考慮到MF膜具有允許溶解性鹽透過的特性，筆者在之前的研究中提出了采用MF膜來控制OMBR中鹽度積累的設(shè)想，成功實(shí)現(xiàn)了鹽度的控制。以此為基礎(chǔ)，在本研究中提出了一種新型的污水處理與回用工藝―禍合MF的OMBR 。MFO-MBR中FO膜的出水滿足飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，可以作為高品質(zhì)的回用水，而MF膜的出水可以滿足城市雜用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。基于此，MFO-OMBR在今后的污水處理與回用領(lǐng)域應(yīng)該具有良好的應(yīng)用前景。
已有的關(guān)于OMBR的研究均是采用HTI生產(chǎn)的三乙酸纖維材質(zhì)的FO膜。最近面世的另一種材質(zhì)的FO膜一聚酞胺復(fù)合薄膜的穩(wěn)定性和親水更好，且反向鹽滲透更低，具有更好的應(yīng)用前景。因此，本文選取HTI公司生產(chǎn)的TFC材質(zhì)的FO膜構(gòu)建MFO-MBR，并從運(yùn)行通量、出水水質(zhì)、鹽度積累、污泥性質(zhì)和膜污染等方面來考察MFO-MBR處理生活污水的運(yùn)行性能。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
本實(shí)驗(yàn)采用的MFO-MBR裝置如圖1所示，主要由生物反應(yīng)器、空氣供給系統(tǒng)、進(jìn)水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、FO膜組件、MF膜組件和汲取液系統(tǒng)等組成。生物反應(yīng)器的有效體積為
7. 0 L，在膜元件下方連續(xù)曝氣，一方面為反應(yīng)器提供氧氣，另一方面增加膜面的剪切力，減緩膜污染。
實(shí)驗(yàn)使用的MF膜為聚偏氟乙烯材質(zhì)的平板膜，其平均孔徑為0. 2 um。中空纖維膜紡絲機(jī)外形像纖維狀，具有自支撐作用的膜。它是非對稱膜的一種，其致密層可位于纖維的外表面／如反滲透膜，也可位于纖維的內(nèi)表面(如微濾膜和超濾膜)。對氣體分離膜來說，致密層位于內(nèi)表面或外表面均可。 FO膜為HTI公司生產(chǎn)的TFC材質(zhì)的平板膜。所用FO膜為非對稱膜，分為活性層和支撐層，且已有研究（research)表明膜污染物更易于在支撐層沉積，因此本實(shí)驗(yàn)所采用的膜的朝向?yàn)椤盎钚詫映蛟弦骸薄O膜和MF膜元件的有效面積分別為0. 057 m2和0. 060 m2。MF膜的通量控制在LM H。
汲取液選取1.0 mol / L的氯化鈉溶液，并通過電導(dǎo)率儀控制濃度，當(dāng)電導(dǎo)率儀示數(shù)小于設(shè)定值時(shí)，濃鹽泵就會將
5. 0 mol / L的氯化鈉溶液打入汲取(吸取汲取教訓(xùn))液池中，以保證汲取液濃度穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒有變動)，從而提供穩(wěn)定的滲透壓差，排除由于汲取液稀釋而引起的通量下降的影響。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在℃的恒溫室內(nèi)運(yùn)行，HRT控制在 h, SRT為10 d,曝氣量為0. 45士0. 02 ) m3 / h，污泥濃度最終穩(wěn)定在 g / L，進(jìn)水為人工配置的生活污水，連續(xù)運(yùn)行30 d。
1. 2 接種污泥和實(shí)驗(yàn)用水
實(shí)驗(yàn)接種污泥取自連續(xù)處理模擬生活污水3個(gè)月以上的浸沒式MBR,混合液懸浮固體濃度為5.5 -7.0 g / L，混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度為
3. 85 -
