何義亮 李春杰 吳志超 顧國維
(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院) 摘 要 采用板框式超濾膜組件構(gòu)成的完全混合厭氧生物反應(yīng)器對高濃度食品廢水進(jìn)行處理，考察了處理效果以及截留分子量對膜通量和出水效果的影響。膜材質(zhì)為聚醚砜(PES)，截留分子量為20 000～70000u。試驗(yàn)結(jié)果表明，截留分子量不同的膜，通量衰減及清洗恢復(fù)也呈現(xiàn)不同的趨勢；對SS均能完全去除；對細(xì)菌的截留率均能達(dá)到99.9%以上；對COD、色度的去除有所差異，截留分子量愈小，去除率愈高，但差異不是很大。根據(jù)試驗(yàn)提出了“并聯(lián)運(yùn)行的平板膜組件中，通量最大的膜優(yōu)先衰減且衰減幅度最大”的觀點(diǎn)。?
關(guān)鍵詞 厭氧膜生物反應(yīng)器 超濾膜 截留分子量 膜通量 處理效果 1 試驗(yàn)工藝流程及主要設(shè)備? 試驗(yàn)工藝流程見圖1。 ? 厭氧反應(yīng)器總?cè)莘e為500L，有效反應(yīng)容積約400L。通過加熱及溫度控制裝置將溫度控制在35℃左右，通過pH值自動控制儀將pH值控制在6.8～7.2。膜組件為板框式超濾器，試驗(yàn)裝填膜面積為0.32m2，共裝填8片膜，分別為PES200(2片)、PES300(2片)、PES500(2片)及PES700(2片)。PES為聚醚砜，200～700分別指膜的截留分子量為20000～70000u。膜組件運(yùn)行方式為單段并聯(lián)運(yùn)行，加壓泵功率0.75kW。
試驗(yàn)現(xiàn)場為上海國福龍鳳食品有限公司，廢水主要來源為面粉壓濾出水、洗肉水、蔬菜汁、蔬菜清洗水、器具清洗水、洗地用水、洗米水等，有機(jī)物主要來自前三種水，試驗(yàn)也主要取這三種水配制，COD在2000～15000mg/L。廢水經(jīng)100目濾網(wǎng)過濾后作為厭氧超濾膜反應(yīng)器的進(jìn)水。
根據(jù)厭氧反應(yīng)器的負(fù)荷及膜組件的水通量，處理水量按300～600L/d設(shè)計(jì)。 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 2.1 截留分子量對膜水通量的影響
2.1.1 不同膜的初始水通量衰減情況
四種膜初始水通量的變化情況如圖2所示。試驗(yàn)條件為操作壓力0.12MPa，膜面流速約0.88m/s，污泥濃度6000mg/L。?
由圖2可見，四種膜的初始水通量衰減基本在45min后趨于穩(wěn)定，其衰減率［定義為(初始水通量-穩(wěn)定水通量)/初始水通量］分別為PES200膜48.7%、PES300膜26.5%、PES500膜28.4%、PES700膜23.3%。相比而言，截留分子量最小的膜其初始水通量衰減率最大。  ?
2.1.2不同膜的長期水通量衰減情況?
圖3為厭氧膜生物反應(yīng)器經(jīng)三個(gè)多月的連續(xù)運(yùn)行四種膜水通量的變化情況。平板膜組件每日水力清洗一次(清水泵循環(huán)清洗 30 min)，每10d左右化學(xué)清洗一次(用0.5%的NaOH溶液循環(huán)清洗1h)。試驗(yàn)條件為操作壓力0.095MPa，膜面流速約0.88m/s，污泥濃度3000～6000mg/L。 ? 由圖3可見，膜截留分子量愈大，通量衰減幅度愈大，這與截留分子量對膜初始水通量的影響規(guī)律有所不同。?
