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1、http:/ - 1 - 自生动态膜自生动态膜-生物反应器技术的研究进展生物反应器技术的研究进展 薛念涛，孙体昌，赵发，邢家乐，崔志广 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 （100083） 摘摘 要要：自生动态膜-生物反应器（SDMBR）是一种新颖的处理工艺，处理实际的城市污水 获得了良好的处理效果，而且它的微网基材廉价易得，可大幅降低 MBR 工艺的造价。本文 介绍了国内外 SDMBR 技术的研究进展，分析讨论了存在问题和前景。 关键词关键词：自生动态膜-生物反应器，进展 膜技术正在水处理领域掀起一场革命，并在诸多领域发挥愈来愈重要的作用1。但是投资较高和膜污染问题在一定程度上限制了它的推
2、广发展，其中最主要的是膜的费用。动态膜-生物反应器（DMBR）是一种新颖的处理工艺，处理实际的城市污水获得了良好的处理效果，而且它的基材廉价易得，可大幅降低MBR 工艺的造价；过滤阻力很小，可以在低至几毫米的水位差的驱动下自流出水2。 1. 动态膜的概念与分类动态膜的概念与分类 动态膜的概念是1965年由Oak Ridge Laboratories 的Marcinkowsky和他的合作者们共同提出的。过滤含有无机物或有机物的溶液，使它通过多孔支撑体就形成了动态膜3。Spence 和Thomas 建议使用“原位形成膜”（formed-in-place membrane, FIP membrane
3、）来更准确地描述动态膜的概念4。 动态膜可分为预涂 (pre-coated) 和自生 (self-forming) 两种基本类型。前者是一种或多种特定组分的溶液流过多孔支撑体的表面形成的5。前景最好的是水合氧化锆（）/聚丙烯酸组成的双层膜5。后者形成动态膜的物质与被分离的物质一致，是在过滤过程中逐步形成的，见图 0-1。 图 0-1 自生动态膜形成示意图 动态膜的优点是高渗透性，容易再生，膜容易去除，可以由多种物质形成动态膜6。 http:/ - 2 - 2. 动态膜动态膜-生物反应器概述生物反应器概述 2.1 动态膜动态膜-生物反应器的概念与分类生物反应器的概念与分类 在MBR 的运行中，膜
4、表面会产生污染层。通常污染层由活性污泥构成的污泥层和由多糖、蛋白质等胶体和大分子物质组成的凝胶层组成。 这层污染层一方面引起了膜通量的下降， 而从另一方面讲，膜表面的凝胶层增强了膜的截留能力。 在上面这种现象的启发下，范彬7采用一种0.1m 筛分孔径的筛绢制成平板型过滤组件，与生物反应器构成一体式动态膜-生物反应器（SFDMBR），旨在主动利用这种凝胶层的过滤能力对生物反应器内的混合液进行固液分离，结果取得了很好的处理效果。 参照动态膜的分类方法，动态膜-生物反应器可以分为“自生动态膜-生物反应器”（self-forming dynamic membrane bioreactor，简称 SDM
5、BR）与“预涂动态膜-生物反应器”（pre-coated membrane bioreactor）。本文主要讨论前者。 与传统超滤膜与微滤膜组成的膜生物反应器相比，动态膜-生物反应器有下列突出优点8： （1）膜的基材廉价易得，可大幅降低MBR 工艺的造价； （2）动态膜的过滤阻力很小，因而可以在低至几毫米的水位差的驱动下自流出水，而膜通量却可以与固定膜的MBR 相媲美，甚至更高； （3）动态膜污染容易控制，采取膜下方曝气的方式即能完全恢复动态膜的通量。 3. 自生动态膜自生动态膜-生物反应器的研究现状生物反应器的研究现状 3.1 自生动态膜自生动态膜-生物反应器的构成与运行方式生物反应器的构成
