厌氧动态膜生物反应器中动态膜形成及其运行周期的影响因素分析

程刚; 朱雷; 许颖; 黄霞

doi:10.12030/j.cjee.201710155

厌氧动态膜生物反应器中动态膜形成及其运行周期的影响因素分析

1.
武汉科技大学城市建设学院，武汉 430070
2.
清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100084
基金项目:
科技部国际科技创新合作重点专项（2016YFE0118500）

Analysis on factors influencing formation of dynamic membrane and operational cycle in anaerobic dynamic membrane bioreactor

1.
School of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430070, China
2.
State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Fund Project:

摘要: 为探究影响厌氧动态膜生物反应器（AnDMBR）稳定运行的因素，选用不锈钢网为基材构建AnDMBR并用于处理生活污水，着重考察了不锈钢网孔径（200、300 和500目）、混合液污泥浓度及膜通量对AnDMBR成膜及运行周期的影响。结果表明：不锈钢网的目数越大，动态膜形成越快，但运行周期较短；低污泥浓度成膜时间较慢，但运行周期较长；污泥胞外多聚物（EPS）对动态膜的形成及运行周期影响较大，EPS越高，动态膜形成越快，但动态膜堵塞越严重；高通量更容易导致动态膜堵塞。选用300 目的不锈钢网，在污泥浓度为2 000 mg·L-1，通量为32 L·(m2·h)-1的条件下开展的连续实验表明，AnDMBR稳定运行周期可达240 h。清洗实验结果表明离线清洗方式更适用于动态膜的清除。
- 厌氧动态膜生物反应器 /
- 不锈钢网孔径 /
- 污泥浓度 /
- 运行周期
Abstract: An anaerobic dynamic membrane bioreactor (AnDMBR) was established by using stainless steel mesh as base material for dynamic membrane formation to explore the factors affecting the stable operation of AnDMBR for treatment of domestic wastewater. The influences of stainless steel mesh pore size (200, 300 and 500 mesh), sludge concentration and membrane flux on the formation of dynamic membrane and operational cycle were investigated. The results showed that the larger sieve mesh number of stainless steel made faster formation of dynamic membrane but shorter operation cycle. The operational cycle was longer with lower sludge concentration, but the dynamic membrane formation was slower. The effect of extra-cellular polymeric substances (EPS) on the formation of dynamic membrane and operational cycle is larger. The higher EPS concentration led to faster dynamic membrane formation and more serious membrane blocking. Higher flux also led to more severe membrane blocking. When stainless steel of 300 mesh was used as the base material, the sludge concentration was 2 000 mg·L-1, and the flux was 32 L·(m2·h)-1, the operational cycle of AnDMBR could be extended to 240 h in continuous experiment. The results of membrane cleaning experiments showed that off-line physical cleaning was more efficient for AnDMBR.
- anaerobic dynamic membrane bioreactor /
- stainless steel mesh pore size /
- sludge concentration /
- operation cycle

厌氧膜生物反应器（AnMBR）将厌氧生物技术与膜分离技术相结合，具有出水水质稳定、剩余污泥少、可实现水资源和能源同时回收等优点^[1-3]，然而严重的膜污染导致膜通量较低，限制了该工艺在实际工程中的应用^[4]。

动态膜生物反应器（DMBR）将动态膜过滤技术和生物处理工艺相结合，利用较大孔径的微网材料作为膜基材，在活性污泥过滤过程中形成生物动态膜，实现近似于微滤膜的过滤效果，同时动态膜上的微生物对废水中的有机物进行降解。与传统膜生物反应器（MBR）相比，DMBR在保留MBR优点的同时，可大幅降低过滤组件的造价、同时具有出水通量高、能耗低和易维护等优点^[5]。目前，动态膜的研究以好氧动态膜反应器（AeDMBR）居多，对厌氧动态膜反应器（AnDMBR）工艺的研究较为缺乏。

本研究选用不锈钢网为基材构建AnDMBR装置处理生活污水，考察了不锈钢网孔径、污泥浓度以及通量对动态膜形成和运行周期的影响，以期为AnDMBR的进一步应用提供运行参数及指导。

1 材料与方法

1.1 实验装置

AnDMBR由有机玻璃制成，尺寸为24 cm×12 cm×41 cm，有效容积为10 L，反应器中部装有平板式不锈钢网组件，有效面积为0.11 m²，实验装置如图1所示。装置出水由蠕动泵（格兰蠕动泵BT100-2J）控制流量，反应器循环由蠕动泵（格兰蠕动泵BT100-2J）控制流速。跨膜压差（TMP）由传感器（伊莱科ELE801）测量并由无纸记录仪（天信仪表TXR2003E）记录。反应器设置布水管，位于不锈钢网组件正下方。