值得注意的是，平板膜組件并聯(lián)運(yùn)行的四種膜中截留分子量最大的PES700膜最先衰減，且衰減幅度最大，由水通量最大者變?yōu)樽钚≌摺．?dāng)膜組件運(yùn)行到110d時(shí)，將膜組件拆開進(jìn)行清洗，發(fā)現(xiàn)膜組件流道內(nèi)沉積著大量的污泥，其中PES700膜流道內(nèi)沉積最為嚴(yán)重，用清水沖洗，污泥呈片狀脫落。?
拆除PES700膜后將PES200、PES300、PES500膜重新組裝，繼續(xù)并聯(lián)運(yùn)行，其通量衰減情況如圖4所示。?
拆除PES700膜后，PES500膜成為并聯(lián)運(yùn)行中截留分子量最大者，其初始水通量也最大。圖4的結(jié)果表明，PES500膜最先衰減，且衰減幅度最大。?
膜生物反應(yīng)器中截留分子量對膜通量的影響規(guī)律與膜污染的機(jī)理有關(guān)。膜初始通量的衰減主要是由濃差極化所引起的早期通量下降。在同樣條件下，膜的截留分子量愈小，超濾時(shí)截留在膜面上的溶質(zhì)愈多，濃差極化就愈嚴(yán)重，膜阻力愈大，從而水通量衰減率愈大。當(dāng)膜長期運(yùn)行時(shí)，膜通量的降低主要是由膜污染等引起的長期通量下降，此時(shí)膜的截留分子量愈大，通過的溶質(zhì)愈多，其較大的膜孔徑便愈容易被活性污泥中相近尺度的物質(zhì)所堵塞；同時(shí)由于截留分子量愈大膜通量愈大，料液向膜面的遷移速度也就愈大，因而污染物質(zhì)在膜表面吸附沉積的機(jī)會也就愈多，通量衰減也就愈嚴(yán)重。 ? 平板膜組件在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，如果各流道阻力相當(dāng)，則料液進(jìn)入后向各流道的分布也是均勻的。但若某一流道沉積嚴(yán)重，阻力增大，則料液分布便會傾向于其他流道，使該流道進(jìn)料減少，流道膜面流速降低，沉積更為嚴(yán)重，并逐步失去錯(cuò)流過濾的優(yōu)勢，成為“死濾”，通量也就大幅度降低，這樣便出現(xiàn)了圖3及圖4中截留分子量最大的PES700膜和PES500膜最先衰減且衰減幅度最大的結(jié)果。?
通過上述理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，提出如下觀點(diǎn)：“并聯(lián)運(yùn)行的平板膜組件中，水通量最大者優(yōu)先衰減且衰減幅度最大”。?
2.1.3 不同膜的化學(xué)清洗效果 ?
圖5為歷次化學(xué)清洗后膜清水通量恢復(fù)率［定義為(化學(xué)清洗后膜清水通量/膜初始清水通量)×100%。 ? 圖5的結(jié)果表明，四種膜化學(xué)清洗后的清水恢復(fù)率差異較大，PES200膜最高，在40%～50%左右；PES300膜和PES500膜相當(dāng)，都在20%左右；而PES700膜最低，小于10%。說明膜截留分子量愈大，膜污染相對愈嚴(yán)重，化學(xué)清洗恢復(fù)率愈低。
總的來看，化學(xué)清洗后膜通量的恢復(fù)情況并不理想。分析原因，可能主要是因?yàn)槟そM件流道內(nèi)剪切率低(約500/s)，膜面固體顆粒沉積嚴(yán)重，而每日的水力清洗又未能完全消除這些沉積物，因而大大影響了化學(xué)清洗的效果。
2.2 截留分子量對膜出水效果的影響?
