吳志超， 王士芬， 高廷耀?
（同濟大學 環境科學與工程學院, 上海 200092）

　　摘　要：采用膜生物工藝(好氧生物曝氣—超濾)和常規生物工藝(好氧生物曝氣—二沉池)對巴西基酸生產廢水進行對比處理試驗研究表明，膜生物工藝產泥量少，污泥活性高，并能提高大分子難降解有機物的去除率。
　　關鍵詞：廢水處理；膜生物工藝；活性污泥法
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼： C
　　文章編號： 1000-4602(2000)03-0057-04

　　膜生物工藝(Membrane Biological Reactor,MBR)是采用膜分離取代傳統生物處理工藝中二沉池的一種新型污水處理工藝^［1］。研究人員Boran Zhang^［2］、Angel Canales^［3］等從微生物學角度對膜生物工藝和傳統活性污泥法的本質區別進行了一些研究，由于沒有進行對比試驗，其研究結果的實用性受到一定質疑。作者采用膜生物工藝和常規生物工藝對同一廢水進行對比試驗研究，以此對膜生物工藝的運行特性進行初步研究。?

1 試驗方法

　　試驗廢水為巴西基酸生產廢水，其中COD濃度在3000～12000 mg/L之間，BOD₅/COD在0.4～0.5之間，pH值在2.0左右，硫酸根離子含量13000mg/L。廢水經石灰中和沉淀后，上清液的COD濃度基本不變，硫酸根離子濃度降低30%左右，pH約為6.0，含鹽量超過2%。由于高濃度硫酸根對污水厭氧生物處理影響遠大于污水好氧生物處理(好氧活性污泥法中，Na₂SO₄和MgSO₄的最高允許濃度分別為3000mg/L和10000mg/L)，故試驗采用好氧活性污泥法。生物曝氣池為1000mL或500mL的量筒，大孔曝氣，膜分離設備受條件限制采用靜態膜評價池，超濾膜經過篩選試驗采用截留分子量為50000u的聚醚砜膜(PES500)，面積為46.5cm²。膜生物工藝和活性污泥法均間歇運行。膜生物工藝排水通過膜評價池超濾排掉，少量的濃縮液和超濾過程中形成的污泥均倒回到相應的生物反應器中。活性污泥法采用沉淀0.5h排去一定量上清液的方法。水質分析均在運行至少三倍泥齡時間后進行。

2 試驗結果和分析

2.1 第一階段對比試驗
　　此階段中，兩種工藝的進水水質和水量完全相同，平均容積負荷為1.2kgCOD/(m³·d)， 操作周期為24h，污泥泥齡為10d。表1是該條件下兩種工藝對比試驗結果。由表1中可見，膜生物工藝中生物反應器濾紙過濾液的COD濃度比活性污泥法高5.0%，而超濾液COD濃度則比其低28.4%，同時，膜生物工藝的SV值比活性污泥法低20.2%，MLSS量少18.7%，但前者的MLVSS/MLSS值要高出后者13.3%。?
　　在膜生物工藝中，大分子有機物和膠體物質通過泥齡控制有少量的排放，如果這些物質的降 解速率低于進入生物反應器的速率，它們會在生物反應器內產生一定的積累，從而導致膜生物工藝的濾紙過濾液COD濃度高于活性污泥法，如表1所示。?
　　假設兩種工藝的濾紙過濾液COD濃度的差值(此處為11mg/L)可以近似看作由超濾膜截留下來的物質引起，而這部分物質在活性污泥法中無法得到去除。由于在水質分析前，膜生物工藝的生物反應器已經運行30d以上，理論上約有330mg/L的這種物質會在生物反應器中累積，使得生物反應器濾紙過濾液COD濃度遠高于活性污泥法，但事實上并沒有出現該現象。這說明膜生物工藝可能對活性污泥法無法去除的一些大分子物質和膠體有較高的去除率。

表1 第一階段對比試驗結果 工藝 SV值
（mL/L) 過濾液COD
（mg/L) 超濾液COD
（mg/L) MLSS
(mg/L) MLVSS
(mg/L) MLVSS/MLSS 膜生物工藝 91 222 151 4438 1333 0.30 活性污泥法 114 211 　 5461 1433 0.26

　　圖1是第一階段PES500膜對活性污泥混合液超濾時水通量的變化。由圖可見,在超濾開始的5min內，PES500膜的水通量急劇下降,隨后,下降幅度明顯變小。在實際動態運行中,由于膜面流速很高,超濾對象的污泥濃度和濾紙過濾液COD濃度基本不變，一定時間內的水通量持續下降現象可以得到有效控制。?

