抑制MBR膜污染强化技术研究

第３８卷第２期６２０１２年２月水处理技术ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＯＦＷＡＴＥＲＴＲＥＡＴＭＥＮＴＶ０１．３８Ｎｏ．２Ｆｅｂ．。２０１２抑制ＭＢＲ膜污染强化技术研究尤朝阳，刘志寅，黄刚华，田英（南京工业大学环境学院，江苏省工业节水减排重点实验室，江苏南京２１０００９）摘要：膜污染是膜生物反应器工艺中普遍存在的问题，是影响稳定运行的关键因素。介绍了国内外控制膜污染强化技术的最新研究进展，包括膜自身性质的改进、污泥混合液特性的改善、膜组件及反应器结构的优化、工艺运行条件的优化、组合工艺的运用及膜清洗技术的发展。关●陶：膜生物反应器；膜污染；防治；强化技术中图分类号ｚＴＱ０２８．８文献标识码：Ａ．文章编号：１０００．３７７０（２０１２）０２—０００６－００５膜生物反应器是一种将膜的高效分离技术与生化反应作用相结合的新型水处理技术，具有处理效率高、污泥停留时间（ＳＲＴ）长、比负荷率（Ｆ／Ｍ）低、剩余污泥少等优点，基本上解决了传统活性污泥法所存在的问题。但是在其运行过程中也存在着不可避免的问题膜污染，膜污染已成为限制ＭＢＲ水处理技术推广应用的主要障碍。近年来，材料科学、生物科学、化工、计算机等相关领域的进步，推动了膜污染控制技术的发展。发接枝聚合亲水性聚乙二醇甲基丙烯酸酯（ＰＥＧ．ＭＡ），再通过相转变法制备具有亲水特性的ＰＶＤＦ分离膜。接枝后的ＰＶＤＦ膜接触角降低到４２０，表现出很好的亲水性和抗污染性能。赵翌帆等【２ｊ以电子束辐照为引发手段，采用丙烯酸／苯乙烯磺酸钠ＡＡｃ／ＳＳＳ混合单体接枝改性ＰＴＦＥ膜表面。通过一步接枝的方法对ＰＴＦＥ膜表面进行亲水化改性同时引入磺酸基团，显著提高了膜表面的亲水性。Ｏｎｉｓｈｉ等１３］使用亲水性的聚２甲氧基丙烯酸酯接枝聚丙烯制备１膜材料的强化技术聚砜（ＰＳＦ）、聚丙烯腈（ＰＡＮ）、聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）、聚醚酮（ＰＥＫ）、聚醚砜（ＰＥＳ）等多种特种工程高分子材料制成的膜表面亲水性｝匕较差，被分离物质在疏水表面易产生吸附，易造成膜污染，成为膜技术进一步推广应用的阻碍。因此，只有通过膜材料改性的微孔膜，不吸附蛋白质，有效地减缓了吸附陲污染的发生。刘建超等问对紫外诱导移植法改性聚丙烯膜，发现膜表面的接触角明显下降，说明膜表面亲水性显著增强，并制备了具有多种亲水性和抗菌性的膜。来控制膜与渗透物间的亲和性，才能达到渗透性与选择性的统一。目前，几种最常用的膜材料改性方法有等离子体改性法、表面活性剂改性法、酶改性法、紫外辐照法、高分子合金法和表面化学反应法。改性膜材料的１．２膜的物理改性物理改性分为膜材料的物理改性和膜结构的改性。膜材料的改性即膜材料与其它聚合物实施物理共混，改善膜的亲水性能，也是改善高分子材料性质简单而有效的方法。而膜结构的改性即膜表面的荷电性、膜孔径大小及膜表面粗糙度等。宋来洲等【珂成功的将具有螯合配位作用的ＤＴＰＡ与ＰＶＤＦ共混，制备了ＰＶＤＦ改性分离膜。