李春杰1，耿 琰2，周 琪2，顧國維2?
(1.上海交通大學 環(huán)境科學與工程學院，上海200240；2. 同濟大學 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海200092)

　　摘　要：在SMSBR處理焦化廢水的過程中，通過向反應器中投加粉末活性炭(PAC)進而形成生物活性炭(BAC)來實現(xiàn)對膜污染的防治，并通過對BAC污泥的終端過濾來反映其對膜污染的改善作用。試驗結(jié)果表明，BAC污泥在終端過濾過程中，其相對通量的變化規(guī)律與普通活性污泥相同，但投加PAC后的膜通量明顯提高。另外，在相同壓力下普通活性污泥的通量衰減指數(shù)要遠高于BAC污泥，而在相同PAC濃度下BAC污泥的通量衰減指數(shù)隨壓力的變化與普通活性污泥一樣，未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。BAC污泥的阻力分布表明，沉積層阻力仍占有絕對優(yōu)勢(大于80%)，并隨壓力的升高而增大，但與普通活性污泥相比該比例有明顯下降，膜的固有阻力所占比例明顯提高，體現(xiàn)了PAC對膜污染的防治作用。
　　關鍵詞：SMSBR；焦化廢水；膜污染防治；PAC；BAC
　　中圖分類號： X703
　　文獻標識碼： A
　　文章編號： 1000-4602(2002)06-0005-05

　Effect of PAC on Control of Membrane Fouling in Coke Wastewater Treatment by Submerged Membrane Sequencing Batch Reactor
LI Chun-jie1, GENG Yan2, ZHOU Qi2, GU Guo-wei2
( 1.School of Environmental Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.State Key Lab of Pollution Control & Resource Reuse,Tongji University,Shanghai 200092,China)

　　Abstract：In coke wastewater treatment by submerged membrane sequencing batch reactor (SMSBR),membrane fouling was controlled by addition of powdered activated carbon (PAC),which was expected to change activated sludge into biological activated carbon(BAC) sludge so as to decrease the membrane fouling through dead-end filtration.The experimental result showed that in the process of dead-end filtration,the relativ e flux of both BAC and conventional activated sludge (CAS) is changed in the same regularity,but after addition of PAC,BAC sludge shows higher relative flux.Fur thermore,under the same pressure,the flux of CAS show much higher decline index than that of BAC sludge,while at the same concentration of PAC,the flux decline index of BAC sludge is varied with pressure,which shows no regularity.Based on t he resistance distribution of BAC sludge,the cake resistance of BAC sludge makes up above 80% and is increased along with the rising of filtration pressure,but it is lower than that of CAS.The difference between them shows the effect of PAC on the control of membrane fouling.
　　Keywords: SMSBR; coke wastewater; control of membrane fouling; PAC; BAC

　　膜的污染程度取決于膜本身的性質(zhì)、料液的特征和過濾操作條件^[1]，因此對于膜本身抗污染性能的提高，除了膜本身的制作水平外，還可針對實際過濾料液的特征對膜進行改性，但由于MBR過濾料液成分復雜，這方面的工作難以奏效。有關膜過濾過程中水力操作條方面的研究成果已很多，筆者認為，對于MBR，通過改變過濾料液的性能來防止膜污染將是一條重要且可行的途徑[1]。
　　盡管活性污泥混合液的組成復雜，但膜過濾活性污泥的過程受沉積層的控制而非膜孔的堵塞^[2]，這說明膜污染主要來自大于膜孔徑的微生物絮體。大量研究表明^[3、4]，細菌胞外聚合物(EPS)是優(yōu)勢污染物，微生物通過這些物質(zhì)相互粘連形成菌膠團，并在過濾過程中顯示出較強的壓密性，使過濾阻力不斷升高。筆者通過向SMSBR中投加粉末活性炭(PAC)使之形成生物活性炭(BAC)污泥以進行膜污染防治，并通過終端過濾試驗來評價膜 污染防治效果。

1 　試驗方法

　　 從2000年10月2日起開始向SMSBR反應器中投加PAC(見表1)，共考察了3種不同PAC濃度下的膜過濾特性。

表1 　向SMSBR中投加PAC 日期 10月2日 10月13日 10月24日 每次PAC投加量(g) 9 9 9 反應器中PAC濃度(g/L) 0.6 1.2 1.8

　　投加了PAC的SMSBR按照“缺氧1—好氧—缺氧2”運行，在每次投加PAC后的第10天取200mL污泥混合液進行終端過濾試驗，其方法和參考文獻[2]中相同，考察了過濾通量的變化、通量衰減和阻力分布情況及SMSBR中膜組件的運行情況。?

