相對(duì)于傳統(tǒng)的污水處理方法，膜生物反應(yīng)器（mbr）由于其諸多優(yōu)勢(shì)[1]而備受青睞。而與分置式膜生物反應(yīng)器相比，一體式膜生物反應(yīng)器又具有運(yùn)行能耗低、不因循環(huán)泵的剪切對(duì)污泥絮體產(chǎn)生不良影響等優(yōu)點(diǎn)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)裝置與流程
   　　
        一體式膜生物反應(yīng)器試驗(yàn)裝置與工藝流程如圖1所示，該試驗(yàn)裝置由生物反應(yīng)器、一體式膜組件、膜抽吸系統(tǒng)及自動(dòng)控制等系統(tǒng)組成，其中生物反應(yīng)器為活性污泥鼓風(fēng)曝氣反應(yīng)池，有效容積為47L，反應(yīng)器中間有一隔板，一側(cè)放膜組件，組件下方設(shè)有穿孔管曝氣，在供給微生物分解廢水中有機(jī)物所需氧氣的同時(shí)，在平片膜表面形成循環(huán)流速以減輕膜面污染。抽吸系統(tǒng)采用型號(hào)bt01－100蘭格蠕動(dòng)泵，對(duì)浸沒(méi)于反應(yīng)器的膜組件進(jìn)行抽吸。自動(dòng)控制部分采用時(shí)間控制器對(duì)抽吸泵及進(jìn)水泵進(jìn)行控制。一體式mbr中的處理水經(jīng)蠕動(dòng)泵抽吸進(jìn)入凈水池，凈水池的水作為膜沖洗備用。

        1.2 試驗(yàn)用水
   　　
        試驗(yàn)用水為上海某制藥廠抗生素廢水，稀釋后的廢水基本水質(zhì)情況如表1，進(jìn)水經(jīng)100目篩網(wǎng)過(guò)濾后進(jìn)入反應(yīng)器。

         表1 實(shí)驗(yàn)用水水水質(zhì)

測(cè)試項(xiàng)目 數(shù)據(jù) 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

        1.3 試驗(yàn)用膜
   　　
        試驗(yàn)用膜為平片膜，由中科院上海原子核研究所膜分離技術(shù)研究開發(fā)中心提供，膜組件自行研制，平片膜材質(zhì)為pvdf（聚偏氟乙烯），截留分子量為 14萬(wàn)，膜有效面積為0.05m2。
   
        1.4 試驗(yàn)方法
   
        1.4.1 水通量的測(cè)定
   　　
        水通量的測(cè)定由下式得出：
   　
　　　　　　　jθ=vθ／(a×t)　　　　　　　　（1）

        式中：jθ—θ℃下所測(cè)定的實(shí)際膜通量；
   　　　     vθ—θ℃下在 t時(shí)間內(nèi)實(shí)際過(guò)濾液體積；
   　　　     a—平片膜有效面積。

   　　在測(cè)定膜水通量時(shí)，為了便于比較試驗(yàn)的不同階段水溫所帶來(lái)的差異，該試驗(yàn)將不同溫度測(cè)得的數(shù)據(jù)換算成20℃下的通量值，換算公式為：

   　　j20—jθ×（ηwθ/ηw20） 　　　　　　　　（2）

   　　式中：j20—換算成20℃時(shí)的通量；
           　　　ηwθ—θ℃下純水的粘度；
   　        　　ηw20—20 ℃時(shí)純水的粘度。

        注：下文中的通量j皆經(jīng)上式轉(zhuǎn)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(xué)污染及生物污染，對(duì)于不同的反應(yīng)器形式、生物的不同生長(zhǎng)階段、不同的組件形式及不同的運(yùn)行方式，占主導(dǎo)地位的污染形式不同。
   　　
        在本試驗(yàn)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(xué)清洗等方法全部或部分去除。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的有關(guān)通量數(shù)據(jù)，用ris（resistance一in一series）阻力模型計(jì)算出各部分阻力及其所占比例。表達(dá)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(shí)的粘度（μ0=1.0050×10-3pa•s）；
   　　　     μ1—膜過(guò)濾液粘度。