　　在本階段中，平均容積負荷為2.4kgCOD/(m³·d)，活性污泥泥齡為10d，操作周期仍然為24h。表2是運行30 d后兩種工藝的典型結果。由于本階段容積負荷增加1倍，膜生物工藝生物反應器的濾紙過濾液COD濃度要明顯大于常規生物工藝(約30%)，同時，超濾膜透過液的COD濃度要比活性污泥法濾紙過濾液COD濃度小得多。從表2還可以發現，膜生物工藝的MLSS濃度明顯地小，這意味著它的產泥量和排泥量小于活性污泥法(與第一階段相同) 。而膜生物工藝生物反應器中MLVSS／MLSS比值的增大可能與器內累積的有機物有關，使實際F/M值提高，污泥活性更大。表3是兩種不同工藝生物反應器濾紙過濾液COD濃度和ΔCOD/MLVSS比值隨曝氣時間的變化情況。眾所周知，MLVSS可以在一定程度上反映出活的微生物量，ΔCOD/MLVSS比值的大小間接反映出單位數量活性微生物去除的有機物量，由表3可知，膜生物工藝生物反應器的這一數值均高于活性污泥法，這同樣說明前者中微生物的活性比后者中稍高。這一結果不同于Boran Zhang的研究結果。值得注意的是，在Boran Zhang的研究中，選用的污泥分別取自處理規模為400m³/d的膜生 物 工藝裝置和規模為70×10⁴m³/d的傳統活性污泥工藝。筆者以為，由于控制參數、進水水質的差別會嚴重影響污泥的活性，本文的同步對比試驗結果可能更具有真實性。

表2 第二階段對比試驗結果 工藝 SV值
（mL/L) 過濾液COD
（mg/L) 超濾液COD
（mg/L) MLSS
(mg/L) MLVSS
(mg/L) MLVSS/MLSS 膜生物工藝 240 533 187 9794 4026 0.41 活性污泥法 315 372 　 13807 4325 0.31

表3 兩種不同生物反應器濾紙過濾液COD濃度和△COD/MLVSS比值隨曝氣時間的變化 曝氣時間（h） 膜生物工藝COD
（mg/L) 活性污泥法COD
（mg/L) 膜生物工藝
△COD/MLVSS 常規生物工藝
△COD/MLVSS 0 2545 2016 　 　 0.75 2116 1892 0.098 0.028 1.5 1828 1669 0.164 0.077 3.0 1339 1234 0.276 0.174 5.0 978 663 0.359 0.301

　　對活性污泥法二沉池上清液(COD=3.09 mg/L)進行超濾后(不考慮濃縮液回流)，透過液的COD濃度約為152 mg/L，比膜生物工藝膜透過液COD濃度204mg/L左右低，有機物氧化較完全，濾紙過濾液COD濃度較低，水通量相應有明顯提高，見表4。在實際應用中如果采用常規生物處理后超濾的工藝，勢必要考慮超濾濃縮液回流問題，此時，同樣存在高分子有機物和膠體的累積，造成膜透過 液水質下降，膜水通量減小。由表4還可以發現，在超濾后期，雖然超濾對象一個是上清液，一個是高濃度活性污泥混合液，其水通量逐漸趨近，這說明，二沉池對活性污泥的截留對膜水通量改善的效果極其有限。

表4 不同工藝下PES膜水通量的變化 時間T（min） 常規生工藝+超濾水通量[L/（m².h)] 常規生物工藝+越濾累積透水量力而為(mL) 膜生物工藝超濾水通量[L/（m².h）] 膜生物工藝超濾累積透水量（mL) 0 58.8 0 59.8 0 5 39.8 19.1 26.7 16.8 10 32.2 33.0 20.6 25.9 15 30.6 45.2 18.5 33.5 20 25.3 56.0 16.7 40.3 25 26.1 66.0 17.1 46.9 30 23.4 75.5 16.3 53.4 35 22.1 84.3 15.7 59.6 40 20.9 92.7 15.4 65.6 45 14.5 99.5 14.7 71.4