2 　結(jié)果與分析

2.1 　膜通量的變化
　　 在壓力為60、100、140、180和220kPa下，不同PAC投量對相對膜通量的影響見圖1-a～1-e。
　　由圖1-a～1-e可見，無論投加PAC與否，其相對膜通量都表現(xiàn)出相同的變化特點，即在短時間內(nèi)膜通量急劇衰減，但投加PAC后的膜通量明顯得到提高；在壓力相對低的情況下(60、100kPa)，PAC濃度為1.2g/L時表現(xiàn)出較高的膜通量，而在壓力相對高的情況下(140、180和220kPa)，PAC濃度為1.8g/L時表現(xiàn)出較高的膜通量。

　　PAC濃度為0.6、1.2和1.8g/L時不同壓力下的膜通量變化分別見圖2-a～2-c。

　　由圖2-a～2-c可見，投加PAC后不同壓力下的膜通量變化與不投加PAC時膜通量的變化相似，即隨著壓力的升高，相對膜通量值減小；在壓力相對低的情況下(60、100kPa)，膜通量隨壓力的變化大，而在壓力相對高的情況下(140、180和220 kPa)，膜通量隨壓力變化不大且隨著過濾時間的延長而趨于一致。
　　不同PAC投量在不同壓力下的膜通量變化按照參考文獻^[2]中式(15)進行擬合，所得膜通量衰減指數(shù)及相關系數(shù)如表2所示，不投加PAC和不同PAC投量下膜通量衰減系數(shù)隨壓力的變化見圖3。

表2 　不同PAC投量和壓力下的通量衰減指數(shù)及相關系數(shù) 項目 60 kPa 100 kPa 140 kPa 180 kPa 220 kPa 0.6g/L -0.5857(0.980 7) -0.5809(0.973 5) -0.6128(0.994 7) -0.5852(0.994) -0.5978(0.992 5) 1.2g/L -0.6094(0.995 3) -0.5884(0.995 1) -0.6062(0.99 3) -0.5975(0.979 3) -0.5803(0.9852) 1.8 g/L -0.5856(0.980 8) -0.578(0.988 7) －0.586(0.9938) -0.5689(0.982 8) -0.5231(0.989 5) 不加PAC -0.5143(0.957) -0.508(0.983 6) -0.514(0.975 6) -0.4957(0.974 5) -0.5572(0.985 5) 注：括號內(nèi)的值為R²。

　　經(jīng)比較得出，不投加PAC的膜通量衰減指數(shù)要遠高于投加PAC的膜通量衰減指數(shù)(壓力為220kPa所對應的值除外)；當PAC濃度為1.8g/L且在較高壓力下，表現(xiàn)出較高的膜通量衰減指數(shù)，其他情況下的差別不明顯；對于相同PAC投量(包括不投加PAC)而言，膜通量衰減指數(shù)隨壓力的變化未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。
2.2 阻力分布?
　　 表3、4分別為PAC濃度為0.6g/L和1.2g/L、在壓力為100kPa及180kPa下的阻力分布。
　　由表3、4可見，投加PAC后污泥的過濾阻力分布與不加PAC時的過濾阻力分布相似，極化阻力或沉積層阻力占主導，并隨過濾壓力的增加而升高；不同之處在于投加PAC后的極化或沉積過濾阻力所占總阻力的比例明顯下降，而膜的固有阻力所占總阻力的比例有較大提高，體現(xiàn)了膜污染防治的效果。

表3　 PAC濃度為0.6 g/L的阻力分布 項目 R_m R_p R_ef R_c(=R_p+R_ef) R_if R 100 kPa 1.6E+11(18.0)¹ 6.81E+11(76.41)¹ 3.84E+10(4.31) 7.2E+11(80.72) 1.15E+10(1.29) 8.91E+11(100) 180 kPa 1.79E+11(8.87) 1.79E+12(88.4) 2.0E+10(0.99) 1.81E+12(89.39) 3.52E+10(1.74) 2.02E+12(100) 注：括號內(nèi)的值為占總阻力的百分比(%)。

表4 　PAC濃度為1.2 g/L的阻力分布 項目 R_m R_p R_ef R_c(=R_p+R_ef) R_if R 100 kPa 1.53E+11(16.04)¹〖〗 6.93E+11(72.55)¹ 4.83E+10(5.06) 7.41E+11(77.61) 6.07E+10(6.35) 9.55E+11(100) 180 kPa 1.66E+11(9.73) 1.46E+12(85.53) 7.3E+10(4.29) 1.53E+12(89.82) 7.73E+9(0.45) 1.7E+12(100) 注：括號內(nèi)的值為占總阻力的百分比(%)。

