張永明¹，程旖旎¹，石英麗¹，施漢昌²，錢易²
1.南昌航空工業(yè)學院環(huán)境與化學工程系， 南昌， 330034：
2.清華大學環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室， 北京， 100084

　　利用膜生物反應器（Membrane Bioreactor， MBR）處理廢水正在受到人們的關(guān)注。而無機膜生物反應器（Inorganic Membrane Bioreactor， IMBR）則是在MBR基礎(chǔ)上興起的。IMBR的核心是采用無機膜，與有機膜比較，無機膜具有化學穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性高、機械性能優(yōu)異、通量大、壽命長、容易清洗等優(yōu)點，但也存在著制造成本高，運行費用大等問題，特別是容易堵塞的問題。
　　本研究針對上述陶瓷膜容易堵塞的問題。提出了一種新的膜生物反應器的設(shè)計方案。即將陶瓷膜設(shè)計成U型管狀，并置于反應器內(nèi)，成為內(nèi)置式膜反應器。該陶瓷膜既可以曝氣，又可以進行抽濾，形成一種具有雙重功能的陶瓷膜，在處理廢水的同時不斷地進行曝氣/抽濾的切換。而曝氣的同時又是對陶瓷膜的反吹，以解決陶瓷膜容易堵塞的問題，從而提高反應器處理廢水時的效率。這一設(shè)計目前在國內(nèi)外尚未見報道。

1.實驗方法

　　1.1 生物反應器和陶瓷膜
　　圖1所示是雙功能陶瓷膜生物反應器的示意圖，其有效體積約2.5L。反應器內(nèi)部裝有2組U型管狀陶瓷膜，在反應器的底部有陶瓷膜的接口，可分別接上曝氣和抽濾裝置。在處理廢水的時候可定時地進行曝氣/抽濾的切換。反應器內(nèi)另裝有可拆卸的蜂窩狀的陶瓷載體，該載體的作用是使微生物能附著生長在其上，以提高生物相濃度。反應器中間安裝有一擋板，可使廢水在反應器內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)以強化氣液傳質(zhì)。U型管狀陶瓷膜的微孔孔徑為60～100mm，每個陶瓷膜過濾面積為40.69cm²。
　　1.2 廢水
　　在降低水樣濁度試驗時，選用兩種濁度的水樣。低濁度的水取自池塘水，內(nèi)含有細小的膠體懸浮物。而高濁度的水樣，是在取自池塘水樣中加入一些泥土，以提高其濁度。
在降解廢水時，在取自池塘的水中添加適量的葡萄糖及氮、磷等元素配制的模擬廢水。
　　1.3 生物膜的形成
　　當采用生物膜方法處理廢水時，首先用肉湯培養(yǎng)基，接入少量菌種。搖瓶培養(yǎng)48h，待微生物生長到一定濃度后，將該菌液加入到反應器中，使微生物吸附在多孔陶瓷載體上，經(jīng)過一段時間的培養(yǎng)形成生物膜。
　　1.4 陶瓷膜通量的測試
　　為了考察陶瓷膜通量隨抽濾時間的變化情況。分別用前述的高、低2種濁度的水樣進行試驗。 每隔一定時間用型號為WGZ-1數(shù)字式濁度儀（上海產(chǎn)）測定抽濾后出水的濁度，并和同類廢水在自然沉降情況下進行比較。此外還在1h內(nèi)分為6個階段考察陶瓷膜通量的變化規(guī)律以及經(jīng)過曝氣反吹之后，膜通量的恢復情況。
　　1.5 廢水的生物處理試驗
　　在反應器中安裝陶瓷載體，待形成生物膜之后，分別進行間歇和連續(xù)生物處理模擬廢水的試驗。此時每隔0.5h進行一次曝氣/抽濾的切換，以保持陶瓷膜的通量，并定時從抽濾膜處取樣并測定水樣的COD和濁度。

2.結(jié)果和討論

　　2.1 出水濁度的變化
　　分別用兩種濁度的水樣，經(jīng)過陶瓷膜的過濾考察其濁度的變化情況。圖2是采用濁度為47的水樣，經(jīng)過陶瓷膜抽濾后其濁度的變化情況。從圖中可以看出，經(jīng)過陶瓷膜抽濾后其濁度下降至平均23左右，平均濁度下降率為51%。分析圖中濁度變化曲線可以看出，抽濾后水樣的濁度有一定幅度的變化，這說明陶瓷膜對渾濁水的過濾主要是通過在陶瓷表面形成的過濾層進行的。由于反應器內(nèi)循環(huán)水流的攪動，過濾層的形成尚不穩(wěn)定，所以出水濁度便有一些波動。從圖中還可以看出，在抽濾的前期，是過濾層形成階段，出水的濁度比后期的濁度要高。從5h以后，濁度穩(wěn)定在20左右，總的趨勢是濁度逐漸下降，平均濁度下降了57%。
　　圖3是采用濁度為320的水樣經(jīng)過陶瓷膜抽濾后其濁度的變化情況。從圖中可以看出，在前20min，出水濁度逐漸下降，此時是過濾層的形成過程，20min之后，出水的濁度就降低至120左右，廢水濁度的下降率為62%，并且穩(wěn)定在這個范圍。
　　分析兩種濁度的水樣的下降情況，由于低濁度水中主要是細小的懸浮物，所形成過濾層的孔徑就比較小。因而出水濁度相對就比較小。而高濁度的水中主要含有的是較大顆粒的泥土，所形成的過濾層的孔徑相對較大，因而出水濁度也就較高。

