聚合硫酸铝铁改善膜污染的研究
第３４卷第４期２００８年４月
水处理技术
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＯＦＷＡＴＥＲＴＲＥＡＴＭＥＮＴ
Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．４Ａｐｒ．，２００８
３１
聚合硫酸铝铁改善膜污染的研究
刘
浩，王军，周媛，奚旦立
（东华大学环境科学与工程学院，上海２０１６２０）
摘
要：采用投加聚合硫酸铝铁（ＰＡＦＳ）的方法来缓解ＳＭＢＲ中的膜污染速率。试验结果表明，投加ＰＡＦＳ后，
ＳＭＢＲ中污泥的平均粒径从８０μｍ增大到４００μｍ，过滤总阻力从４９６．４９×１０１０ｍ－１减为１３８．２５×１０１０ｍ－１，沉积阻力从４４５．７２×１０１０ｍ－１减为１２９．８６×１０１０ｍ－１，污泥比阻变为原来的１／１０；同时混合液中的生物相变得更加丰富，抽吸压力的增
长速率有所降低。
关键词：聚合硫酸铝铁；污泥比阻；一体式膜生物反应器；颗粒粒径分布；膜污染中图分类号：ＴＱ０２８．８
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－３７７０（２００８）０４－０３１－０３
浸没式膜生物反应器（ＳＭＢＲ）是废水处理领
域最前沿的研究课题之一，其研究的重点是膜污染问题。膜污染会造成通量下降或抽吸压力上升，导致处理成本的提高。
膜污染的程度取决于膜本身的性质、混合液的性质和过滤的操作条件等因素。对于ＭＢＲ，通过改变混合液的性质来防治膜污染是一条重要且可行的途径［１］。
聚合硫酸铝铁（ＰＡＦＳ）可由工业废渣合成而制得，价格比较低廉；具有铁盐和铝盐的双重性质；同时，ＰＡＦＳ能提供更多正电荷来与带负电的胶体和溶解性有机物发生吸附电中和，所含的长链分子使得在絮凝中还同时存在着架桥和吸附卷扫等作用［２］。因此，采用投加ＰＡＦＳ的方法来改善混合液的性质进而减缓膜污染具有较好的前景，但目前这方面的研究还未见报道。本文将通过平行对比试验的方法考察ＰＡＦＳ对ＳＭＢＲ中混合液性质的改变及对膜污染的影响情况。
&’()*+
!
"#$%
,#$%
图１试验装置流程
Ｆｉｇ．１Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
表１
原水水质
Ｔａｂｌｅ１
项目数值
ＣＯＤ（ｍｇ／Ｌ）８００～１１００
ＱｕａｌｉｔｙｏｆｒａｗｗａｔｅｒＢＯＤ／ＣＯＤ０．１５～０．２
色度（倍）５００
ｐＨ６．０～７．０
１试验部分
１．１
试验装置
如图１所示，模拟印染废水（水质见表１）经水解酸化池（装有软性填料，以便于微生物挂膜）预处理后进入ＳＭＢＲ，其中１号系统根据污泥浓度每周２次投加ＰＡＦＳ（Ｆｅ、Ａｌ含量分别为污泥质量的５％和１．７％），２号系统为普通ＳＭＢＲ，除此之外，两系统的操作条件均相同，温度为２３～２６℃，水解酸化
好氧池的ＳＲＴ池、好氧池的容积分别为７２Ｌ和１８Ｌ，
为５０ｄ，ＨＲＴ为１０ｈ；膜组件为聚偏氟乙烯中空纤维
在膜，膜孔径为０．２μｍ，每个膜组件的面积为０．４ｍ２。
ＳＭＢＲ底部设有砂头曝气头，在运行期进行连续曝气，水气两相呈错流形式冲击中空纤维膜束。通过曝气一方面使反应器中的活性污泥混合液维持一定的循环流动速度，形成对膜表面的冲刷，以减轻活性污泥在膜表面的沉积；另一方面供给微生物分解污水中有机物物所需的氧气，维持溶解氧为４～５ｍｇ／Ｌ。１．２污泥驯化
接种污泥取自上海市松东净化有限公司，污泥驯化分两个阶段，第一阶段：取回的污泥配以一定量的营养液加以培养，使其恢复活性，然后逐渐加大模
收稿日期：２００７－０７－０３
作者简介：刘浩（１９８２－），男，硕士研究生，研究方向为膜生物反应器的研究与应用；联系电话：１３６１１９８７５３３；Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｈａｏ８２０３＠１６３．ｃｏｍ。
３２
水处理技术第３４卷第４期
拟印染废水量驯化３周；第二阶段：将ＰＡＦＳ投加到污泥中，继续驯化３周，形成颗粒较大的团状絮凝污泥，ＰＡＦＳ由常州洋江净化有限公司生产（Ｆｅ、Ａｌ质量比为３：１）。
１．３分析项目与方法
ＣＯＤ、ＢＯＤ、色度、ｐＨ等指标按《水和废水监测分析方法》第三版中标准方法进行测定；污泥生物相采用ＸＳＰ－１２ＣＡ型带摄像头的显微镜拍摄；污染阻力、污泥比阻试验采用文献［３］中试验方法；粒径分布采用光散射法，用ＬＡＳ激光粒度分析仪（ＵＳＡ）设定。
２结果与讨论