结果表明，ＰＶＤＦ改性膜的吸附／脱附性能优良，经吸附／脱附４次循环后，其对Ｃｕ２＋吸附量大于０．０２６ｍｇ・ｃｍ。２，脱附率仍超过方法很多，可分为化学改陛、物理改性和生物改性。１．１威的化学改性化学改性又有膜材料化学改性和膜表面化学改性等。膜材料化学改性包括材料的共聚、接枝、用化学方法赋予亲水基团等。膜表面化学改性包括含官能团的聚合物薄膜涂覆、等离子体表面聚合改性、界面缩９５％。湛含辉【６喇用无皂乳液聚合法将ＡＡ与ＭＭＡ单体与ＫＨ．５７０分子链上的双键进行聚合，合成双亲性纳米ＴｉＯ：复合体，用于改性ＰＶＤＦ超滤膜，改聚等方法。王文才等ｆ１】对溶解在Ｎ一甲基吡咯烷酮中的聚偏氟乙烯进行处理引入过氧基团，然后通过热引收稿几期：２０１１．０７．１８性膜通量、截留率可分别达到８０札・Ｃｍ之・ｈ。和基金项目：江苏省环科院重点实验审开放摹金（ＫＦ２０１０００１）；江苏省建设厅研究基金（ＪＳ２００８ＪＨ０５）；江苏省环保厅重点科技示范项目（２００９０２３）；南京工业大学青年教师基金重点项目作者简介；刘志寅（１９８６一），男・硕士研究生。研究方向为污水处理；Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｚｈｉｙｉｎ０３３４０６１＠１６３。ＣＯｌｒｌ万方数据尤朝阳等，抑制ＭＢＲ膜污染强化技术研究８０％以上。此外，合理设计膜丝的膜孔径、长度、直径及松弛度可以有效地减缓膜污染。Ｙｏｏｎｔ７】认为膜丝过长的膜组件，曝气产生的气泡在上升过程中易凝结成大气泡，减弱了膜组件上端的清洗效果。卜庆杰【８】的试验表明对于减轻膜污染而言，膜丝长度为０．４７ＭＢＲ中对阿特拉津的生物强化处理效果，阿特拉津平均出水质量浓度为０．８４ｍｇ・Ｌ＿ｌ，平均去除率为９５％。生物强化ＭＢＲ的ＣＯＤ平均出水为６５９７％，最大氨氮去除负荷为１４３ｍｇ・Ｌ－１．ｄ．１。ｍｇ・Ｌ～，氨氮平均出水质量浓度为ｌｌｌｍｇ－Ｌ－ｉ，平均去除率为２．１．２投加生物表面活性剂生物表面潘ｆ生剂具有和化学表面活性剂相同的性质，如降低表面界面张力、润湿和穿透性、乳化分散性等，但相比之下，还有许多优势：（１）重金属离子浮ｍ膜组件的临界通量区高于膜丝长度为０．２、ｍ的膜组件。Ｃｈｏｉ等［９１比较了聚四氟乙烯０．６、０．７（ＰＴＦＥ）、聚碳酸酯径迹蚀刻（ＰＣＴＥ）和聚酯径迹蚀刻（ＰＥＴＥ）３种有机膜的过滤性能，结果表明表面粗糙度较高的ＰＴＦＥ膜总过滤阻力最高。迸；（２）促进疏水性有机物的降解；（３）增强疏水性有机物的亲水性。生物表面活性剂用于环境污染治理方面可生物降解有机物不会造成再污染。周素蕾等ｆ，习对生物表面活性剂茶皂素作为离子浮选剂去除废水中镉离子的能力进行了研究，在最佳影响因素时去除率达到８５．８７％。邬思丹等［１６１研究了不同浓度表面活性剂Ｔｗｅｅｎ－８０对污泥生物淋滤过程中重金属Ｃｕ、Ｚｎ溶出效果的影响。Ｔｗｅｅｎ．８０最佳投加量为６．０ｇ・Ｌ－１，这时元素硫的生物氧化率显著提高，污泥酸化加快，经过８ｄ的淋滤，Ｃｕ和Ｚｎ的淋滤效果达到最佳，溶出率分别为９１．９％和９０．