图1 厌氧动态膜生物反应器装置示意图
Fig. 1 Diagram of anaerobic dynamic membrane bioreactor

装置启动时的接种污泥取自北京某污水厂厌氧消化罐的消化污泥，污泥浓度为3 680～4 196 mg·L⁻¹。实验用水采用清华大学校内的生活污水，其中COD约为395.8 mg·L⁻¹，浊度约为220.5 NTU。

1.2 实验方法

1.2.1 水质分析

MLSS采用《水和废水监测分析方法（第4版）》中的检测方法进行测定。浊度采用便携式浊度仪（HACH 2100Q）测定。

1.2.2 EPS的提取

活性污泥 EPS 的提取方法采用热提取法^[6]，通过测定提取物的总有机碳（TOC）来表征EPS含量。TOC采用TOC分析仪（日本岛津TOC-VCPH）测定。

1.2.3 临界通量的测定

临界通量理论在MBR工艺中具有普遍的指导意义，当污泥颗粒所受的趋向于膜表面的拖曳力与颗粒的返混作用力达到平衡时，此时的膜通量为临界通量^[7]。当通量在低于临界通量下运行时，膜污染发展缓慢，TMP变化不明显；当通量在高于此通量运行时，膜污染将迅速发生，TMP增加很快。因此，临界通量的确定对实验运行周期长短有着至关重要的作用。临界通量采用流量阶梯法测定。通量从10 L·(m²·h)⁻¹依次升高至90 L·(m²·h)⁻¹，每个通量下运行10 min，记录TMP变化。每组通量条件下开展测定之前对不锈钢网组件进行水力冲刷。当通量低于临界通量时，运行10 min内TMP的值没有明显变化，而在某个通量条件下TMP的值有明显上升时，该通量即为临界通量。

1.2.4 动态膜运行周期的确定

动态膜从滤饼层形成到堵塞的过程称为动态膜过滤的一个运行周期，根据运行周期内的TMP变化规律及对颗粒物的截留效果，可将其分为3个阶段：形成期、稳定发展期以及堵塞期^[8-9]。运行初期TMP较短时间内迅速上升，出水浊度快速下降，这一阶段为动态膜形成期。之后TMP和出水浊度趋于稳定，并持续较长的一段时间，这一阶段为稳定发展期。当运行一段时间后，TMP出现陡升，说明动态膜已产生较严重的堵塞，这一阶段为堵塞期。当TMP继续快速升高，至出水浊度增大，此时动态膜出现破损。

1.2.5 动态膜清洗

本实验考察了离线清水冲刷和在线反冲洗2种清洗方法对动态膜的清洗效果。清水冲刷是将动态膜运行至堵塞的不锈钢网组件从反应器中取出，用清水对其表面滤饼层进行冲洗10 min。在线反冲洗是利用重力回流将清水反向注入不锈钢网组件，以去除或松动附着在不锈钢网表面的污泥滤饼层，清洗时间为1～2 min。

1.2.6 动态膜过滤阻力的测定

将动态膜浸于清水中，根据达西定律，动态膜过滤阻力由膜通量(J)和跨膜压差(TMP)计算得到：

$R_{t} = \frac{p_{TMP}}{J \cdot μ}$

(1)

式中：J为膜通量，m³·(m²·s)⁻¹；R_t为膜阻力，m⁻¹；p_TMP为跨膜压差，Pa；μ为溶液黏度，Pa∙s。

在依次递增的通量条件下，分别测得不同通量下TMP的值，对通量和TMP作图，两者呈线性关系，由其斜率可得动态膜过滤阻力。

2 结果与讨论

2.1 不同孔径不锈钢网形成动态膜的临界通量的确定

在相同厌氧污泥浓度（MLSS=4 200 mg·L⁻¹）和上升流速（0.6 m·h⁻¹）下，不同孔径不锈钢网形成的动态膜的临界通量如图2所示，当通量低于60 L·(m²·h)⁻¹时，200目不锈钢网形成的动态膜可以稳定运行，TMP没有明显升高，而当通量升高至70 L·(m²·h)⁻¹时，TMP突然升高，说明200目不锈钢网形成的动态膜的临界通量在60～70 L·(m²·h)⁻¹之间。同理，300目和500目不锈钢网形成的动态膜的临界通量分别在70～80 L·(m²·h)⁻¹之间和80～90 L·(m²·h)⁻¹之间。结果显示，在本实验选取的不锈钢网目数范围内，目数越小，临界通量越低。这与MBR中临界通量与膜孔径的关系^[7]一致。后续实验将在低于临界通量的次临界通量下运行。

