污水處理技術(shù)篇：膜生物反應(yīng)器處理抗生素廢水研究
相對于傳統(tǒng)的污水處理方法，膜生物反應(yīng)器（MBR）由于其諸多優(yōu)勢[1]而備受青睞。而與分置式膜生物反應(yīng)器相比，一體式膜生物反應(yīng)器又具有運(yùn)行能耗低[2]、不因循環(huán)泵的剪切對污泥絮體產(chǎn)生不良影響[3]等優(yōu)點(diǎn)。本文采用平片式膜生物反應(yīng)器對抗生素廢水進(jìn)行了初步研究。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)裝置與流程
一體式膜生物反應(yīng)器試驗(yàn)裝置與工藝流程如圖1所示，該試驗(yàn)裝置由生物反應(yīng)器、一體式膜組件、膜抽吸系統(tǒng)及自動控制等系統(tǒng)組成，其中生物反應(yīng)器為活性污泥鼓風(fēng)曝氣反應(yīng)池，有效容積為47L，反應(yīng)器中間有一隔板，一側(cè)放膜組件，組件下方設(shè)有穿孔管曝氣，在供給微生物分解廢水中有機(jī)物所需氧氣的同時，在平片膜表面形成循環(huán)流速以減輕膜面污染。
抽吸系統(tǒng)采用型號BT01－100蘭格蠕動泵，對浸沒于反應(yīng)器的膜組件進(jìn)行抽吸。自動控制部分采用時間控制器對抽吸泵及進(jìn)水泵進(jìn)行控制。一體式MBR中的處理水經(jīng)蠕動泵抽吸進(jìn)入凈水池，凈水池的水作為膜沖洗備用。
1.2試驗(yàn)用水
試驗(yàn)用水為上海某制藥廠抗生素廢水，稀釋后的廢水基本水質(zhì)情況如表1，進(jìn)水經(jīng)100目篩網(wǎng)過濾后進(jìn)入反應(yīng)器。
1.3試驗(yàn)用膜
試驗(yàn)用膜為平片膜，由中科院上海原子核研究所膜分離技術(shù)研究開發(fā)中心提供，膜組件自行研制，平片膜材質(zhì)為PVDF（聚偏氟乙烯），截留分子量為14萬，膜有效面積為0.05m2。
1.4試驗(yàn)方法
1.4.1水通量的測定
水通量的測定由下式得出：
Jθ=Vθ／(A×t)（1）
式中：Jθ—θ℃下所測定的實(shí)際膜通量；
Vθ—θ℃下在t時間內(nèi)實(shí)際過濾液體積；
A—平片膜有效面積。
在測定膜水通量時，為了便于比較試驗(yàn)的不同階段水溫所帶來的差異，該試驗(yàn)將不同溫度測得的數(shù)據(jù)換算成20℃下的通量值，換算公式為：
J20—Jθ×（ηwθ/ηw20）（2）
式中：J20—換算成20℃時的通量；
ηwθ—θ℃下純水的粘度；
ηw20—20℃時純水的粘度。
注：下文中的通量J皆經(jīng)上式轉(zhuǎn)換為20℃下的通量值。
1.4.2阻力分析方法
膜污染可以分為物理污染、化學(xué)污染及生物污染，對于不同的反應(yīng)器形式、生物的不同生長階段、不同的組件形式及不同的運(yùn)行方式，占主導(dǎo)地位的污染形式不同。
在本試驗(yàn)中，膜污染阻力可以分為三部分：一部分為膜固有的阻力（Rm）；一部分為泥餅阻力（Rc），包括濃差極化、膜表面的吸附及沉積等形成的阻力，可以采用水沖洗。海棉擦洗等方法將其除去；另一部分為膜孔的吸附及堵塞阻力（Rf），這部分阻力可以采用化學(xué)清洗等方法全部或部分去除。通過試驗(yàn)測定的有關(guān)通量數(shù)據(jù)，用RIS（resistance一in一series）阻力模型計(jì)算出各部分阻力及其所占比例。表達(dá)式如下：
Rt＝△p／（μ1˙J1）＝Rm＋Rc＋Rf（3）
Rm＝△p/（μ0˙J0）（4）
Rf＝△p／（μ0˙J0）－Rm（5）
Rc＝△p／（μ1˙J1）－Rm－Rf（6）
式中：μ0—純水在2O℃時的粘度（μ0=1.0050×10-3Pa˙S）；
μ1—膜過濾液粘度。
測定過程如下：
①在不同的抽吸壓力下，用新膜對純水過濾，通過公式（4）計(jì)算出膜固有阻力；
②用該膜對反應(yīng)器混合液進(jìn)行過濾，利用公式（3）可以得出運(yùn)行過程中膜總阻力的瞬時值；
③一定時間后，把膜組件從反應(yīng)器中取出，清水無壓力清洗，并用柔軟的海綿擦去膜面吸附物，然后對純水過濾，由公式（5）得到膜孔吸附及堵塞阻力；
④由公式（6）可得膜表面的泥餅阻力。
2結(jié)果和討論
2.1處理效果