４％，而对照组在第１０天淋滤效果达到最佳，分别为８０．１％和８５．２％。１．３膜的生物改性吸附、包埋、共价交联、微束等固定化酶技术的迅速发展，改变了酶工程学的面貌。酶膜反应器将膜作为固定化酶载体，能有效地将酶固定，实现产物的原位分离，消除位阻效应和抑制效应，且可连续操作便于放大，易溶解膜表面的ＥＰＳ，很好的抑制膜污染。Ｌｅｅ等ｆｌｏ／用特定的酶（Ｌａｃｔｏｎａｓｅ和Ａｃｙｌａｓｅ）将这类自聚物作为底物，通过淬灭这种物质以减少膜表面牛物膜的生长，从而减轻膜污染。试验表明，在膜材料表面用这些酶修饰可以在恒流过滤条件下有效减少ＴＭＰ的增长。还采用磁性载体固定化酶或者强化膜表面改性，可延长酶的活性从而极大减轻生物膜污染。Ｅｄｗａｒｄｓ等１１１ｌ把多酚氧化酶固定到聚砜毛细管膜上，虽然酶活有所降低，但酶膜生物反应器表现出了良好的氧化能力，而且很容易把产物从污水中分离出来。Ｊｏｌｉｖａｌｔ等旧报道了固定化漆酶在酶膜生物反应器中分解污水中苯基尿素杀虫剂，固定化后酶活更加稳定，处理能力更强。２．１．３投咖＿Ｉ制荆酶制剂的应用是当前水处理技术的主要发展方向之一。酶制剂有多种类型，将它们应用到有机工业废水处理系统中可以明显提高难降解有机物的去除效率。Ｓａｒａｎｔｉｌａ等旧用漆酶处理树木剥皮工业废水，漆酶对去除废水中的木质素衍生物、单宁、酚醛化合物等有毒物质有良好的效果。刘亚【博】采用连续流活性污泥系统处理模拟聚乙烯醇（ＰＶＡ）废水，对比了投加复合酶生物促进剂的加药系统与对照系统对ＰＶＡ降解效果的差异。结果表明，投加复合酶生物促进剂平均ＰＶＡ去除率为９４．４％，平均ＣＯＤ去除率为９２．８％，对照系统分别提高了２．１％和２．６％。Ｍｏｌｏｂｅｌａ等【１９】利用２种酶Ｐｒｏｔｅａｓｅ和Ａｍｙｌａｓｅ降解微生物Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｆｌｕｏｒｅｓｅｅｎｓ的胞外聚合物，结果表明Ｐｒｏｔｅａｓｅ的降解效果更好。今后可以利用酶反应去除ＭＢＲ中的生物膜污染。２对污泥混合液的强化处理技术２．１污泥生物曩化除污技术２．１．１投咖生物茸剂优势菌技术是指通过富集、分离、筛选等步骤从自然界中找到降解某种污染物的最佳微生物，扩大培养后再投入到受污染环境中。蔡天明［１３１初步将一种脱氮除磷菌鉴定为Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｇｒｉｍｏｎｔｉｉ，命名为Ｃ１８。菌株Ｃ１８在好氧培养２４ｈ后，培养基中上清液磷质量浓度从３８．７ｍｇ・Ｌ‘１降到２．２８ｍｇ・Ｌ～。Ｃ１８２．２投加化学卅Ｉ一或者颗粒物质在活性污泥中添加吸附剂或混凝剂能够降低溶解质和胶体浓度或者增加其絮凝能力，从而延缓膜污染以及防止丝状菌膨胀造成的膜污染。目前使用的絮凝剂主要是铝盐和铁盐等。杨静等阅研究了不同投加在缺氧培养２４ｈ后，磷质量浓度从４４．５ｍｇ・Ｌ１降低到５．２１ｍｇ・Ｌ－１：上清液硝酸盐氮质量浓度从１８４．２ｍｇ・Ｌ。降低到３０．６ｍｇ・Ｌ－１，脱氮率达８３．４％。近年来，基因工程技术迅速发展。