

A/O-MBR；尼龙滤网防护罩；动态膜；膜污染缺氧-好氧-平板膜生物反应器（A/O-MBR）在污水处理及回用方面应用前景广阔，具有处理效果好、占地面积省及系统稳定性高等特点。但在运行过程中，膜污染导致了出水率降低、膜元件的清洗和膜组件更换频率增多，进而增加运行管理成本，影响膜生物反应器的推广应用[1]。为探讨减缓膜污染的有效措施，利用实验室A/O-MBR对校园生活污水处理进行了研究，在好氧区放置2组平板膜组件，其中1组加设尼龙滤网防护罩。在优化运行工况下分别独立运行2组平板膜组件，考察分析系统运行过程中膜污染的变化情况。

1实验部分

1.1实验材料实验污水取自某校总排污口处。该污水来自校园内的学生宿舍、公共澡堂、学校餐厅等生活设施，属典型的生活污水，COD为221～494mg/L，pH为6.7～7.5，NH3-N、TN、TP的质量浓度分别为24.3～67.6、46.8～89.6、2.43～6.52mg/L。实验接种污泥取自青岛某污水处理厂二沉池，接种污泥的质量浓度约8g/L。

1.2实验装置实验装置采用一体式污水处理实验平台，该平台为钢制结构，由缺氧区、好氧区及清水池（好氧区与缺氧区的体积比为2:1）等部分组成，并通过中控台来控制A/O-MBR系统的进水、出水、曝气、混合液回流及缺氧区的搅拌等操作。实验工艺流程如图1所示。

1.3膜组件实验所采用的膜组件为浸没式平片（板）膜组件（GHM-80-20型），膜元件20片，孔径40nm，有效膜面积16m2，产水量8～13L/d，使用温度5～40℃。将2组浸没式平板膜组件安装在好氧池末端中，其中1组平板膜组件（1#）外加设尼龙网防护罩，防护罩采用不锈钢框架和聚酰胺纤维（俗称尼龙）滤网制作而成，尼龙滤网孔径为筛孔0.38mm；另1膜组件（2#）不设防护罩。

1.4实验方法采用正交实验确定了A/O-MBR系统的优化运行工况，即混合液回流体积比（IR）为200%，HRT为8h，气水体积比（GWR）为25:1（曝气体积流量为20m3/h），同时采用溶解氧仪监测该工况下好氧段、缺氧段DO的质量浓度分别为3～4mg/L、0.23～0.42mg/L。采用恒通量出水方式，在优化运行工况下测定跨膜压差（TMP）、过滤阻力以及膜面胞外聚合物（EPS）含量，对2组膜组件进行比较分析，考察平板膜的污染状况，分析膜防护罩（尼龙滤网）对减缓膜污染的作用；同时，考察平板膜及尼龙滤网防护罩经清洗后膜通量的恢复程度，以膜通量恢复率W表示。

2结果与讨论

2.1膜组件运行情况

2.1.1TMP的变化为考察系统在优化运行工况下的膜污染情况及尼龙滤网防护罩对延缓膜污染的影响，正交实验完成后，将膜从好氧区取出并进行清洗。设计膜通量为0.975m3/h、HRT为8h。在每隔2d的9：00和17：00时观测2组膜分别运行时系统的TMP，取2次数据的平均值作为2组膜的最终TMP。系统TMP变化如图2所示。从图2可知，两膜组件分别运行时，TMP均出现2个不同的变化阶段。1）稳定期。1#膜组件运行前36d，TMP比较平稳，基本保持在7.2kPa；2#膜组件运行前41d，TMP基本稳定在7.6kPa，略高于1#膜组件，主要原因是尼龙滤网表面形成的动态膜具有一定的过滤阻力。2）缓慢增长期。经历了稳定期的初始污染，平板膜孔道出现堵塞，EPS（胞外聚合物）的沉积导致TMP缓慢升高。1#膜组件运行第40－58天以及2#膜组件运行第43－67天的TMP缓慢增长，且2#膜组件持续时间相对较长，表明尼龙滤网表面形成的动态膜延缓了膜污染速率，随着时间的推移和TMP的升高，动态膜TMP增长对系统TMP的增长影响较小，因此在这一阶段出现了2条曲线相交的情况。3）快速增长期。TMP出现了较大幅度的跃升。1#膜组件在运行至第61天之后TMP快速跃升，第73天TMP升至19.3kPa；2#膜组件在运行至第70天后TMP出现跃升，第83天TMP升至19.2kPa。BrookesA等人研究也表明，膜污染一般存在3个阶段，即初始污染、缓慢污染及TMP跃升阶段[2-5]。从本实验3个阶段TMP的变化趋势来看，加设尼龙滤网的2#膜组件运行时，初始污染阶段和缓慢污染阶段持续时间较长，污染速率较1#膜组件缓慢，虽然尼龙滤网表面生成的动态膜使TMP的基数略有增加，但动态膜能够截留部分细小颗粒及溶解性物质，从而缓解膜孔堵塞的速率，起到减缓平板膜污染的作用。