用前述工藝流程和試驗(yàn)方法，使用該制藥廠的廢水處理站的污泥接種半個月后，直接把PVDF平片膜浸沒于反應(yīng)器中以4＋6的周期運(yùn)行（4min抽吸6min停抽），反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)列于表2。
從圖2可以看出在此運(yùn)行過程中反應(yīng)器中MLSS的質(zhì)量濃度經(jīng)過一段時間后基本維持在15g/L左右，出水CODcr去除率為86％。可見，水中懸浮和溶解的CODcr并沒有在MBR中累積。但運(yùn)行至1月中旬膜出水CODcr與上清液CODcr相比，并沒有多大差別，由此可知，PVDF膜所起的作用主要是截留水中懸浮物，使MLSS維持在較高濃度，從而達(dá)到高效降解水中有機(jī)物的目的。
2.2過濾過程中的阻力分析
2.2.1膜固有阻力的測定
新膜粘結(jié)后，放入純水中浸泡24h以消除環(huán)境對膜性能的影響，調(diào)節(jié)抽吸壓力，連續(xù)測定5次對應(yīng)壓力下的通量，取其平均值，由公式（4）可以得出，膜固有阻力Rm為1.082×1012m-1。
2.2.2PVDF膜放入反應(yīng)器后總阻力的變化
為了考察PVDF膜在盡量長時間內(nèi)運(yùn)行中阻力的變化，我們把膜組件在設(shè)定壓力30kPa，ρ（MLSS）為13.8g／L，曝氣量為l.45m3／h的條件下放入反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)抽吸運(yùn)行，由圖3可知，總阻力經(jīng)大約25min漸趨穩(wěn)定，從開始2.81×1012m-1逐漸上升至5.29×1012m-1。也就是，膜固有的阻力從開始占總阻力的98.6％逐漸降低至52.4％。可見，盡管反應(yīng)器曝氣沖刷對減弱懸浮固體向膜面吸附遷移有一定作用[4]，由于很高的懸浮固體濃度，導(dǎo)致較高的粘度（實(shí)測粘度高達(dá)6.3×10-3Pa˙S），膜污染隨時間加劇。
同時，我們也考察廠PVDF膜在設(shè)定周期（4min抽吸6min停抽）下運(yùn)行，其間不進(jìn)行任何清洗，總阻力的變化規(guī)律如圖4所示。可見，間歇運(yùn)行27d，阻力達(dá)到5.34×1012m-1。把連續(xù)抽吸的25min內(nèi)阻力變化延長至27d，充分體現(xiàn)了一體式膜生物反應(yīng)器中間歇運(yùn)行中曝氣沖刷膜面的效果。
2.2.3PVDF膜水力清洗及海綿擦洗后的阻力比較
長期運(yùn)行過程中，泥餅阻力是導(dǎo)致膜通量下降的主要因素。表3所示，在1d的連續(xù)運(yùn)行過程中，泥餅阻力占總阻力的比例從開始的35.87％上升至94.01％。新開發(fā)的PVDF平片膜組件其優(yōu)點(diǎn)在于能夠通過簡單便捷的在線海綿擦洗的方法，消除泥餅阻力，如圖4，從而使水通量迅速恢復(fù)接近初始通量。
在一體式MBR中，泥水混合液處于循環(huán)流動狀態(tài)，在運(yùn)行過程中，膜表面泥餅層處于一種動態(tài)的相對穩(wěn)定狀態(tài)，形成膜過濾的主要阻力，并且由于膜的長期使用，形成阻力的因素也具有累積效應(yīng)[5]；而且，由于化學(xué)清洗價格昂貴、操作復(fù)雜且不可能完全恢復(fù)膜通量[6]。因此，海綿定期在線擦洗對于膜通量的增強(qiáng)非常有利。再者，從長期運(yùn)行的角度來看，在線擦洗至少可以減弱各種阻力因素的累積，從而具有積極的實(shí)踐意義。
3結(jié)論
①由于膜過濾對混合液懸浮固體的完全截留，盡管原水含有少量抑菌物質(zhì)，出水CODCr去除率仍可達(dá)86%。
②膜組件長時間運(yùn)行導(dǎo)致膜污染，因此必須對其進(jìn)行定期的清洗，而平片膜組件具有清洗高效。操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。
③平片膜組件只需用簡單的在線海綿擦洗的方法，便可以部分恢復(fù)膜通量，從而減少價格昂貴的化學(xué)清洗，具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價值。
④膜性能指標(biāo)有壓力與通量兩個變量，而運(yùn)用RIS阻力模型可以統(tǒng)一兩者，因此，在研究膜生物反應(yīng)器中膜性能時，用阻力這個指標(biāo)分析是可行的。
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