平片式膜生物反应器对抗生素废水的研究
相对于传统的污水处理方法，膜生物反应器(MBR)由于其诸多优势而备受青睐，而与分置式膜生物反应器相比，一体式膜生物反应器又具有运行能耗低、不因循环泵的剪切对污泥絮体产生不良影响等优点。本文采用平片式膜生物反应器对抗生素废水进行了初步研究。
1材料与方法
1.1试验装置与流程
一体式膜生物反应器试验装置与工艺流程如图1所示，该试验装置由生物反应器、一体式膜组件、膜抽吸系统及自动控制等系统组成，其中生物反应器为活性污泥鼓风曝气反应池，有效容积为47L，反应器中间有一隔板，一侧放膜组件，组件下方设有穿孔管曝气，在供给微生物分解废水中有机物所需氧气的同时，在平片膜表面形成循环流速以减轻膜面污染。抽吸系统采用型号BT01-100兰格蠕动泵，对浸没于反应器的膜组件进行抽吸。自动控制部分采用时间控制器对抽吸泵及进水泵进行控制。一体式MBR中的处理水经蠕动泵抽吸进入净水池，净水池的水作为膜冲洗备用。
1.2试验用水
试验用水为上海某制药厂抗生素废水，稀释后的废水基本水质情况如表1，进水经100目筛网过滤后进入反应器。
表1实验用水水水质
1.3试验用膜
试验用膜为平片膜，由中科院上海原子核研究所膜分离技术研究开发中心提供，膜组件自行研制，平片膜材质为PVDF(聚偏氟乙烯)，截留分子量为14万，膜有效面积为0.05m2。
1.4试验方法
1.4.1水通量的测定
水通量的测定由下式得出：
Jθ=Vθ/(A×t)(1)
式中：Jθ—θ℃下所测定的实际膜通量;
Vθ—θ℃下在t时间内实际过滤液体积;
A—平片膜有效面积。
在测定膜水通量时，为了便于比较试验的不同阶段水温所带来的差异，该试验将不同温度测得的数据换算成20℃下的通量值，换算公式为：
J20—Jθ×(ηwθ/ηw20)(2)
式中：J20—换算成20℃时的通量;
ηwθ—θ℃下纯水的粘度;
ηw20—20℃时纯水的粘度。
注：下文中的通量J皆经上式转换为20℃下的通量值。
1.4.2阻力分析方法
膜污染可以分为物理污染、化学污染及生物污染，对于不同的反应器形式、生物的不同生长阶段、不同的组件形式及不同的运行方式，占主导地位的污染形式不同。
在本试验中，膜污染阻力可以分为三部分：一部分为膜固有的阻力(Rm);一部分为泥饼阻力(Rc)，包括浓差极化、膜表面的吸附及沉积等形成的阻力，可以采用水冲洗。海棉擦洗等方法将其除去;另一部分为膜孔的吸附及堵塞阻力(Rf)，这部分阻力可以采用化学清洗等方法全部或部分去除。通过试验测定的有关通量数据，用RIS(resistance一in一series)阻力模型计算出各部分阻力及其所占比例。表达式如下：
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—纯水在2O℃时的粘度(μ0=1.0050×10-3Pa·S);
μ1—膜过滤液粘度。
测定过程如下：
①在不同的抽吸压力下，用新膜对纯水过滤，通过公式(4)计算出膜固有阻力;
②用该膜对反应器混合液进行过滤，利用公式(3)可以得出运行过程中膜总阻力的瞬时值;
③一定时间后，把膜组件从反应器中取出，清水无压力清洗，并用柔软的海绵擦去膜面吸附物，然后对纯水过滤，由公式(5)得到膜孔吸附及堵塞阻力;
④由公式(6)可得膜表面的泥饼阻力。
2结果和讨论
2.1处理效果
用前述工艺流程和试验方法，使用该制药厂的废水处理站的污泥接种半个月后，直接把PVDF平片膜浸没于反应器中以4+6的周期运行(4min抽吸6min停抽)，反应器的运行参数列于表2。
表2膜生物反应器运行参数
在此运行过程中反应器中MLSS的质量浓度经过一段时间后基本维持在15g/L左右，出水CODcr去除率为86%。可见，水中悬浮和溶解的CODcr并没有在MBR中累积。但运行至1月中旬膜出水CODcr与上清液CODcr相比，并没有多大差别，由此可知，PVDF膜所起的作用主要是截留水中悬浮物，使MLSS维持在较高浓度，从而达到高效降解水中有机物的目的。
2.2过滤过程中的阻力分析
2.2.1膜固有阻力的测定
新膜粘结后，放入纯水中浸泡24h以消除环境对膜性能的影响，调节抽吸压力，连续测定5次对应压力下的通量，取其平均值，由公式(4)可以得出，膜固有阻力Rm为1.082×1012m-1。
2.2.2PVDF膜放入反应器后总阻力的变化
为了考察PVDF膜在尽量长时间内运行中阻力的变化，我们把膜组件在设定压力30kPa，ρ(MLSS)为13.8g/L，曝气量为l.45m3/h的条件下放入反应器中进行连续抽吸运行，由图3可知，总阻力经大约25min渐趋稳定，从开始2.81×1012m-1逐渐上升至5.29×1012m-1。也就是，膜固有的阻力从开始占总阻力的98.6%逐渐降低至52.4%。可见，尽管反应器曝气冲刷对减弱悬浮固体向膜面吸附迁移有一定作用，由于很高的悬浮固体浓度，导致较高的粘度(实测粘度高达6.3×10-3Pa·S)，膜污染随时间加剧。
同时，我们也考察厂PVDF膜在设定周期(4min抽吸6min停抽)下运行，其间不进行任何清洗，总阻力的变化规律如图4所示。可见，间歇运行27d，阻力达到5.34×1012m-1。把连续抽吸的25min内阻力变化延长至27d，充分体现了一体式膜生物反应器中间歇运行中曝气冲刷膜面的效果。
2.2.3PVDF膜水力清洗及海绵擦洗后的阻力比较
长期运行过程中，泥饼阻力是导致膜通量下降的主要因素。表3所示，在1d的连续运行过程中，泥饼阻力占总阻力的比例从开始的35.87%上升至94.01%。新开发的PVDF平片膜组件其优点在于能够通过简单便捷的在线海绵擦洗的方法，消除泥饼阻力，从而使水通量迅速恢复接近初始通量。
表3运行过程中阻力分布的分析
在一体式MBR中，泥水混合液处于循环流动状态，在运行过程中，膜表面泥饼层处于一种动态的相对稳定状态，形成膜过滤的主要阻力，并且由于膜的长期使用，形成阻力的因素也具有累积效应;而且，由于化学清洗价格昂贵、操作复杂且不可能完全恢复膜通量。因此，海绵定期在线擦洗对于膜通量的增强非常有利。再者，从长期运行的角度来看，在线擦洗至少可以减弱各种阻力因素的累积，从而具有积极的实践意义。
3结论
①由于膜过滤对混合液悬浮固体的完全截留，尽管原水含有少量抑菌物质，出水CODCr去除率仍可达86%。
②膜组件长时间运行导致膜污染，因此必须对其进行定期的清洗，而平片膜组件具有清洗高效。操作简单的优点。
③平片膜组件只需用简单的在线海绵擦洗的方法，便可以部分恢复膜通量，从而减少价格昂贵的化学清洗，具有相当的实用价值。
④膜性能指标有压力与通量两个变量，而运用RIS阻力模型可以统一两者，因此，在研究膜生物反应器中膜性能时，用阻力这个指标分析是可行的。
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