孫振龍，陳紹偉，吳志超
（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：以抗生素發酵廢水為處理對象，對一體式平片膜生物反應器在運行過程中膜的性能進行了研究。研究結果表明，膜的截留作用使反應器活性污泥的質量濃度達 15 g／L，CODcr去除率達到 86%。運用 RIS阻力模型對在線海綿擦洗的效果進行了初步研究，認為在線海綿擦洗對恢復膜通量和防止各種阻力因素的累積具有積極的實踐意義。
　　關鍵詞：抗生素廢水；廢水處理；膜生物反應器；膜污染；膜清洗
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009-2455（2003）01-0033-03

A Study of Treatment of Wastewater from Antibiotics Production Using Submerged Membrane Bioreactor (SMBR)
SUN Zhen-long, CHEN Shao-wei, WU Zhi-chao
(State Key Lab of Pollution Control and Resource Reuse, Tonggji University, Shanghai 200092, China)

　　Abstract: The wastewater from fermentation in the production of antibiotics was treated by using a submerged membrane bioreactor (SMBR) and the performance of the membrane during the operation of the SMBR was studied. The results of the study showed that the filtration effect of the memhrane enabled the concentration of the activated sludge in the reactor to reach l5 g/L and the CODcr removal rate to reach 86% respectively. A resis-tance-in-series (RIS) model was employed to preliminarily study the resuIt of the on-line sponge cleaning. lt is believed that on-line sponge cleaning is of active and practical significance in restoring the membrane permeability and preventing the accumulation of various resistance factors.
　　Key words: wastewater from antibiotics production; wastewatertreatment. membrane bioreactor; membrane fouling; membrane cleaning

　　相對于傳統的污水處理方法，膜生物反應器（MBR）由于其諸多優勢^[1]而備受青睞。而與分置式膜生物反應器相比，一體式膜生物反應器又具有運行能耗低^[2]、不因循環泵的剪切對污泥絮體產生不良影響^[3]等優點。本文采用平片式膜生物反應器對抗生素廢水進行了初步研究。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與流程
　　一體式膜生物反應器試驗裝置與工藝流程如圖1所示，該試驗裝置由生物反應器、一體式膜組件、膜抽吸系統及自動控制等系統組成，其中生物反應器為活性污泥鼓風曝氣反應池，有效容積為47 L，反應器中間有一隔板，一側放膜組件，組件下方設有穿孔管曝氣，在供給微生物分解廢水中有機物所需氧氣的同時，在平片膜表面形成循環流速以減輕膜面污染。抽吸系統采用型號BT01－100蘭格蠕動泵，對浸沒于反應器的膜組件進行抽吸。自動控制部分采用時間控制器對抽吸泵及進水泵進行控制。一體式MBR中的處理水經蠕動泵抽吸進入凈水池，凈水池的水作為膜沖洗備用。
1.2 試驗用水
　　試驗用水為上海某制藥廠抗生素廢水，稀釋后的廢水基本水質情況如表1，進水經100目篩網過濾后進入反應器。

表1 實驗用水水水質 測試項目 數據 ρ（CODcr）/（mg·L^-1） 2500～4000 ρ（SS）/（mg·L^-1） 400～1000 ρ（NH₃-N）/（mg·L^-1） 3.5～7.4 pH值 6～8 水溫/℃ 9～15

1.3 試驗用膜
　　試驗用膜為平片膜，由中科院上海原子核研究所膜分離技術研究開發中心提供，膜組件自行研制，平片膜材質為PVDF（聚偏氟乙烯），截留分子量為 14萬，膜有效面積為0.05m²。
1.4 試驗方法
1.4.1 水通量的測定
　　水通量的測定由下式得出：
　　　　　　　　J_θ=V_θ／(A×t)　　　　　　　　（1）
　　式中：J_θ—θ℃下所測定的實際膜通量；
　　　　　V_θ—θ℃下在 t時間內實際過濾液體積；
　　　　　A—平片膜有效面積。
　　在測定膜水通量時，為了便于比較試驗的不同階段水溫所帶來的差異，該試驗將不同溫度測得的數據換算成20℃下的通量值，換算公式為：
　　J₂₀—J_θ×（η_wθ/η_w20） 　　　　　　　　（2）
　　式中：J₂₀—換算成20℃時的通量；
　　　η_wθ—θ℃下純水的粘度；
　　　ηw₂₀—20 ℃時純水的粘度。
　　注：下文中的通量J皆經上式轉換為20℃下的通量值。
1.4.2 阻力分析方法
　　膜污染可以分為物理污染、化學污染及生物污染，對于不同的反應器形式、生物的不同生長階段、不同的組件形式及不同的運行方式，占主導地位的污染形式不同。
　　在本試驗中，膜污染阻力可以分為三部分：一部分為膜固有的阻力（Rm）；一部分為泥餅阻力（Rc），包括濃差極化、膜表面的吸附及沉積等形成的阻力，可以采用水沖洗。海棉擦洗等方法將其除去；另一部分為膜孔的吸附及堵塞阻力（Rf），這部分阻力可以采用化學清洗等方法全部或部分去除。通過試驗測定的有關通量數據，用RIS（resistance一in一series）阻力模型計算出各部分阻力及其所占比例。表達式如下：
　　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—純水在2O℃時的粘度（μ₀=1.0050×10^-3Pa·S）；
　　　　　μ₁—膜過濾液粘度。
　　測定過程如下：
　　①在不同的抽吸壓力下，用新膜對純水過濾，通過公式（4）計算出膜固有阻力；
　　②用該膜對反應器混合液進行過濾，利用公式（3）可以得出運行過程中膜總阻力的瞬時值；
　　③一定時間后，把膜組件從反應器中取出，清水無壓力清洗，并用柔軟的海綿擦去膜面吸附物，然后對純水過濾，由公式（5）得到膜孔吸附及堵塞阻力；
　　④由公式（6）可得膜表面的泥餅阻力。

