自生生物动态膜反应器在城市污水处理中的应用
在MBR的运行过程中，膜表面会产生污染层，进而大大降低膜的通量[1-3]，但膜表面的污染层的形成，增强了膜的截留能力，就像在原有的膜之上又增加了一层膜[4]，一些研究者将其称之为动态膜（Dynamicmem-brane）或次生膜（Secondmembrane）[5]。由于动态膜是在过滤过程中形成的，主要由微生物及其代谢产物组成，其组成及厚度都可能随时间及生物反应器运行等条件的变化而变化，故而称之为自生生物动态膜（Self-formingdynamicbio-membrane）。
本次试验利用微生物在孔隙较大（0.1mm）的筛绢上生长所形成的动态膜作为分离膜，构成了一体式膜生物反应，对高浓度城市污水进行了处理，取得良好的出水效果。并用定量滤纸（孔隙0.4μm）作为常用的固定膜，对反应池内混合液进行过滤，将其滤液与反应器出水进行比较发现，在动态膜稳定期间，其分离效果与常用的固定膜相似，甚至更好。用定量滤纸代替固定膜（如超滤膜和微滤膜），并将其分离效果与动态膜进行比较与分析，此方法属首次报道，具有简单方便的优点，可以应用于试验或工程过程中对动态膜分离效果的评价，特别是在设备简陋的野外场合。同时，国外有文献提出了固定膜膜阻力在运行过程中存在着三个阶段的现象[6]，而对动态膜的膜阻力的变化过程，国内外还未见到有相关报道，本文在这些方面也做了一定的研究。
1试验装置与方法
1.1试验工艺
由图1可知，动态膜组件的结构类似于平板膜，由0.1mm的筛绢包裹形成过滤面，滤液透过过滤面，成为自生生物动态膜反应器（SFDMBR）的出水。在反应器的两侧底部设有侧向曝气系统，在反应器中部的下方设有下方曝气系统。在反应器的日常运行中，开启侧向曝气系统；当动态膜严重污染时，必须开启下方曝气系统对动态膜进行清洗；侧向曝气与下方曝气交替一次称为一个曝气周期。
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1.2试验方法
COD：重铬酸钾法；氨氮：纳氏试剂分光光度法；总氮：过硫酸钾氧化紫外分光光度法；总磷：钼锑抗分光光度法；污泥浓度：重量法；浊度：光电式浑浊度仪。
1.3试验水质
反应器进水取自华中科技大学家属区生活污水的排污口，此污水由厨房废水、洗浴废水、厕所废水等组成，属于典型的生活污水，且在试验期间，通过向生活污水中添加蔗糖和葡萄糖来改变进水COD值。
2结果与讨论
2.1动态膜的形成
试验所接种的污泥，取自武汉市沙湖城市污水处理厂的二次沉淀池污泥排放口，污泥没有经过驯化，直接用于试验，接种污泥约为3000mg/L。动态膜能否替代固定膜而构成MBR的前提条件是动态膜对悬浮颗粒是否具有良好的截留能力，而浊度常作为动态膜是否形成完全的重要判别参数[7]。
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从表1可知，动态膜生物反应器在投运后30min，出水浊度就基本稳定（<4.0NTU）。说明在启动阶段，动态膜能够在30min内形成良好，分离效果明显。与浊度一样，30min后，COD也基本稳定，但在240min后，COD又有所增大，这是因为刚接种的活性污泥取之于二次沉淀池，混合液中溶解性COD含量少，以及动态膜有效的分离作用，所以出水中COD较小；而运行一段时间后，反应池中的混合液被含高浓度COD的进水所取代；但此时微生物还没有完全适应生存环境，对进水中的可溶性COD去除效果不是很明显，所以在第240min后，COD又有了回升，但只从动态膜的分离效果来看，动态膜在30min内已经形成。