6、与运行方式 3.1.1 微网材料微网材料 范彬7和上海师范大学的吴季勇9采用孔径 100m 的聚酯筛绢作为过滤基材；日本丰桥大学的 Kiso 等10采用的是孔径为 100m 的聚酰胺筛绢；孙友峰11采用孔径分别为 5-10m 和70-120m 的微孔管作为过滤基材；英国 Cranfield 大学水科学学院的 Gander 等12采用 5m 聚丙烯无纺布；Seo 等13采用了密度为70、50 和35g/m 的聚丙烯无纺布；Alavi Moghaddam 等1415则采用了密度为 15g/m2的聚酯无纺布，孔径范围为 50200m；华中科技大学的熊丽16采用采用孔径为 0.1mm 左右的筛娟包裹膜
7、组件制成平板型过滤组件；山东轻工业学院的初里冰17采用普通的工业滤布；同济大学的高松等18采用以 200 目、孔径为 80m 的不锈钢丝网。吴盈禧19和夏俊林20选取了四种不同规格的无纺布作为动态膜粗网材料进行泥水分离比较试验， 发现四种材料构成的动态膜对浊度的去除效果无明显差异，喷丝密度较小(30g/m2)的无纺布构成的动态膜的阻力增长缓慢，能保持较高膜通量（40L/(m2h)）以上，有利于动态膜-生物反应器的长期稳定运行。 3.1.2 曝气方式曝气方式 研究采用的曝气方式主要有两种：组件下方直接曝气和组件侧方曝气。Kiso、Seo、Alavi Moghaddam、范彬、孙友峰和吴季勇均采用
8、侧方曝气，该曝气方式下活性污泥容易在微网材料表面形成污泥层，在一定程度上减缓微网材料上凝胶层污染，过滤阻力较低。Gander、张捍民等则采用传统膜-生物反应器的下方曝气方式。 3.1.3 出水方式出水方式 http:/ - 3 - 研究采用的出水方式包括重力自流出水与泵抽吸出水方式。重力自流出水方式适用于动态膜过滤阻力不高的情况，Kiso、范彬、Seo 和吴季勇均采用该方式，这样可省去抽吸泵，但由于过滤过程由水头驱动， 当液位上升速率明显小于阻力上升速率时， 动态膜过滤通量可能会明显减小。泵抽吸出水理论上适用于所有动态膜-生物反应器，用泵操作可以实现恒压或恒流操作。当动态膜过滤阻力比较高， 液
9、位差不足以维持一定通量时， 宜采用泵抽吸出水。 Gander 采用0.06bar下的恒压泵抽吸出水。孙友峰、张捍民和Alavi Moghaddam 则采用了恒流泵抽吸出水，过滤压差可以发展到几到几十kPa 左右。 3.1.4 出水水头（出水水头（WHD） 范彬等比较详尽地研究了出水水头对自生动态膜过滤性能的影响8。在恢复期内维持较高的WHD 不利于动态膜凝胶层的修复，使动态膜的截留性能下降。稳定通量并不随WHD 的增加而正比地增加，当WHD 达到一定高度后稳定通量即达到最大，继续增加WHD 稳定通量甚至有减小的趋势。高松等18考察了 10cm、20cm、30cm、40cm 四种 WHD，除 W
10、HD10 外，其余都能在很短的时间(2min)内使 SS 降到排放标准，并在 15min 后使浊度小于 1NTU；流量方面，各WHD 下流量均有迅速的衰减，后续的通量以WHd30cm 略大。 3.1.5 通量通量 采用新型材料的动态膜生物反应器能够长期稳定运行，在高达 40L/(m2h)的通量下稳定运行 33d 后，过滤压差从零上升到 245Pa，系统仍有稳定运行的潜力21。高松等18的结果表明初始通量对动态膜的形成及后续流量影响较大。 减小初始通量有助于流量的稳定， 但流量减小会有一边界值。他们建议操作采用大的初始通量和小的后续通量，前者可有效形成动态膜，后者则缓和动态膜的堵塞从而达到稳定出
11、水。 3.2 自生动态膜过滤的影响因素自生动态膜过滤的影响因素 3.2.1 微网材料孔径微网材料孔径 Chang 等对三种孔径分别为 1.5、3、5m 的聚丙烯无纺材料进行了比较22，试验结果表明聚丙烯无纺材料的有机物去除率、 硝化效果和出水的浊度都可以与0.4m 的聚砜膜相比， 出水平均浊度小于1NTU。Seo 发现35g/m 无纺布恒压过滤的通量衰减速度慢于70 和50g/m 的无纺布，但最初出水SS 含量稍高。过滤2040min 后三者的出水SS 均下降至10mg/L。 恒压过滤压差与恒流过滤通量：Seo 得到0.1m 水柱压力下自生动态膜恒压过滤初始通量为1m/d，明显低于0.5m 水