表1為厭氧超濾膜反應(yīng)器不同截留分子量的PES膜去除COD、SS、色度(由于廢水中含有較濃的蔬菜汁，故色度較高，主要呈綠色或棕色)及細(xì)菌的情況。 表1 不同截留分子量膜去除COD、SS、色度及截留細(xì)菌情況 | 膜類 | COD（mg/L） | SS（mg/L） | 色度（倍數(shù)） | 細(xì)菌總數(shù)（個(gè)/mL) | | 進(jìn)水 | 膜濾出水 | 去除率
（%） | 進(jìn)水 | 膜濾出水 | 去除率
（%） | 進(jìn)水 | 膜濾出水 | 去除率
（%） | 活性污泥混合液 | 膜透過液 | 截留率
（%） | | PES200 | 4245.3 | 412.0 | 90.3 | 920.0 | 0.0 | 100 | 6000 | 100 | 98.3 | 1.8×106 | 4 | ＞99.9 | | PES300 | 4545.3 | 467.2 | 89.0 | 920.0 | 0.0 | 100 | 6000 | 200 | 96.7 | 1.8×106 | 7 | ＞99.9 | | PES500 | 4245.3 | 527.5 | 87.6 | 920.0 | 0.0 | 100 | 6000 | 200 | 96.7 | 1.8×106 | 11 | ＞99.9 | | PES700 | 4245.3 | 550.0 | 87.0 | 920.0 | 0.0 | 100 | 6000 | 400 | 93.3 | 1.8×106 | 13 | ＞99.9 | | 注 以上數(shù)據(jù)為厭氧超濾反應(yīng)器運(yùn)行數(shù)據(jù)，容積負(fù)荷1.5kgCOD/(m3.d),污泥濃度6.0g/L。 | 由表1的結(jié)果可見，不同截留分子量的膜對SS均能完全去除；對細(xì)菌的截留率均能達(dá)到99.9%以上；對COD、色度的去除有所差異，截留分子量愈小，COD及色度去除率愈高，但差異不大。?
2.3 厭氧超濾膜反應(yīng)器的設(shè)計(jì)?
上述試驗(yàn)研究結(jié)果對于厭氧超濾膜反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理有著重要的指導(dǎo)意義。首先在膜截留分子量的選擇上，不必為追求較高的水通量單純選擇較大截留分子量的膜，而是根據(jù)具體的污泥濃度及污染物情況確定采用PES300膜。考慮到平板膜組件流道內(nèi)剪切率較低，同時(shí)也難以保證各流道通量均勻，因而在實(shí)際設(shè)計(jì)中建議采用管式膜組件，其流道內(nèi)剪切率約5000/s，大大改善了膜面沉積清洗，同時(shí)在實(shí)際運(yùn)行中加強(qiáng)了水力清況，以保證化學(xué)清洗的效果。 3 結(jié)論 ①厭氧超濾膜反應(yīng)器膜截留分子量對膜通量的變化有重要影響。膜初始通量衰減主要是由于濃差極化引起的早期通量下降。膜截留分子量愈小，通量衰減率愈大。膜長期運(yùn)行的通量衰減主要是由于膜污染引起的長期通量下降。膜截留分子量愈大，通量衰減幅度愈大，化學(xué)清洗恢復(fù)率愈低。
②通過對平板膜組件不同截留分子量膜的水通量衰減規(guī)律研究，提出“并聯(lián)運(yùn)行的平板膜組件中，水通量最大者優(yōu)先衰減且衰減幅度最大”的觀點(diǎn)。
③不同截留分子量的膜對SS均能完全去除；對細(xì)菌的截留率均能達(dá)到99.9%以上；對COD、色度等的去除有所差異，截留分子量愈小，去除率愈高。 參考文獻(xiàn) 1 Kazuo Yamamoto et al.Tannery wastewater treatment using a sequencing batch membrane reactor.Wat Sci Tech,1991;23:1639～1648?
2 Yuichi Suwa et al?.Single-Stage,Single-Sludge nitrogen removal by an activated sludge process with cross-flow filtration.Wat Res,1992;26(9):1149～1157?
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4 顧平等.應(yīng)用膜生物反應(yīng)器處理生活污水的研究.中國給水排水，1998；14(5)：6～8
5 何義亮等.膜生物反應(yīng)器生物降解與膜分離共作用特性研究.環(huán)境污染與防治，1998；20(6)：18～20?
作者簡介：何義亮(1965- ) 男 河北陽原人 副教授 碩士 研究方向：污水處理?
通訊處：200092 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
電 話：(021)64920310 (0)1371619162?
(收稿日期 1999-03-10) | 