2.1.2膜过滤阻力变化实验完成后将膜片取出，以2#膜组件为例，测定膜本身的阻力Rm、滤饼层阻力Rrf、不可逆污染阻力Rirf及他们之和膜污染总阻力Rt，以考察其内外膜阻力的分布状况，结果见表1。从表1可以看出，膜孔堵塞和凝胶层所造成的内部污染阻力占比最大，这表明内部污染阻力是导致膜污染的主要因素[6-9]；滤饼层所产生的外部阻力占比较小，膜自身阻力占比则最小。相关研究分析可知，动态膜的过滤阻力相较于微滤膜、超滤膜要低2～3个数量级[10-11]。因此本实验中，相对于平板膜的过滤阻力，尼龙滤网表面动态膜产生的阻力较小。在动态膜过滤阻力分布中，滤饼层阻力Rrf占据主导地位，约为90%，这表明由滤饼层引起的污染是造成尼龙滤网污染的主要因素，通过对尼龙滤网进行空曝气清洗可明显恢复其通量；凝胶层和膜吸附阻力仅占总过滤阻力的10%，内部阻力、外部阻力在平板膜和动态膜污染中所占的比重差异较大，这可能是微生物及其代谢物以及一些有机物质对膜基表面产生了改性作用，与动态膜产生的过滤阻力相互抵消的结果[12]。

2.1.3EPS在膜面的分布实验在2次清洗时将2组平板膜的膜面物质进行提取，通过测定水样中的COD来表示胞外聚合物（EPS）活性，分析污泥层与凝胶层中EPS的含量与膜污染的相关性，考察尼龙滤网表面形成的动态膜对平板膜面EPS含量的影响。EPS含量随时间的变化如表2所示。从表2可以看出，2组膜组件的TMP与凝胶层EPS含量变化趋势大致相同，TMP均随凝胶层EPS含量的增加而升高，而污泥层EPS含量与TMP无明显关系，这说明凝胶层EPS含量与膜污染有一定相关性；1#膜组件膜面EPS总含量高于2#膜组件膜面EPS总含量，表明尼龙滤网表面形成的动态膜层可在一定程度上减缓膜污染。增设尼龙滤网的膜组件膜面EPS含量较少，可能是滤网表面形成的自生动态膜上附着了生物层，相当于通过增加生物量以提高微生物的分解速率，一定程度上减少了溶解性EPS（S-EPS）及结合性EPS（B-EPS）的产生量。此外，混合液黏度升高会使污泥絮体较易吸附在平板膜表面，减小了通过曝气产生的水力剪切作用，从而加剧膜污染的程度[13]。较为松散的外层结合性EPS（LB-EPS）中含有较多的结合水，就整个系统而言，动态膜的形成减少了反应器内LB-EPS的含量，从而降低了污泥絮体内结合水的总含量，污泥絮体孔隙率变小，密度变大，沉降性能增强，反应器中活性污泥性质随之改善。