基因工程菌是将已有高效降解菌通过诱变或基因重组、原生质体细胞融合等技术制成新型工程菌，并通过分离、筛选，扩大培养后投入到受污染环境中。刘春等㈣考察了基因工程菌在量的氢氧化铁絮凝剂对减缓膜污染的效果，．发现当投加量在３％～５％时的生物铁具有良好的絮状结构，有效地缓解了膜孔堵塞及滤饼层阻力的增加。Ｋｙｕｎｇ等鲫万方数据８水处理技术。第３８卷第２期对比了硫酸铝和三氯化铁对ＭＢＲ的膜污染的影响，考虑到除磷ｐＨ范围和比阻，在２００－－一５００ｍｇ・Ｌ。的投加量范围内硫酸铝的效果较好，三氯化铁虽然对降低比阻较有效，但是会引起明显的ｐＨ的下降。一些研究发现利用颗粒物质摩擦撞击膜片可以减缓膜污染。ＳｔｅｆａｎＫｒａｕｓｅ［＂ｌ在活性污泥中加入颗粒物质（粉料），经过８个多月的实验，膜组件的渗透性能保持不变，通量可以达到４０Ｌ・ｍ－２０ｈ－－以上。马金霞［２３１考察投加ＧＡＣ对ＭＢＲ系统过滤特性的影响。结果表明，运行３０ｄ后，未投加和投加ＧＡＣ的’ＭＢＲ系统的膜通量分别降至初始的３１．３％和９１．７％：ＡｋｒａｌｎａｎｄＳｔｕｃｋｅｙｔ２４］发现当ＰＡＣ投加量为１．６７滤性能，发现随着污泥平均粒径的减小，膜过滤阻力逐渐增大。朱彤等［３０ｌ发现污泥平均粒径最大时ＴＭＰ最小，且此时混合液中０．４ｄ的微粒子比例最小。３反应器及工艺条件的优化技术３．１膜组件及反应■的优化３．１．１虞组件的位１变换与形状改进一些研究通过改变膜片的位置、形状、张紧度、填充度，来抑制膜污染。魏志刚等叫肾膜组件倾斜３００／０放置，曝气气泡可以冲刷到整个纤维膜，提高了气泡的冲刷效率，加速了滤饼层的脱落。陈强等ｐ２］采用新型海藻式膜生物反应器处理印染废水效果良好，出水浊度低于０．３ＮＴＵ，对ＣＯＤ、ＢＯＤ、色度、氨氮、ＴＮ的去除率ｇｏＬ－ｉ时，对胶体和溶解性微生物产物（ＳＭＰ）具有双重吸附作用，在膜表面形成了很薄的滤饼层，从而使得膜通量从２Ｌ・ｍ－２．ｈ。增加到了９Ｌ・ｍ－Ｚ，ｈ～。但是当投加量为３４ｇ・Ｌ。时，膜通量又下降到５Ｌ・ｍ－２．ｈ～。这说明投加量有一个最佳值。还有一些研究投加大的颗粒物，杨期勇１２５１发现颗粒填料复合式膜生物反应器ＨＭＢＲ可以显著减缓膜污染，当膜通量分别为３．０、４．５、６．０更有效。也有学者发现１００％张紧度的比９６％张紧度的膜组件的ＴＭＰ增加快［９１。张建中ｐ３［贝ｊｊ采用膜动式膜生物反应器处理生活污水，驱动装置驱动膜组件使膜组件在水中转动或者摇动，这样微生物很难附着在膜表面，膜表面的凝胶层处于不断跟新的状态，难以形成较厚的凝胶层。最大限度的限制膜污染与堵塞。Ｌ・Ｉｎ．２・ｈ‘１时，ＭＢＲ的透膜压差增长率分别是ＨＭＢＲ的５．５、３．３和２．２倍；ＨＭＢＲ对ＣＯＤ平均去除率达到９２．３％。杨帅【垌开发了一种新型无纺布填料，即在塑料支架的内侧附上一层无纺布，填料为圆柱体，外径为２．０ｃｍ，内径为１．８ｃｍ，高１．８挂膜后在水中易于循环流动。ｃｍ。３．１．２反应器结构优化反应器的尺寸高度、内置挡板的位置、升降流区的过水面积以及挡板上方的水面高度等因素均对反应器内的循环水力流动有影响。杨期勇例将