5. 95 g / L,MLVSS/MLSS為0. 70 - 0. 85。本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)用水為人工配制的模擬生活污水，其中，葡萄糖、碳(C)酸氫錢和磷酸二氫鉀分別為其主要的碳源、氮源和磷源。浸沒式MBR的介紹和模擬生活污水的配方見文獻(xiàn)。
1. 3 膜污染評價(jià)裝置
為考察MFO-MBR中FO膜污染情況，本實(shí)驗(yàn)采用膜污染評價(jià)裝置進(jìn)行評價(jià)。如圖2所示，該裝置主要由原料液池、FO膜組件和汲取液系統(tǒng)等組成。原料液池的有效容積為0. 9 L。 FO膜組件分為上下相同的兩室，上側(cè)通汲取液，下側(cè)過進(jìn)料液，每室尺寸均為:寬40 m
M、長85 m
M、深20 mm。測試原料液為去離子水，汲取液為
1. 0 mol / L氯化鈉，濃鹽為
5. 0 mol / L 氯化鈉，實(shí)驗(yàn)（experiment)在25℃恒溫室中進(jìn)行，每30 min測定一次通量，連續(xù)運(yùn)行8 h。
1. 4實(shí)驗(yàn)方法
膜通量采用單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積膜的透過量表示。進(jìn)水、活性污泥濾液、出水的NHQ -N濃度均用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定。進(jìn)水、活性污泥濾液、出水的TOC用TOC分析儀測定。
活性污泥中溶解性胞外聚合物和附著性胞外聚合物的提取采用加熱離心提取法。 SMP和BEPS的含量均采用多糖和蛋白質(zhì)加和的形式表征，其中蛋白質(zhì)用考馬斯亮藍(lán)0250染色法測定，多糖采用苯酚一硫酸法測定。
運(yùn)行結(jié)束后的污染膜組件，其中一面膜裁剪出2片
8. 5 cm x
4. 0 cm大小的污染膜，分別用來分析清洗前和清洗后的膜通量;另一面裁取
5. 0 mm x
5. 0 mm的污染膜，于38℃下烘干2h，通過SEM-EDX分析污染膜面的形態(tài)和元索種類。此外，借助多重染色結(jié)合激光（LASER)共聚焦顯微鏡的方法分析污染膜面的生物污染。結(jié)合已有文獻(xiàn)，使用異硫氰酸熒光索，刀豆蛋白A ，卡爾科弗盧爾熒光增白劑和總細(xì)胞核酸染劑SYTO 63四種染色劑分別對FO膜樣品的生物污染層中的蛋白質(zhì)，α-D-毗喃多糖，β-D-毗喃多糖和微生物總細(xì)胞進(jìn)行染色，并分別在488、 552、 405和638 nm的激發(fā)波長下通過CLSM 進(jìn)行觀察，染色劑的制備以及詳細(xì)的染色過程(guò chéng)參見文獻(xiàn)。
2 結(jié)果與討論
2. 1 通量和鹽度的變化
通量和混合液電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化如圖3所示。中空纖維膜紡絲機(jī)通過膜技術(shù)進(jìn)行水處理，應(yīng)用于制藥、釀造、餐飲、化工、市政污水回傭、醫(yī)院、小區(qū)污水會用、造紙等生產(chǎn)生活污水處理。膜分離技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于溶液或氣體物質(zhì)分離、濃縮和提純的分離技術(shù)。膜壁微孔密布，原液在一定壓力下通過膜的一側(cè)，溶劑及小分子溶質(zhì)透過膜壁為濾出液，而大分子溶質(zhì)被膜截留，達(dá)到物質(zhì)分離及濃縮的目的。膜分離過程為動態(tài)過濾過程，大分子溶質(zhì)被膜壁阻隔，隨濃縮液流出，膜不易被堵塞，可連續(xù)長期使用。膜生物反應(yīng)器在污水處理，水資源再利用領(lǐng)域，MBR又稱膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor ）,是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。由圖3可知，反應(yīng)器內(nèi)電導(dǎo)率在剛加入FO膜后，即有大幅度上升，這主要是由于反向鹽滲透（Osmosis)。5d后電導(dǎo)率穩(wěn)定在