同时，从系统投运30min后出水COD变化和浊度的稳定性来看，此时所形成的动态膜只具备对颗粒性物质的分离作用，而没有对溶解性有机物的降解作用。这就表明在启动阶段，动态膜的形成过程是在多孔载体上微粒沉积形成，其实质就是载体组件在过滤时的浓差极化和滤饼层；但是，通过查阅资料和分析自生生物动态膜的电镜扫描图来看，自生生物动态膜是利用大孔过滤材料上生成的生物质层的截留作用实现膜过滤的功能的，它是典型的原液形成膜，所以，自生生物动态膜应该是在动态膜生物反应器运行后期形成的，在研究自身动态膜的形成与恢复时，要从不同的形成机理进行分析。
2.2系统处理效果及动态膜分离效果的评价
试验历时100多天，前期进料液为负荷较低的城市污水，后期为模拟的高浓度城市污水。此处所分析的对象为高浓度污水的处理过程，在其稳定阶段，保持水力停留时间约5h，膜通量为16.5L/m2·h，溶解氧为2mg/L左右。同时，由于定量滤纸孔径为0.4μm，与一般膜生物反应器所用的固定膜孔径相当，所以试验用定量滤纸作为固定膜来分离反应池中的混合液，并与动态膜的分离效果相对比，分析和评价动态膜的分离效果。
2.2.1系统浊度的去除效果
试验表明，当进水浊度非常大的情况下（100～600NTU），出水浊度基本上能够保持在20NTU以下，多数情况在10NTU以下，平均去除率为97%，动态膜表现出了良好的截留效果。试验后期进水和出水浊度有所提高，主要是由于蔗糖的加入引起了反应池中混合液色度的变化（前期未加蔗糖调节COD时，进水浊度在200NTU以下，且出水浊度在5NTU以下），进而干扰了浊度的测定值，但出水中没有肉眼可见的悬浮物；同时也说明，系统对色度也有一定的去除效果，这主要是活性污泥吸附作用的贡献。
2.2.2COD去除效果及动态膜分离效果的评价试验发现，进水COD较高，且变化非常大(77～2500mg/L)，但出水COD基本上能够保持在100mg/L以下。且当进水COD不超过600mg/L时，COD能够保持在60mg/L以下，去除率在90%以上，反应器系统表现出了良好的有机物去除效果。从后期进水COD的变化较大和出水COD的相对稳定来看，整个反应器系统具有良好的抗冲击负荷能力。同时，发现动态膜生物反应器的出水COD与用定量滤纸过滤反应池中混合液后的过滤液COD几乎相等，这就说明动态膜对有机物的分离效果与固定膜相当，甚至还要好（因为用定量滤纸在过滤过程中，存在厚厚的凝胶层和过滤层）。
2.2.3NH3-N去除效果及动态膜分离效果的评价
传统活性污泥法对氨氮的去除率一般在20%～50%，属于生物自身生长对氮的需求。试验中硝化作用非常明显，虽然进水氨氮的含量较高、变化大，但硝化效果非常好，在系统稳定阶段，出水氨氮基本上能够保证在5mg/L以下，绝大多数情况在2mg/L以下，平均去除率为85.4%，最高可达99.5%。同时，由过滤液和出水氨氮变化过程可以看出，动态膜和固定膜对氨氮的分离效果基本相同，有时动态膜出水氨氮较低一点，但不是很明显，这可能是由于动态膜上的生物对氨氮的去除所致。有资料显示，动态膜和固定膜都没有分离无机小分子能力，出水氨氮的含量随反应池中含量的变化而变化。膜生物反应器中，氨氮的去除应归结于反应器中微生物的硝化作用和同化作用，但动态膜对硝化菌等弱势菌种的富集作用起着关键性作用。
2.2.4TP去除效果及动态膜分离效果的评价
试验表明，系统对总磷有着良好去除效果，在进水总磷为0.8～2.8mg/L时，出水总磷能保持在1mg/L以下，达到了国家污水一级排放标准（GB8978-1996），平均去除率为74%，大大优于同类试验研究和应用结果。主要原因在于：（1）由于动态膜的有效截留作用，使作为弱势菌种的聚磷菌得到极大的富集；（2）由于进水负荷高，排泥量大，有利于磷从系统中的去除；（3）试验原水COD/TP很大，这样虽然没有厌氧环境条件下合成内源能量的过程，但聚磷菌可以在周围环境中获得足够的外部能源。
