投加粉末活性炭对膜阻力的影响与研究
目前，限制膜生物反应器(MembraneBioreactor,MBR)广泛应用的主要原因是该系统的运行费用较高，而膜折旧在运行费用中又占有相当大的比例。降低膜折旧费用的方法有两种，其一是增加膜的工作寿命；其二是增加膜的工作通量，从而降低所需的膜面积。采取低压操作、间歇运行、紊流曝气等措施可在一定程度上减缓膜污染和堵塞，在上述基础上，笔者又对在MBR系统中投加粉末活性炭(PAC)的效果进行了研究。
1 理论依据
1.1膜比通量
为比较不同膜面积、不同工作压力下膜的透水特性，引入膜比通量(SpecificFlux,SF)的概念。定义SF是基于在较低压力下工作的膜出水量与膜面积和工作水位差之积的比值，用公式表示如下：
SF=Q/(AH)=J/H(1)
式中SF——膜比通量，m3/(m2·m·s)
J——膜通量，m3/(m2·s)
Q——膜组件出水量，m3/s
A——膜表面积，m2
H——工作水位差，m
1.2膜通量的基本方程
日本学者ShimizuY.等人分析了膜通量下降的因素，提出了膜通量与膜阻力的关系：
J＝ΔP/(μ·Rt)(2)
式中ΔP——作用于膜两侧的压差，Pa
μ——渗透液的粘度，Pa·s
Rt——膜的总阻力，m-1
膜的总阻力可以表示为：
Rt=Rm+Rp+Rc(3)
式中Rm——纯膜阻力，m-1
Rp——膜污染阻力，m-1
Rc——滤饼层阻力，m-1
2 试验方法
2.1小试
小试历时4个月，试验装置如图1所示。
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为方便比较，进水水质与运行方式均与不投加PAC的试验基本相同。采用间歇出水的方式，出水时间与空曝时间之比为7∶3，其他主要控制参数：水温为18～28℃；曝气量为0.2～0.27m3/h；膜上作用水头为7kPa；PAC投加浓度为2000mg/L；平均进水CODCr=250mg/L(其中BOD5∶N∶P按100∶5∶1计)；MLSS=8000mg/L；SRT=100d。
2.2 中试
在原有的中试装置运转近5个月时取出膜组件，将膜表面的泥饼清洗干净后放回。向反应器中一次性投加2000mg/LPAC，其他试验参数及运行方式与不投加PAC时基本相同。每周期处理水量为280L/h；HRT为6.25h；气水比为30∶1；平均排泥量为30L/d；MLSS维持在7500mg/L左右(平均含有1700mg/L的PAC)；SRT为30d；温度维持在24～27℃；反应器内混合液pH值维持在7.0左右。
3 小试结果与讨论
3.1投加PAC对膜比通量的影响
投加与不投加PAC对膜比通量的影响见图2。
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由图2可见：
①未投加PAC的MBR中膜比通量的变化可分为两个阶段。投入运行后的前5d属于快速下降阶段，膜的比通量由6.61×10-6m3/(m2·m·s)降至3.25×10-6m3/(m2·m·s)，其日均降低速率为6.72×10-7m3/(m2·m·s)。此后MBR即进入运行的相对稳定阶段，膜比通量的日均下降速率仅为1.54×10-8m3/(m2·m·s)。
②投加PAC的MBR在投入运行后并没有出现快速下降期，膜比通量随运行时间的延长而缓慢下降，日均下降率为2.69×10-8m3/(m2·m·s)。
③投加PAC后稳定运行阶段的膜比通量较投加PAC前明显增大。在运行时间相同(约100d)的条件下，未投加PAC的MBR中膜比通量仅为1.81×10-6m3/(m2·m·s)，而投加PAC的MBR中膜比通量为5.14×10-6m3/(m2·m·s)，为前者的2.84倍。可见在MBR中投加PAC对维持较高膜比通量具有显著效果，大大提高了产水量。
3.2PAC与活性污泥的相互作用
在试验末期的镜检中发现，成熟活性污泥絮体的体积比PAC颗粒本身的体积大得多，每个较为独立的菌胶团中含有一颗或多颗PAC颗粒，镶嵌在污泥里仅起骨架作用。根据PAC及菌胶团的性质，在向MBR中投加PAC后，炭粒与菌胶团之间即存在相互作用。最初，PAC的吸附性和微生物的附着性使得混合液中大量的游离细菌、生物絮体迅速地包围PAC颗粒，形成较大的絮体；随着该絮体中微生物的数量增多，分泌的胞外聚合物也增多，当其他絮体或游离细菌接近时，各自的胞外聚合物不规则地缠绕在一起，从而使絮体进一步凝聚形成一个以PAC颗粒为骨架的大絮体，二者的相互作用使含有PAC颗粒的大絮体在曝气强度较大的MBR中稳定存在。
3.3PAC对MBR膜阻力影响的定量分析
投加PAC可形成粒径更大、强度更高、粘性更小的矾花。随着污泥絮体性能得以改善，膜阻力随之减小。各项阻力的测量方法如下：①纯膜阻力Rm。清水试验时，没有膜污染阻力和滤饼层阻力，Rt与Rm数值相等。②膜污染阻力Rp。系统运行到80d时，膜污染的发展已趋于稳定。取出膜并将其表面泥饼清洗干净，立即测定清水通量，测得的阻力为Rm与Rp之和。③滤饼层阻力Rc。在稳定运行90d时，膜表面泥饼层已处于相对稳定状态，此时由通量算得的阻力为Rm、Rp和Rc之和。