２．１混合液的特性２．１．１生物相比较
不同生物相组成的污泥中微生物个体的大小、分泌物质的多少和粘性不同，在膜表面形成的泥饼层结构也有所不同。根据ＢＳＬｕｘｍｙ等的研究，后生动物特别是在膜表面上的后生动物，可以使膜的压差减小；随着固着型纤毛虫、游泳型纤毛虫以及后生动物数量的增多，小于１０μｍ的胶体颗粒以及小于１μｍ的细菌都显著的减少，而在此粒径范围的颗粒对膜污染有显著的影响［４－５］。
通过镜检和试验稳定运行时拍摄污泥照片发现，１号系统的污泥粒径较大，团粒状，疏松多孔，污泥与污泥直接连接成一个整体；２号系统的活性污泥粒径小，密实，污泥与污泥之间连接少。同时，１号系统中存在着大量的原生、后生动物如钟虫、轮虫等，２号系统中的原生和后生动物很少。这说明投加ＰＡＦＳ后，混合液中生物相变得更加丰富，这是由于［６］：铁是微生物生长的必要元素，有很强的亲和力，会促进细菌繁殖和酶的分泌；ＰＡＦＳ和活性污泥结合后形成的絮凝污泥具有特殊结构，更有利于氧的吸收。２．１．２混合液颗粒粒径分布
粒径大小作为影响膜污染的重要性质指标得到
尺寸范围在８～广泛关注。Ｓｈｉｍｉｚｕ［７］等的研究表明，
１５μｍ的颗粒控制着ＭＢＲ的膜污染速率。在系统稳定运行时，对污泥粒径进行了测定，结果表明，在１号
ｍ，粒径小于１５μｍ系统中，污泥的平均粒径为４００μ
的颗粒只占所有颗粒总数的０．５％以下；２号系统中污
ｍ，粒径小于１５μｍ的颗粒占泥的平均粒径是８０．８μ
所有粒径总数的１０％。这意味着投加ＰＡＦＳ增大了混合液颗粒粒径，这主要是因为存在的较多的原、后生
使得粒动物吞食了污水中细菌难以降解的污染物［６］，
径较小的颗粒减少；ＰＡＦＳ通过吸附和絮凝等作用，有助于细菌包覆成粘性的团块，结合为紧密的菌胶团絮
体，同时破坏了混合液胶体的稳定性，减小固体颗粒
与水分子的亲和力，增大颗粒之间的凝聚力，进而增大混合液颗粒粒径。２．１．３污泥比阻
膜过滤导致混合液中的活性污泥向膜面迁移，并不断在膜面沉积形成沉积层。Ｘｉａｏ－ＭａｏＷａｎｇ［３］的研究表明，在ＳＭＢＲ中沉积层是导致膜污染的主要因素。
污泥比阻是单位质量沉积层所产生的阻力，是沉积层过滤性能的综合指标［８］，其值愈大，表明过滤性能
比阻愈差。比阻在１．０×１０１３ｍ／ｋｇ以上为难过滤污泥；
在（０．４～１．０）×１０１３ｍ／ｋｇ为中等难过滤污泥；比阻小于０．４×１０１３ｍ／ｋｇ为易过滤污泥。本试验中两个系统的污泥比阻均大于１．０×１０１４ｍ／ｋｇ，表明两系统污泥的过滤性能都很差，但１号系统的污泥比阻约为２号系统的１／１０，这说明投加ＰＡＦＳ可以减小污泥比阻，改善过滤性能。原因在于较大的颗粒组成的沉积层可以提供比较大的通道以方便滤液的渗出。２．２膜污染情况２．２．１过滤阻力分析
膜污染可用膜过滤中的过滤阻力来表征。根据达西方程：
ｐ＝Ｒ＋Ｒ＋Ｒ（１）Ｒｔ＝ΔｍｃｆＪμ
ｈ；式中，Δｐ为膜两侧的压力差Ｊ为膜通量Ｌ／ｍ２・
ｋＰａ；为料液粘度Ｐａ・ｓ；μＲｔ为过滤总阻力ｍ－１；Ｒｍ膜固有阻力ｍ－１；Ｒｃ是沉积阻力ｍ－１；Ｒｆ是污染阻力ｍ－１。试验在运行３５ｄ时，测定了两系统混合液过滤阻力分布结果如表２所示，１号系统的总阻力仅为２号系统的１／４，其中污染阻力、沉积阻力的值分别降低了７２％和７３％。这说明投加ＰＡＦＳ明显的降低了过滤阻力、沉积层阻力和污染阻力。分析认为混合液颗粒粒径的增大减轻膜孔的堵塞并改善了过滤性能为污染阻力和沉积层阻力减小的主要原因。
表２
污泥混合液阻力分布
Ｔａｂｌｅ２
过滤阻力ＲｍＲｃＲｆＲｔ
Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｓｌｕｄｇｅｍｉｘｔｕｒｅ
１号系统２号系统
百分比
（％）２．７９３．９３．４１００
阻力值（×１０１０ｍ－１）３．５２４４５．７２４７．２５４９６．４９
百分比（％）０．７８９．８９．５１００
阻力值（×１０１０ｍ－１）３．５２１２９．８６４．６８１３８．２５
２．２．２抽吸压力变化
膜污染将导致抽吸压力的增长，在通量一定的情况下，抽吸压力增长速率是膜污染程度的反映。如图２所示，在最初的５０ｈ，两个系统的压力增长速率都较慢，而随着时间的增长，２号系统的抽吸压力增
刘浩等，聚合硫酸铝铁改善膜污染的研究长的越来越快，并在大约１７５ｈ的时候，抽吸压力达到３０ｋＰａ，膜组件进行了反冲洗。１号系统的压力增
压力达到３０ｋＰａ，长一直比较平缓，连续运行了５０ｄ，
进行反冲洗。因此，可以知道１号系统的压力增长速率更加平缓，这意味着１号系统的膜污染较小。这说明投加ＰＡＦＳ后，ＳＭＢＲ在运行时间相同的情况下，膜污染的程度显著减轻。