同时，由于膜生物反应器中，膜对磷去除的贡献主要表现在对含磷固体的分离截留作用，因此磷的去除效果更能直接反应膜的分离效果。试验发现，动态膜的分离效果与定量滤纸的分离效果差不多，但0.4μm定量滤纸对总磷的分离效果稍好。
2.3动态膜阻力的变化过程
有报道显示，在用固定膜组成的膜生物反应器的运行过程中，按其膜阻力变化特征，可以将整个过滤周期分为三个阶段：孔隙堵塞期、过渡期和滤饼形成期[6]。图2为试验中污泥浓度保持在3820mg/L，动态膜基质从清洗后到无法运行的过滤过程中膜阻力的变化过程。此前动态膜基质已使用了多个周期；并且在本周期的前2min内，膜通量维持在较高的水平（约20L/m2·h），这样有利于动态膜的快速形成，此后膜通量维持在一个较低的水平（4～10L/m2·h，平均约6.3L/m2·h），有利于延长动态膜的运行周期，便于观察膜阻力变化过程中各个阶段的过滤特征。
从图2可知，整个运行周期按膜阻力的变化特征可以分为三个阶段：第一阶段为动态膜的形成期（前6h），其特征表现是膜阻力增加得较快，由于动态膜的特殊性，所以此阶段的物化过程较复杂，包括了孔隙堵塞和滤饼的形成过程：首先是粒径接近基质孔隙（0.1mm）的活性污泥或泥渣在基质孔隙内的堵塞与被吸附，然后将有较小粒径的污泥在其上补充与堆积，最终形成具有良好分离作用的过滤膜层，此后动态膜结构的变化过程应类似于固定膜的污染过程。第二阶段为稳定运行期（6～23h），其特征为膜阻力只有缓慢的增加，此阶段类似于固定膜组成的膜生物反应器中的滤饼形成期，即动态膜已经形成良好，但在死端过滤过程中，还是有一定量的污泥在膜表面的堆积，这也说明，膜污染是膜在应用过程中，不可避免的，它总是会随运行时间的延长而加重。第三阶段为膜阻力快速增加期（23h之后），其特征表现为膜阻力飞跃增加，直至动态膜无法运行，此阶段的出现可能是因为所形成的动态膜太厚，以致在整个膜组件的周围形成了水力死角区，所以由曝气区产生的水力循环流不能对动态膜进行有效的冲洗，因此，达到第三阶段的时间与曝气量、膜组件之间的距离和曝气方式的选择等多种因素有关。
这也说明不可能依靠增加膜压差而使动态膜无限运行下去，膜阻力的增加有一个上限，当超过了这个上限，动态膜污染会迅速恶化。
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3结论
在系统的启动阶段，从出水浊度和COD的变化来看，自生生物动态膜能够在30min内形成良好，分离效果明显，出水水质达到稳定；从膜通量和膜阻力的变化来看，在动态膜形成初期，膜阻力非常小，或者根本就没有膜阻力，膜通量随着进水流量的变化而变化，同时也说明，有效动态膜的形成过程是一个非常短暂的时间（<30min）。
试验表明，自生生物动态膜反应器对城市污水具有良好的处理效果，在整个试验期间，反应器对COD的平均去除率为81%，在稳定期间，对氨氮的平均去除率为87%，对总磷的平均去除率为74%。用孔径为0.4μm的定量滤纸分离反应器中的混合液，并将其分离出水水质与动态膜出水比较发现：从COD的去除效果来看，动态膜与固定膜都有良好分离的效果；从NH3-N的去除效果来看，动态膜的分离效果也是有限的，不能分离分子较小的无机离子，污染物（特别是溶解性污染物）的去除主要是反应池中微生物的作用，虽然动态膜也包含大量微生物，但它主要起分离作用，转化、分解污染物的能力非常有限。
与固定膜相似，在动态膜的分离过程中，从膜阻力的变化来看，动态膜的污染过程也是有阶段性的，可以为三个阶段：动态膜的形成期、稳定运行期和膜阻力快速增加期，每个阶段都有其各自的特征。
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