　　為了與陶瓷膜過濾進行比較，對同類廢水進行自然沉降的比較試驗。圖4和圖5分別是采用濁度為58和390的2種水樣經(jīng)過自然沉降，其濁度下降的情況。從圖4可以看出，低濁度廢水經(jīng)過10h的自然沉降后，其濁度下降到25，而24h后，濁度降到18。從圖5可以看出，高濁度的廢水經(jīng)過4h的自然沉降，廢水濁度的下降率為60%，此后濁度緩慢下降。
　　從上述試驗結(jié)果可以看出，采用池塘水，由于水中含有較多的懸浮物，主要是一些浮游性的膠體物質(zhì)，其自然沉降速率較慢，在此種情況下，陶瓷膜過濾的效果就相當于其自然沉降10～24h的結(jié)果。而高濁度的水，由于是在水中加入了泥土，其沉降速率較快，同時也會吸附懸浮的膠體物質(zhì)共同沉降，所以陶瓷膜過濾的效果就相當于其自然沉降4h的結(jié)果。

　　2.2 陶瓷膜通量的變化
　　用陶瓷膜連續(xù)進行抽濾時，其膜通量會逐漸下降。下降的幅度是進行廢水處理時的主要工藝參數(shù)。圖6所示是用低濁度水進行的膜通量恢復性能的試驗。進水濁度:47，出水濁度:23。試驗時，在60min內(nèi)每隔10min測定一次膜通量，考察其膜通量的變化情況。每次測試之后，均曝氣10min，從實驗結(jié)果可以看出，經(jīng)過短時間曝氣均能基本恢復到原來的水平。最后膜通量可穩(wěn)定在180～200 (l/h·m²)之間。圖7是用高濁度水進行的膜通量恢復試驗。連續(xù)進行了3次試驗，每次抽濾45min，然后曝氣8min。從圖7可以看出，經(jīng)過短時間的曝氣，膜通量也基本恢復到原來的水平。

　　2.3 處理廢水的試驗
　　在反應器內(nèi)安裝蜂窩陶瓷載體，讓微生物附著生長在陶瓷膜上形成生物膜，用該方法處理模擬廢水時，分別進行了間歇和連續(xù)處理模擬廢水的試驗，以考察用該反應器處理廢水時的效果。圖8是間歇處理模擬廢水時COD降解的曲線。圖9是連續(xù)處理廢水時COD降解的曲線。
　　連續(xù)處理時，平均水力停留時間約113min。從圖8中可以看出，經(jīng)過3h的間歇處理，廢水的COD就降解了92%，COD負荷約為1.1kgCOD/(m³·d)。從圖9可以看出，連續(xù)處理時，經(jīng)過6h之后，廢水COD的去除率就穩(wěn)定在90%以上，此時的COD負荷約為1。5kgCOD/(m³·d)。用生物膜法處理模擬廢水時，每0.5h進行一次曝氣/抽濾的切換，使膜通量保持在290～320 l/(h·m²)其出水的濁度從47下降到19。由于采用陶瓷作為生物膜的載體，有效地避免了污泥過多堵塞陶瓷膜，造成陶瓷膜通量下降。

3.結(jié)論

　　根據(jù)試驗結(jié)果分析，陶瓷膜的過濾作用主要是通過在陶瓷膜表面形成過濾層實現(xiàn)的。用雙功能陶瓷膜生物反應器處理廢水時，由于可以進行抽濾/曝氣的切換，從而有效地解決了一般膜反應器中普遍存在的膜容易堵塞的問題，提高了膜反應器處理廢水的效率。此外，在該反應器中增加陶瓷載體，既可以增加生物相濃度，又可避免懸浮的微生物堵塞陶瓷膜。廢水經(jīng)過陶瓷膜的過濾，其出水濁度較低，與傳統(tǒng)的廢水處理方法相比，由于出水的濁度較低，可以縮短廢水的沉清過程，從而提高廢水處理的效率。因此雙功能陶瓷膜生物反應器具有很大的應用價值。

* 教育部高校重點實驗室訪問學者基金資助