2.2平板膜及尼龙滤网清洗

2.2.1平板膜清洗实验对平板膜进行了2次清洗。清洗方式均为：自来水水洗→酸洗→碱洗。第1次清洗是在正交实验完成后，以更准确地研究优化工况下膜污染的状况；第2次清洗是在全部实验完毕后，通过清洗延长了平板膜使用寿命，同时改善了A/O-MBR运行稳定性。首先将膜从好氧区中取出，观察1#、2#组件中膜片的外观状况，发现1#组件的污染情况比2#严重。2组膜片表面均附着了污泥层，凝胶层则存在于污泥层与膜面之间。如图3所示。清洗完毕后，测定膜通量，考察不同清洗方式对膜通量恢复的贡献率。其中2#平板膜片清洗后通量恢复状况见表3。由表3可知：1）自来水洗对去除膜污染有一定的效果，尽管贡献较小，但可对污泥层和凝胶层结构造成一定的破坏，为下一步酸洗奠定了基础；2）酸洗的膜通量恢复率贡献分别约27.3%、30.2%。主要去除无机污染物；3）碱洗的贡献分别约49.6%、44.7%。碱洗主要去除了EPS等有机物，起到了决定性作用。通量恢复效果较理想。

2.2.2尼龙滤网清洗在选择尼龙滤网的清洗方式时需要考虑滤网表面形成的自生动态膜对出水通量的影响[14]。其表面污染一定程度上能对污染物进行阻挡，从而延缓平板膜的污染进程。由于化学清洗会对尼龙滤网表面形成的凝胶层造成严重破坏，因此，实验运行过程中，采用空曝气清洗法使水流搅动形成错流，对尼龙滤网表面产生一定冲刷作用，从而很大程度地减轻污染，对滤网通量的恢复起到明显的促进作用[15]。实验确定空曝强度为30m3/h，空曝时间约1h。第1阶段正交实验完成后，对尼龙滤网进行空曝气清洗后发现，滤网表面仅有很薄1层糊状物质附着在表面，可能为凝胶层，可见大强度空曝气对控制尼龙滤网表面污染效果明显。这可能是尼龙滤网未直接受到真空泵抽吸，压力较小，其表面污染层不易沉积，且滤网表面较光滑，空曝气对滤网表面污泥层的去除效果显著，因此其污染程度较轻。空曝气清洗完成后，恢复系统的正常运行。尼龙滤网表面又开始逐渐附着新的污泥层，直至构成完整的再生动态膜。比较而言，空曝气清洗方式是控制这种由于浓差极化造成的滤饼层污染的较佳选择。

3结论

实验通过在膜组件上加设尼龙滤网对减缓膜污染情况进行了研究，主要得出以下结论：1）由TMP变化规律可知，加设尼龙滤网的2#膜组件稳定期和缓慢增长期持续时间比1#膜组件分别延长5d和6d，且TMP跃升后增长趋势略缓，虽然尼龙滤网表面的自生动态膜会增大TMP基数，但同时也截留了部分微细颗粒和溶解性物质，从而降低膜孔堵塞的速率，延缓平板膜污染的进程；膜孔的堵塞和凝胶层所造成的内部污染阻力占总阻力约为54.6%，是导致膜污染的主要因素；尼龙网表面形成的动态膜的过滤阻力对平板膜的过滤阻力贡献非常小，其中尼龙滤网滤饼层阻力约为总阻力的90%，作用最大；1#膜组件的膜面EPS总含量高于2#的膜面EPS总含量，表明尼龙滤网表面形成的动态膜层能起到延缓膜污染的作用。2）对平板膜进行了2次清洗。清洗方式均为自来水水洗→酸洗→碱洗，其单独对膜通量恢复贡献率分别约20%、30%、50%左右，碱洗对恢复膜通量起主要作用；采用定时大强度空曝气对尼龙滤网进行清洗，对控制尼龙滤网表面污染效果较为明显。

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作者：刘志强 刘丽 于月怡 程一桥 刘昌浩 单位：青岛理工大学 环境与市政工程学院 青岛房地产实业集团有限公司