３３
３结论
在ＳＭＢＲ中投加ＰＡＦＳ后，活性污泥中会存在大量原生、后生动物，生物相变得更加丰富；抽吸压力的增长速率趋于平缓，污泥比阻仅为未加入ＰＡＦＳ时的１／１０，同时，通过电镜观察可知，活性污泥在膜表面的沉积也得到了缓解。
投加ＰＡＦＳ后，ＳＭＢＲ中污泥的平均粒径从８０μｍ增大到４００μｍ，且粒径的分布更加均一。
投加ＰＡＦＳ后，ＳＭＢＲ中的过滤总阻力从４９６．４９×１０１０ｍ－１减为１３８．２５×１０１０ｍ－１，沉积阻力从４４５．７２×１０１０ｍ－１减为１２９．８６×１０１０ｍ－１，这就是意味着污染阻力、沉积阻力的值分别降低了７２％和７３％。
参考文献：
［１］ＰｉｅｒｒｅＬｅ－Ｃｌｅｃｈ，ｅｔａｌ．Ｆｏｕｌｉｎｇｉｎｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓｕｓｅｄｉｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｍｂｒａｎｅＳｃｉｅｎｃｅ，２００６，２８４：１７－５３．
图２
抽吸压力与时间的关系
Ｆｉｇ．２Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｕｃｋｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｉｍｅ
［２］［３］
李利改．聚合硫酸铝铁的絮凝效果及其流变性能研究［Ｊ］．武汉工业学院学报，２００６，１５（１）：５７－６２．
Ｘｉａｏ－ＭａｏＷａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇｉｎａｓｕｂｍｅｒｇｅｄｍｅｍ－ｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ（ＳＭＢＲ）：Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｌｕｄｇｅｃａｋｅａｎｄｉｔｓｈｉｇｈｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ［Ｊ］．ＳｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＰｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｙ，２００７，５２：４３９－４４５．
２．２．３膜污染的电镜观察
膜污染电镜照片是膜污染的表观特征。如图３
所示，２号系统的膜污染比１号系统要严重。１号系统的膜表面只有均一的凝胶层，活性污泥的沉积较少；２号系统可以明显的看到有厚厚的一层粘性物质附着在膜表面，并附着一些悬浮污泥，沉积污泥有的地方比较致密，有的地方比较疏松。这说明ＰＡＦＳ减缓了ＳＭＢＲ中活性污泥在膜表面的沉积，主要是由粒径较大的颗粒具有较小的膜面净迁移速率所致。
［４］ＢＳＬｕｘｍｙ，ｅｔａｌ．Ｓｌｕｄｇｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｍｅｔａｚｏａｉｎｍｅｍ－ｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ［Ｊ］．ＷａｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，４４（１０）：１９７－２０２．
［５］ＢＳＬｕｘｍｙ，ｅｔａｌ．Ｐｒｅｄａｔｏｒｇｒａｚｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｂａｃｔｅｒｉａｌｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉ－ｂｕｔｉｏｎａｎｄｆｌｏｃｓｉｚｅｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｍｅｍｂｒａｎｅ－ｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ［Ｊ］．ＷａｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，４２（３－４）：２１１－２１７．
［６］［７］