在本试验中，取μ=1×10-3Pa·s(假设滤液的粘度与清水的一样，温度为25℃)，由此可按式(2)求得投加PAC后的各种膜阻力值(见表1)，不投加PAC时的各项膜阻力值也列入表1。
表1 投加与未投加PAC的膜阻力比较
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由表1可知：①投加PAC后，膜污染阻力Rp和滤饼层阻力Rc均减小，其中前者降低了约73%，后者降低了约92.4%；由于两次试验所用的膜相同，纯膜阻力Rm差别很小，使得投加PAC后，膜总阻力中主要部分由不投加PAC时的滤饼层阻力和膜污染阻力变成纯膜阻力，这说明投加PAC对减小膜污染阻力和延缓滤饼层的形成是有效的。②处于稳定运行的MBR，膜表面泥饼层处于相对稳定状态，其阻力可视为常数。当投加PAC的膜组件膜污染阻力达到(假设能达到)未投加PAC的膜组件膜污染阻力时，其膜总阻力为纯膜阻力、投加PAC时滤饼层阻力与未投加PAC时膜污染阻力之和，数值为2.85×1012m-1。此时对应的膜比通量[应用式(2)和式(1)，且设ΔP=9806Pa］SF为3.44×10-6m3/(m2·m·s)。若以投加PAC后的MBR中比通量随运行时间的日均下降率计，从运行开始到稳定运行阶段需历时161d。根据对投加PAC后MBR中污泥性状的观察，到达此稳定运行阶段之后，通量衰减速度低于未投加PAC的MBR中的通量衰减速度。
4 中试试验
4.1投加PAC对混合液COD浓度的影响
试验中混合液与出水的COD之差列于表2。
表2 投加PAC前后的混合液与出水COD之差
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从表2可见：投加PAC后膜内外COD之差的平均值降低了很多(约为0mg/L)。有研究表明，MBR系统在遭受COD冲击负荷时，膜出水COD基本不受影响，而系统内混合液COD增加，同时膜通量迅速降低。这表明混合液与出水的COD之差是通过膜和膜表面的泥饼层截留作用而减少的，降低此差值对维持MBR的膜通量非常有利。
4.2投加PAC对活性污泥的影响
投加PAC通过改善活性污泥絮体及泥饼层的性质来减缓膜通量的下降。在投加PAC后，污泥絮体更易互相吸附、聚集而体积更大、粘性更小，因而其在膜表面形成的泥饼层比较疏松，透水性好。未投加PAC时，手洗膜表面泥饼层发现泥饼有较强的粘性，与膜表面粘附较紧，不易清洗；而投加PAC后的泥饼则比较硬，粘性很小，只需用清水稍冲就可脱落。在投加PAC前后，从膜表面分别取一小块泥饼，将其横、纵断面分别切开(如图3)
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取厚度基本相同的小切片在普通显微镜下观察，结果如表3。
表3 投加PAC前、后泥饼的横纵切面 情况比较
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投加PAC后，泥水混和液及污泥絮体的物理性质、结构有所改变，因而形成的泥饼层性质、结构也与未投加PAC时不同。投加PAC后的泥饼层呈疏松堆积状态，后生孔道更多更大，不易堵塞，因此泥饼层造成的膜阻力大大降低。
投加PAC是通过提高污泥的沉淀性能来改善污泥的泥水分离性。投加PAC后，污泥絮体颗粒变大，SVI值也下降(可达60mL/g左右)，这大大改善了污泥的泥水分离性能，减缓了泥饼的形成。
通过上述分析可见，PAC在MBR中可影响泥水混合液各方面的性质，包括污泥絮体的性质、混合液中的有机物浓度、泥水分离性能等，从而引起膜污染阻力、膜表面泥饼结构及该阻力的有利变化，其宏观结果就是大大减缓了膜通量的下降，使得单位膜面积在膜寿命期内的产水量大大提高。
4.3PAC的消耗量
MBR系统在排泥时会排出部分PAC，为维持反应器内PAC的浓度，需补充PAC。若MBR系统的水力停留时间为6h，污泥停留时间为30d，PAC的投加量为2000mg/L，则处理单位体积水消耗的PAC量约为16.7mg/L。
5 结论
通过小试和中试的研究表明，向MBR系统内投加PAC是降低膜过滤阻力、提高膜通量的有效途径。
①在小试中，投加PAC并运行约100d时，膜比通量从未投加PAC时的1.81×10-6m3/(m2·m·s)增加到5.14×10-6m3/(m2·m·s)。PAC有效地减小了滤饼层阻力(从原来占膜总阻力的51.3%降到11.6%)，从而说明了投加PAC是使膜比通量增加的实质性原因。
②在中试中，向反应器内投加PAC可降低膜内、外COD浓度之差，形成体积更大、粘性更小、强度更高的污泥絮体，并在膜表面形成更加疏松的泥饼层，大大改善了污泥的可过滤性，提高了膜通量。
③向MBR系统投加PAC后，处理单位体积水消耗的PAC量约为16.7mg/L，对运行费用影响不大。
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