        測(cè)定過(guò)程如下：

        ①在不同的抽吸壓力下，用新膜對(duì)純水過(guò)濾，通過(guò)公式（4）計(jì)算出膜固有阻力；

        ②用該膜對(duì)反應(yīng)器混合液進(jìn)行過(guò)濾，利用公式（3）可以得出運(yùn)行過(guò)程中膜總阻力的瞬時(shí)值；
   　　
        ③一定時(shí)間后，把膜組件從反應(yīng)器中取出，清水無(wú)壓力清洗，并用柔軟的海綿擦去膜面吸附物，然后對(duì)純水過(guò)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(jié)果和討論

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

        表2 膜生物反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)

測(cè)試項(xiàng)目 數(shù)據(jù) 水溫/℃ 15～20 ph值 6.0～7.6 泥齡/d 500 水力停留時(shí)間/d 1.5 曝氣量（m3·h-1） 1.4

        從圖2可以看出在此運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)器中mlss的質(zhì)量濃度經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(méi)有在mbr中累積。但運(yùn)行至1月中旬膜出水codcr與上清液codcr相比，并沒(méi)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(dá)到高效降解水中有機(jī)物的目的。
   
        2.2 過(guò)濾過(guò)程中的阻力分析
   
        2.2.1 膜固有阻力的測(cè)定
   　　
        新膜粘結(jié)后，放入純水中浸泡24 h以消除環(huán)境對(duì)膜性能的影響，調(diào)節(jié)抽吸壓力，連續(xù)測(cè)定5次對(duì)應(yīng)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(yīng)器后總阻力的變化
   　　
        為了考察pvdf膜在盡量長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行中阻力的變化，我們把膜組件在設(shè)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(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)抽吸運(yùn)行，由圖3可知，總阻力經(jīng)大約 25 min漸趨穩(wěn)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(yīng)器曝氣沖刷對(duì)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(dǎo)致較高的粘度（實(shí)測(cè)粘度高達(dá)6.3×10-3pa•s），膜污染隨時(shí)間加劇。

 　　同時(shí)，我們也考察廠pvdf膜在設(shè)定周期（4min抽吸6 min停抽）下運(yùn)行，其間不進(jìn)行任何清洗，總阻力的變化規(guī)律如圖4所示。可見，間歇運(yùn)行 27 d，阻力達(dá)到 5.34 ×1012m-1。把連續(xù)抽吸的25 min內(nèi)阻力變化延長(zhǎng)至 27d，充分體現(xiàn)了一體式膜生物反應(yīng)器中間歇運(yùn)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(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，泥餅阻力是導(dǎo)致膜通量下降的主要因素。表3所示，在1d的連續(xù)運(yùn)行過(guò)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(fā)的 pvdf平片膜組件其優(yōu)點(diǎn)在于能夠通過(guò)簡(jiǎn)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(fù)接近初始通量。

        表3 運(yùn)行過(guò)程中阻力分布的分析

運(yùn)行時(shí)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(huán)流動(dòng)狀態(tài)，在運(yùn)行過(guò)程中，膜表面泥餅層處于一種動(dòng)態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，形成膜過(guò)濾的主要阻力，并且由于膜的長(zhǎng)期使用，形成阻力的因素也具有累積效應(yīng)[5]；而且，由于化學(xué)清洗價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜且不可能完全恢復(fù)膜通量[6]。因此，海綿定期在線擦洗對(duì)于膜通量的增強(qiáng)非常有利。再者，從長(zhǎng)期運(yùn)行的角度來(lái)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(shí)踐意義。

　　3 結(jié)論
　　①由于膜過(guò)濾對(duì)混合液懸浮固體的完全截留，盡管原水含有少量抑菌物質(zhì)，出水codcr去除率仍可達(dá)86%。
   　　
　　②膜組件長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致膜污染，因此必須對(duì)其進(jìn)行定期的清洗，而平片膜組件具有清洗高效。操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
   　　
　　③平片膜組件只需用簡(jiǎn)單的在線海綿擦洗的方法，便可以部分恢復(fù)膜通量，從而減少價(jià)格昂貴的化學(xué)清洗，具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值。
   　　
　　④膜性能指標(biāo)有壓力與通量?jī)蓚�(gè)變量，而運(yùn)用ris阻力模型可以統(tǒng)一兩者，因此，在研究膜生物反應(yīng)器中膜性能時(shí)，用阻力這個(gè)指標(biāo)分析是可行的。