周群英，等．环境工程微生物学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０００．ＳｈｉｍｉｚｕＹ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｏｎｃｒｏｓｓ－ｆｌｏｗｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｆｌｕｘｆｏｒｓｕｂｍｅｒｇｅｄｍｅｍ－ｂｒａｎｅｓ［Ｊ］．ＦｅｒｍｅｎｔＢｉｏｅｎｇ，１９９７，８３（６）：５８３－５８９．
［８］
图３（ｂ）２号系统图３（ａ）１号系统
图３膜污染电镜照片
Ｆｉｇ．３ＳＥＭｐｉｃｔｕｒｅｓｏｆｆｏｕｌｉｎｇｍｅｍｂｒａｎｅ
ＨｏｗｅｌｌＪＡ，ｅｔａｌ．Ｍｅｍｂｒａｎｅｓｉｎｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ－ｔｈｅｏｒｙａｎｄａｐｐｌｉ－ｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｇｌａｓｇｏｗ，ＵＫ：ＢｌａｃｋｉｅＡｃａｄｅｍｉｃ＆Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ，１９９３：１５５－１８０．
ＭＥＭＢＲＡＮＥＦＯＵＬＩＮＧＣＯＮＴＲＯＬＩＮＳＵＢＭＥＲＧＥＤＭＥＭＢＲＡＮＥＢＩＯ－ＲＥＡＣＴＯＲＷＩＴＨＰＯＬＹＭＥＲＩＣ
ＡＬＵＭＩＮＵＭＦＥＲＲＩＣＳＵＬＦＡＴＥ
ＬＩＵＨａｏ，ＷＡＮＧＪｕｎ，ＺＨＯＵＹｕａｎ，ＸＩＤａｎ－ｌｉ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇｗａｓｔｈｅｍａｉｎｏｂｓｔａｃｌｅｆｏｒｔｈｅｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｍｅｒｇｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏ－ｒｅａｃｔｏｒｓ（ＳＭＢＲ）．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｏｌｙｍｅｒｉｃａｌｕ－ｍｉｎｕｍｆｅｒｒｉｃｓｕｌｆａｔｅ（ＰＡＦＳ）ｅｘｐｌｏｒｅｄｔｏＳＭＢＲｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｅａｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｆｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｌｏｃｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ８０．８μｍｔｏ４００μｍ，ｔｈｅｔｏｔａｌｒｅ－ｓｉｓｔａｎｃｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ４９６．４９×１０１０ｍ－１ｔｏ１３８．２５×１０１０ｍ－１，ｔｈｅｃａｋｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ４４５．７２×１０１０ｍ－１ｔｏ１２９．８６×１０１０ｍ－１．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｒｉｓｉｎｇｒａｔｅｏｆｓｕｃｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｌｕｄｇｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗａｓｏｎｅ１０ｔｈｏｆｔｈａｔｉｎａｂｓｅｎｃｅｏｆＰＡＦＳ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆＰＡＦＳｌｅａｄｓｔｏｍｏｒｅｋｉｎｄｓｏｆｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｍｅｒｉｃａｌｕｍｉｎｕｍｆｅｒｒｉｃｓｕｌｆａｔｅ（ＰＡＦＳ）；ｓｐｅｃｉｆｉｃｓｌｕｄｇｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｓｕｂｍｅｒｇｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏ－ｒｅａｃｔｏｒｓ（ＳＭＢＲ）；ｇｒａｎｕｌａｒｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