12、柱下的初始通量25m/d，低压下通量在随后的160min 内有少量衰减，而高压下通量在过滤 40min 后降为初始通量的 70，但绝对值高于低压下的值。范彬采用筛绢得到同样的结果，即随着过滤压差的升高，过滤通量明显增加23。 3.2.2 污泥龄污泥龄 Alavi Moghaddam 等得到不排泥运行条件下，运行周期比SRT 为10d 和30d 时短，出水水质较差，认为原因在于不排泥时反应器内污泥浓度为7g/L，远高于SRT 为 10d 和 30d 时的污泥浓度 1.8g/L 和 3g/L。Mayer 等24认为污泥龄变化引起动态膜过滤性能差异的主要原因在于污泥特性的不同，当污泥絮体细小，凝聚性
13、较差时，动态膜阻力上升速率加快，当絮体尺寸较大，凝聚性较好时，动态膜阻力上升速率较缓。 3.2.3 过滤阻力过滤阻力 http:/ - 4 - 采用侧方曝气且过滤基材为微网材料的自生动态膜过滤阻力很小， 范彬研究了SRT 和HRT分别为4047d 和3.5h，下方曝气周期一天，膜通量为14.9L/（m2h）的情况下自生动态膜的过滤压差变化情况，反应器平稳运行了45d，液位差基本维持在10mm 以下23。吴季勇采用自生动态膜-生物反应器对模拟城市污水进行研究，发现在HRT=4h，膜通量为20.8L/（mh），MLSS在 4g/L 时反应器稳定运行了 40 天，出水水头压差保持在 9mm 左右9。
14、采用泵抽吸出水方式，动态膜过滤压差可发展到几十kPa 14。Libing Chu et al.25的研究表明动态膜的过滤阻力比微滤/超滤膜要低 23 个数量级，滤饼层阻力是主要过滤阻力，凝胶层以及膜的吸附堵塞阻力也不容忽视，在总阻力中约占 14%。范彬等26发现已经覆盖有凝胶层的膜片与未使用过的新膜片的过滤阻力几乎相等，约为1.9109m-1。如此小的过滤阻力使得在进行研究时不能忽略滤液在出水管路中的流动水头损失。 3.3 混合液性质的研究混合液性质的研究 于妍研究了DMBR 工艺的反应器混合液特性和微生物特性27。SVI 值虽然经常经常波动，甚至有时很高，但系统对有机物的去除率并没有受到 S
15、VI 的影响。污泥浓度绝大部分时间保持在4 500mg/L 左右。在长达4 个月的污泥活性测试过程中，污泥活性并没有明显的变化，而且始终保持较高的水平（20mg-O2/g-vssh-1）。反应器污泥平均粒径分布为126m。 3.4 自生动态膜机理的研究自生动态膜机理的研究 吴盈禧研究了动态膜形成及堵塞过程的机理19。 动态膜污泥层在运行周期内持续匀速累积，累积速率约为 050g/（m2h），污泥层内固体浓度范围为 3070g/L，远高于反应器内的固体浓度。凝胶层主要由微生物及其代谢产物构成。 微网材料与凝胶层的总阻力可达109m-1量级， 远高于新微网材料阻力（1.7106 m-1）。 周小红
16、等28用硝酸盐微电极研究动态膜内的反硝化过程。在不同的进水 COD 负荷下，动态膜在膜水界面 0.61.0mm 以下开始发生反硝化反应。动态膜的过膜 COD 负荷会影响动态膜的反硝化速率和区域。 在进水负荷0.131.96kg/(m3d)范围内， 动态膜均具有一定的反硝化活性。在进水负荷为0.45 kg/(m3d)时，动态膜的反硝化速率最高，可达到0.634710-6mol(Ls)。 吴盈禧等29发现动态膜的降解活性以及生长增殖特性， 在很大程度上取决于动态膜内的基质与溶解氧等条件。 3.5 自生动态膜自生动态膜生物反应器的试验规模生物反应器的试验规模 现在报道的一般是实验室小试。台湾工研院环安中心对无纺布构成的自生动态膜-