3 　膜組件的運行情況

　　以上從過濾機理方面說明了其對膜污染的改善作用，現(xiàn)對實際運行的SMSBR中空纖維膜組件的情況加以考察。?
　　由于采用小試裝置，試驗過程中攪拌裝置、曝氣裝置和膜組件隨SBR反應器的周期而交替使用，因此不便于全面考察膜分離的操作條件對膜污染的影響；同時，SMSBR中的膜過濾過程與連續(xù)流MBR中的膜過濾有很大差別(即在2h和1.5h內(nèi)完成排水的過程)，這就需要遠大于連續(xù)流MBR的膜通量，且該過程也是對污泥的濃縮過程，因此污染速率更快。
　　中空纖維膜組件的抽吸排水過程屬于恒流、死端過濾方式[過濾過程中膜通量基本保持在26L/(m²·h)]，而抽吸壓力隨沉積污染的增加而不斷上升。為此，一方面通過對料液的曝氣和間斷抽吸來防止膜污染的加劇，另一方面通過膜組件的(上下)機械運動來防止膜污染，從而實現(xiàn)了長期運行的目的。盡管未能定量描述這種機械運動對膜污染的影響，但卻體現(xiàn)了通過膜組件的運動來防止膜污染的重要思想。膜組件在排水過程中實現(xiàn)機械運動并不困難，且由于排水時間并不長而不會產(chǎn)生太高的能耗，在今后的研究中可采用更完善的試驗裝置來考察這種作用。
　　圖4為投加PAC之前每天排水過程中的平均壓力變化。?

　　圖4中壓力的變化大致可以分為4個區(qū)域。?
　　區(qū)域1：為試驗運行第一個月，過濾溫度對抽吸壓力的影響較小，其間壓力的升高來自污泥 濃度的不斷富集，周期排水過程中壓力上升較慢，不需要膜組件的機械運動，而只需通過對料液的曝氣即可實現(xiàn)排水，但從圖4中也看出，該階段壓力有一次較大飛躍。圖5為壓力突變前后周期排水過程中壓力的變化情況，圖中每個點代表10min排水過程壓力的平均值，周期排水過程中壓力的上升是由于污泥在中空纖維絲之間大量沉積所致，每次排水后經(jīng)廢水和出水清洗膜組件后，下一次排水時的初始過濾壓力與前一次排水的初始壓力差別不大，該結(jié)果與參考文獻[2]的研究結(jié)果一致，即以沉積污染控制過濾過程，而非膜孔內(nèi)部的堵塞。?

　　區(qū)域2：過濾壓力不僅受到污泥特性(濃度及其生長形態(tài))的影響，而且受到低溫的影響，該階段周期排水過程中壓力上升速度很快，必須通過膜組件的機械運動來控制壓力的上升。
　　區(qū)域3：周期排水過程中仍然需要通過膜組件的機械運動來控制壓力的上升，但由于溫度逐漸回升，表現(xiàn)出平均壓力的不斷下降。
　　區(qū)域4：由于容積負荷的提高，污泥濃度再次升高，平均過濾壓力又升高。?
　　投加PAC后膜過濾情況得到了明顯改善，但并未表現(xiàn)在周期過濾壓力的變化上，卻體現(xiàn)在抽吸過程中不再需要膜組件的機械運動，而改在停止排水的時間間隔內(nèi)進行膜組件的機械運動沉積在膜組件上的BAC顆粒很容易通過抖動而脫落。由于小試裝置難以定量衡量這種改善作用，因此需在今后作進一步研究。?

4 　結(jié)論

　　① BAC污泥在終端過濾過程中，其相對通量的變化規(guī)律與普通活性污泥相同，但投加PAC后的膜通量明顯得到提高。另外，在相同壓力下普通活性污泥的膜通量衰減指數(shù)要 遠高于BAC污泥的膜通量衰減指數(shù)，在相同PAC濃度下BAC污泥的膜通量衰減指數(shù)隨 壓力的變化與普通活性污泥一樣，未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。?
　　② BAC污泥的阻力分布表明，沉積層阻力仍占絕對優(yōu)勢，并隨壓力的升高而增大，但相比普通活性污泥該比例有所下降，膜的固有阻力所占比例明顯提高，體現(xiàn)了PAC對膜污染的防治作用。?
　　③ 通過向普通活性污泥中投加PAC使之改性為BAC污泥，明顯地改善了SMSBR中空纖維膜組件的過濾性能。

參考文獻：

　　[1] 李春杰.開發(fā)膜生物反應器的經(jīng)濟技術(shù)因素探討[J].上海環(huán)境科學，1999，18(12)：571-5 73.
　　[2] 李春杰，耿琰，周琪，等.SMSBR處理焦化廢水過程中膜污染機理研究[J].中國給水排水，2002，18(4)：5-9.
　　[3] Nagaoka H,Veda S，Miya A.Influence of bacterial extracellular polymers on the membrane separation activated sludge process[J].Wat Sci Tech,1996,34(9):165-172.
　　[4] Mukai T.Ultrafiltration behavior of extracellular and metabolic products in acti vated sludge system with UF separation process[J].Wat Res,2000,34(3):902-908.

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　　作者簡介：李春杰(1971- )，男，陜西米脂人，博士，上海交通大學講師，主要從事廢水生物處理方面的研究。?　
　　電　　話：(021)54742817 54745634?
　　E-mail:llchj@263.net
　　收稿日期：2001-10-15