图2 不同孔径不锈钢网形成动态膜的临界通量的确定
Fig. 2 Determination of critical flux of dynamic membrane forming on stainless steel mesh with different pore size

2.2 动态膜形成及运行周期影响因素分析

2.2.1 不锈钢网孔径的影响

不锈钢网组件投入运行后TMP及出水浊度的变化宏观上反应了动态膜形成过程及运行周期的长短。在运行通量均为32 L·(m²·h)⁻¹，MLSS为3 680 mg·L⁻¹的条件下，不同孔径不锈钢网组件的出水浊度变化及运行周期如图3所示。由图3可见，300目不锈钢网在运行2 h后，出水浊度下降至5 NTU，TMP缓慢上升，判断该阶段为动态膜形成阶段；2～4 h，不锈钢网的TMP和浊度保持稳定，判断该阶段为动态膜稳定阶段；4 h后，TMP突然迅速上升，判断该阶段为动态膜堵塞阶段。500目不锈钢网在运行1 h后，出水浊度降至5 NTU，可认为500目不锈钢网形成的动态膜比300目更快。然而在动态膜堵塞阶段，500目不锈钢网形成的动态膜TMP上升速率明显高于300目，这是因为不锈钢网孔径越小，越容易被堵塞。200目不锈钢网在运行8 h内，TMP一直较为稳定，缓慢上升，而出水浊度下降至30 NTU便不再下降。分析认为这是由于不锈钢网孔径较大时，污泥很难在其上附着，继而影响了动态膜的形成，导致其对浊度物质的截留效果不好。而动态膜的形成也影响TMP的变化。在本实验条件下，300目不锈钢网上形成的动态膜出水浊度较低，膜污染发展较缓慢，运行相对稳定，因此，选取300目不锈钢网作为AnDMBR动态膜的基材。

图3 不锈钢网孔径对出水浊度及TMP的影响
Fig. 3 Effects of stainless steel mesh pore size on effluent turbidity and TMP

2.2.2 污泥浓度的影响

污泥混合液浓度是动态膜形成和稳定运行的重要因素。在通量为42 L·(m²·h)⁻¹的条件下，300目不锈钢网在不同污泥浓度（1 040、1 840、3 680 mg·L⁻¹）下的出水浊度和运行周期如图4所示。当MLSS浓度为3 680 mg·L⁻¹时，出水浊度0.5 h内下降到10 NTU以下并趋于稳定，认为动态膜已经形成；TMP在运行2 h左右时出现飞跃，膜污染发展加速。在MLSS浓度为1 840 mg·L⁻¹条件下，浊度在2.5 h后下降到10 NTU以下并趋于稳定，反应器稳定运行12 h。当MLSS浓度为1 040 mg·L⁻¹时，TMP一直没有出现飞跃，然而出水浊度始终在80 NTU以上，认为动态膜形成不充分，其对浊度物质的截留效果较差。因此，低污泥浓度（约2 000 mg·L⁻¹）有利于延长动态膜的稳定运行周期，但污泥浓度过低，会导致动态膜难以形成。

图4 污泥浓度对出水浊度及TMP的影响
Fig. 4 Effects of MLSS on effluent turbidity and TMP

2.2.3 EPS 浓度的影响

污泥混合液中的EPS是动态膜滤饼层形成的重要组成成分，EPS浓度越高，成膜时间越短^[10-11]。将提取EPS后的厌氧污泥分成3份，与提取的EPS进行1:1、1:2、1:4混合，然后加磷酸盐缓冲溶液稀释到相同体积，得到MLSS浓度为4 000 mg·L⁻¹的含3个不同EPS浓度（9.2、16.6、28.2 mg·L⁻¹）的厌氧污泥样品。在通量为32 L·(m²·h)⁻¹的条件下，考察了EPS浓度对动态膜形成及运行周期的影响。如图5所示，在动态膜形成阶段，低EPS浓度污泥样品条件下不锈钢网出水浊度下降较缓慢，表明动态膜形成时间较长；而在稳定期阶段，不同EPS浓度污泥样品条件下的动态膜TMP并没有明显的区别，分析认为在稳定期阶段，EPS对滤饼层的影响相对较小；在膜堵塞阶段，EPS越高，动态膜TMP上升速率越大，膜堵塞越严重。

图5 EPS浓度对出水浊度及TMP的影响
Fig. 5 Effects of EPS concentration on effluent turbidity and TMP