2 結果和討論

2.1 處理效果
　　用前述工藝流程和試驗方法，使用該制藥廠的廢水處理站的污泥接種半個月后，直接把PVDF平片膜浸沒于反應器中以 4＋6的周期運行（4 min抽吸6 min停抽），反應器的運行參數列于表2。

表2 膜生物反應器運行參數 測試項目 數據 水溫/℃ 15～20 pH值 6.0～7.6 泥齡/d 500 水力停留時間/d 1.5 曝氣量（m³·h^-1） 1.4

　　從圖2可以看出在此運行過程中反應器中MLSS的質量濃度經過一段時間后基本維持在15g/L左右，出水CODcr去除率為86％。可見，水中懸浮和溶解的CODcr并沒有在MBR中累積。但運行至1月中旬膜出水CODcr與上清液CODcr相比，并沒有多大差別，由此可知，PVDF膜所起的作用主要是截留水中懸浮物，使MLSS維持在較高濃度，從而達到高效降解水中有機物的目的。
2.2 過濾過程中的阻力分析
2.2.1 膜固有阻力的測定
　　新膜粘結后，放入純水中浸泡24 h以消除環境對膜性能的影響，調節抽吸壓力，連續測定5次對應壓力下的通量，取其平均值，由公式（4）可以得出，膜固有阻力Rm為 1.082 × 10¹²m^-1。
2.2.2 PVDF膜放入反應器后總阻力的變化
　　為了考察PVDF膜在盡量長時間內運行中阻力的變化，我們把膜組件在設定壓力 30 kPa，ρ（MLSS）為13.8 g／L，曝氣量為 l.45 m³／h的條件下放入反應器中進行連續抽吸運行，由圖3可知，總阻力經大約 25 min漸趨穩定，從開始 2.81×10¹²m^-1逐漸上升至 5.29×10¹²m^-1。也就是，膜固有的阻力從開始占總阻力的98.6％逐漸降低至52.4％。可見，盡管反應器曝氣沖刷對減弱懸浮固體向膜面吸附遷移有一定作用^[4]，由于很高的懸浮固體濃度，導致較高的粘度（實測粘度高達6.3×10^-3Pa·S），膜污染隨時間加劇。

　　同時，我們也考察廠PVDF膜在設定周期（4min抽吸6 min停抽）下運行，其間不進行任何清洗，總阻力的變化規律如圖4所示。可見，間歇運行 27 d，阻力達到 5.34 ×10¹²m^-1。把連續抽吸的25 min內阻力變化延長至 27d，充分體現了一體式膜生物反應器中間歇運行中曝氣沖刷膜面的效果。

2.2.3 PVDF膜水力清洗及海綿擦洗后的阻力比較
　　長期運行過程中，泥餅阻力是導致膜通量下降的主要因素。表3所示，在1d的連續運行過程中，泥餅阻力占總阻力的比例從開始的35.87％上升至 94.01％。新開發的 PVDF平片膜組件其優點在于能夠通過簡單便捷的在線海綿擦洗的方法，消除泥餅阻力，如圖4，從而使水通量迅速恢復接近初始通量。

表3 運行過程中阻力分布的分析 運行時間/h 阻力/（×10¹²m^-1） Rm Rc Rf Rt Rc：Rt/% 1 1.082 1.01 0.72 2.81 35.87 10 12.67 0.85 14.60 86.77 24 35.21 1.16 37.45 94.01

　　在一體式MBR中，泥水混合液處于循環流動狀態，在運行過程中，膜表面泥餅層處于一種動態的相對穩定狀態，形成膜過濾的主要阻力，并且由于膜的長期使用，形成阻力的因素也具有累積效應^[5]；而且，由于化學清洗價格昂貴、操作復雜且不可能完全恢復膜通量^[6]。因此，海綿定期在線擦洗對于膜通量的增強非常有利。再者，從長期運行的角度來看，在線擦洗至少可以減弱各種阻力因素的累積，從而具有積極的實踐意義。

3 結論

　　①由于膜過濾對混合液懸浮固體的完全截留，盡管原水含有少量抑菌物質，出水CODCr去除率仍可達86%。
　　②膜組件長時間運行導致膜污染，因此必須對其進行定期的清洗，而平片膜組件具有清洗高效。操作簡單的優點。
　　③平片膜組件只需用簡單的在線海綿擦洗的方法，便可以部分恢復膜通量，從而減少價格昂貴的化學清洗，具有相當的實用價值。
　　④膜性能指標有壓力與通量兩個變量，而運用RIS阻力模型可以統一兩者，因此，在研究膜生物反應器中膜性能時，用阻力這個指標分析是可行的。

參考文獻：

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　　 [2]Yanaboto K，Hlasa M，Mahlnood T，et al.Direct solid－liquid separation using hollow fiber in an activated sludge aeration tank[J].Water Science and Technology，1989，21（1）：43－54.
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　　作者簡介：孫振龍（1976－），男，山東煙臺人，現為同濟大學研究生，主要從事膜生物反應器中膜污染及膜清洗的研究，電話（021）65980400，large.dragon＠yeah.net