2.3 第三階段對比試驗
? 通過超濾膜的截留延長了大分子有機物和膠體在生物反應器中的實際停留時間，提高了它們的去除率，使得濾紙過濾液COD濃度能夠維持在一定水平而不會持續提高。于上述試驗基礎上，在保持正常進水的同時不再排泥，以觀察停止排泥(即大分子有機物和膠體除了生物降解無其他出路)對膜生物工藝的影響。?
　　停止排泥后，膜生物工藝生物反應器的污泥立即開始增多，活性污泥法的污泥也隨之逐漸增多，但反應要慢2d左右。由表5可發現，不排泥運行時，兩種工藝的污泥沉降比、MLSS和MLVSS濃度與定時排泥的兩種工藝相比，均有顯著提高。從濾紙過濾液COD濃度看，試驗開始時兩個反應器相差169 mg/L左右，運行10 d后，如果完全累積其差值將達1690mg/L，而實際僅為426mg/L，累積并不嚴重，這說明，膜生物工藝通過延長高分子有機物在生物裝置中的停留時間，提高了這些物質的去除率，此時，COD濃度的上升應主要由不可生物降解的高分子有機物組成。從超濾液水質看，出水COD濃度略微上升，其原因可能與大量微生物的內源代謝產物有關。值得注意的是，活性污泥法在停止排泥后，由于生物量的提高，單位時間內被降解有機物的量增加，使得濾紙過濾液COD濃度出現一定的降低。

表5 第三階段試驗結果 工藝條件 SV值
（mL/L) 濾紙過濾液COD（mg/L) 超濾液COD
（mg/L) MLSS
(mg/L) MLVSS
(mg/L) MLVSS/MLSS 膜生物法 不排泥前不排泥10d后 250 530 195 10292 4518 0.44 860 755 207 23438 8456 0.36 活性污泥法 不排泥前不排泥10d后 300 361 　 14166 5587 0.39 605 329 　 38046 9360 0.25

　　超濾膜的水通量和透過液累積量在停止排泥后出現下降現象，如表6所示，出現該現象可能與反應器中污泥濃度、大分子有機物和膠體物質的濃度均比原先更高，更容易在膜表面形成凝膠層有關，這就增加了膜阻力，從而降低了膜的水通量。活性污泥法不存在水通量的問題，但由于停止排泥，SV值持續上升，在停止排泥10d后，上清液已經無法通過沉淀排出，對比試驗只能終止。?
　　從膜生物工藝和活性污泥法的微生物鏡檢可以發現，膜生物工藝的菌膠團很小，與常規活性污泥的尺寸差別較大，且異常密實，使鏡檢很困難，游離菌極少看見，和活性污泥法相比，微生物的種類極其單一。此時，常規生物處理的活性污泥特性與傳 統工藝沒有差別，菌種的種類和數量均較多，絮體也大。

表6 停止排泥前后膜水通量的變化情況 時間T
（min） 正常排泥時水通量
[L/（m².h)] 正常排泥時濾液累積量
（mL) 停止排泥水通量
[L/（m².h)] 停止排泥時濾液累積量（mL) 0 51.2 0 38.4 0 5 28.7 15.5 23.2 11.9 10 23.2 25.6 19.6 20.2 15 21.5 34.2 18.5 27.6 20 19.9 42.2 17.3 34.5 25 19.0 49.8 16.9 41.2 30 18.3 57.0 16.0 47.5

3 小結

　　從上述分析可知，由于膜對微生物、大分子有機物和膠體的同時截留，隨著運行時間的延長，溶解性有機物中大分子有機物和膠體所占的比例逐漸增長，并處于主導地位，水質的明顯區別使膜生物工藝內微生物的生態環境與常規生物工藝完全不同。與常規生物工藝相比，膜生物工藝有以下優點：?
　　① 生物反應器的產泥量少；?
　　② 污泥活性好；?
　　③ 能有效提高高分子難降解有機物的去除率。

參考文獻：
　　［1］ Kimura S.Japan’s aqua renaissance’90 project［J］.Wat Sci Tech,1 991,23:1573-1582.
　　［2］ Zhang Boran.Seasonal change of microbial population and activities in a building wastewater reuse system using a membrane separation activated slu dge process ［J］.Wat Sci Tech,1991,34(5～6)：295-302.
　　［3］ Angel Canales.Decreased sludge production strategy for dom estic wastewater treatment ［J］.Wat Sci Tech,1994,30(8):97-106.

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收稿日期： 1999-09-09