2.2.4 通量的影响

图6为MLSS为2 000 mg·L⁻¹条件下，300目不锈钢网在不同通量（32、42、54 L·(m²·h)⁻¹）下的出水浊度及运行周期情况。污泥颗粒在不锈钢网表面的沉积及附着状况受其所在不锈钢网表面水力条件的影响，不锈钢网表面错流流速与膜通量为2个最主要水力条件影响因素。在反应器运行过程中，不锈钢网表面的错流速度稳定为0.6 m·h⁻¹。如图6所示，TMP稳定时间随通量的增大而减小，即动态膜的运行周期随通量增加而缩短，在动态膜堵塞阶段，TMP 上升速率随通量的增大而增大。分析认为通量越大，污泥颗粒向不锈钢网表面沉积的速率越快，导致阻力上升越快。

由图6可知，通量越大，不锈钢网出水浊度下降速率越快，这是因为高通量导致滤饼层快速形成。在1.5 h后，3个通量下的出水浊度都小于10 NTU。而通量为32 L·(m²·h)⁻¹时，TMP在14 h仍然没有上升的趋势，分析认为在本实验条件下，在此通量下运行，动态膜堵塞较慢，运行周期最长。

图6 通量对出水浊度及TMP的影响
Fig. 6 Effects of flux on effluent turbidity and TMP

2.3 长期运行效果

根据上述研究结果，选择300目的不锈钢网基材，在通量为32 L·(m²·h)⁻¹，厌氧污泥浓度为2 000 mg·L⁻¹条件下开展长期运行。如图7所示，反应器在运行1.5 h后，出水浊度下降至10 NTU，判断该阶段为动态膜形成阶段。之后浊度趋于稳定，TMP在0.5～1.5 kPa范围内波动，判断该阶段为动态膜稳定期。在240 h后，TMP上升速率增大，判断进入动态膜堵塞阶段。反应器运行周期为240 h，认为在该运行条件下，采用300目不锈钢网形成的动态膜能够较长时间稳定运行，为今后进一步研究不锈钢网基材和运行条件的选择提供了参考。

图7 厌氧动态膜反应器长时间运行的浊度及TMP的变化
Fig. 7 Change of turbidity and TMP during long-term operation of AnDMBR

2.4 膜清洗

图8为300目不锈钢网基材、动态膜运行至堵塞时以及离线和在线清洗后的表面形貌照片。

由图8可见，动态膜运行至堵塞阶段时不锈钢网表面均匀覆盖了一层污泥滤饼层（图8（b）），说明动态膜成膜效果较好。将其取出用清水冲刷10 min，不锈钢网表面的滤饼层基本被冲刷脱落，如图8（c）所示。为表征清洗效果，计算清洗前后动态膜过滤阻力，分别将清洗前后的动态膜置于清水中，在不同通量条件下得到TMP的值，以通量为横坐标，TMP为纵坐标作图（如图9所示），得到清洗前膜过滤阻力（R_t）为4.05×10¹⁰ m⁻¹，清洗后膜过滤阻力为1.64×10¹⁰ m⁻¹，而新膜的过滤阻力为1.60×10¹⁰ m⁻¹，说明清水冲刷可以有效去除不锈钢网上的滤饼层，使其恢复到初始状态。

由图8（d）可以看出，经在线反洗后动态膜污泥滤饼层出现局部破损，这可能是由于动态膜滤饼层比较疏松，在一定的反洗压力下，局部滤饼易脱落。但在线反冲洗难以对动态膜滤饼层整体进行有效去除，因此该清洗方式不适用于动态膜清洗。

图8 不锈钢网基材、动态膜堵塞时以及清洗后的表面形貌照片
Fig. 8 Surface photos of virgin stainless mesh, blocked dynamic membrane and recovery after cleaning

图9 离线清洗前后动态膜阻力与新膜阻力的比较
Fig. 9 Comparison of dynamic membrane resistances before and after off-line cleaning with virgin stainless mesh

3 结论

1）不锈钢网孔径在200～500目内，目数越小，形成的动态膜的临界通量越低。

2）低污泥浓度（约2 000 mg·L⁻¹）有利于延长动态膜的稳定运行阶段，但污泥浓度过低，会导致动态膜无法形成。

3）污泥EPS浓度对动态膜的形成及堵塞有较大影响，EPS浓度越高，动态膜形成越快，但在膜堵塞阶段堵塞速度也越快。

4）通量越高，污泥颗粒向不锈钢网表面沉积的速率越大，动态膜阻力上升越快。

5）采用300 目不锈钢网为基材，在通量为32 L·(m²·h)⁻¹，厌氧污泥浓度为2 000 mg·L⁻¹条件下，形成的动态膜出水浊度低，运行较为稳定，能够稳定运行240 h。

6）离线清洗方式更适用于动态膜的清洗，清洗后膜阻力基本恢复到初始状态。

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