1. 7 mS / cm左右，這表明MF的引入成功實(shí)現(xiàn)了MFO-MBR的低鹽度環(huán)境。FO膜通量在初始運(yùn)行階段，隨著時(shí)間的推移呈明顯下降趨勢，至第13天時(shí)穩(wěn)定在
6. 5 LMH左右，之后隨時(shí)間的增加通量相對穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒有變動)。需要指出的是，在整個(gè)運(yùn)行過程(guò chéng)中，MF膜的通量始終維持在11 LMH,未發(fā)生通量的衰減。在已有關(guān)于未引入MF膜的OMBR研究中，進(jìn)水水質(zhì)、汲取液種類及濃度和接種污泥均相同的條件下，TFC膜通量在第10天后穩(wěn)定在
3. 0 LMH，反應(yīng)器內(nèi)電導(dǎo)率增加至22 mS / cm。與之相比，本研究的MFO-MBR具有更低的鹽度和更高的運(yùn)行通量。這說明MF膜的引入不僅可以使反應(yīng)器維持在低鹽環(huán)境，而且由于鹽度的下降造成了FO膜運(yùn)行通量的大幅提高。同時(shí)，與已有采用CTA材質(zhì)FO膜的禍合MF膜的OMBR相比，在相同的運(yùn)行條件下，TFC膜控制的鹽度低于CTA膜，這說明TFC膜比CTA膜具有更好的鹽度控制效果。
2. 2 TOC和NH4+ -N的變化
為了考察MFO-MBR去除氨氮和有機(jī)物的性能，分別測定進(jìn)水、污泥濾液、FO膜和MF膜出水的NH4+ -N和TOC濃度，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，活性污泥濾液中的NH4+ -N濃度初始階段略高，隨后呈下降趨勢，最終穩(wěn)定在0. 5 mg / L 左右，而MF出水和FO出水NH4+ -N去除率始終高達(dá)98%。從圖4還可以發(fā)現(xiàn)，污泥上清液TOC濃度維持在18 mg / L左右，生物作用去除了88%的有機(jī)物，而FO的截留作用較MF截留效果更突出，最終FO出水TOC的去除率可達(dá)到96%以上，但是MF膜的出水TOC也始終小于10 mg / L 。綜合NH4+ -N和TOC的去除情況，MF膜的加入有效緩解了鹽度積累的問題，使反應(yīng)器維持在低鹽度的環(huán)境下運(yùn)行，有效提高了NH4+ -N的生物去除效果，而由于FO膜的高截留性能，TOC的濃度大幅下降，保證了出水水質(zhì)的穩(wěn)定。從出水水質(zhì)來看，MFO-MBR中的MF的出水可以滿足城市雜用水的水質(zhì)要求，而FO的出水在經(jīng)過RO的處理后完全可以達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。
2. 3 EPS的變化
EPS來自于正常的細(xì)胞分泌物、細(xì)胞裂解和水解產(chǎn)物，由多糖、蛋白質(zhì)、脂類、核酸等組成，根據(jù)位置（position )和結(jié)合方式的不同可以分為BEPS和SMP。 MFO-MBR裝置中活性污泥的SMP和BEPS的變化如圖5所示。需要指出的是，本研究采用多糖和蛋白質(zhì)相加的形式來表征EPS的量，由于本實(shí)驗(yàn)主要以葡萄糖為碳(C)源，所有的SMP和BEPS都以多糖為主。這也與相關(guān)的報(bào)道一致。
從圖5可以看出，活性污泥的SMP和BEPS含量在初始階段都有上升的趨勢，然后趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖3中反應(yīng)器內(nèi)電導(dǎo)率的變化情況，初始階段鹽度的突然上升導(dǎo)致污泥產(chǎn)生大量的EPS，而隨著時(shí)間的推移，反應(yīng)器內(nèi)鹽度穩(wěn)定，EPS的含量亦沒有較大的變化。在已有的OMBR研究中，由于鹽度沒有控制，會出現(xiàn)EPS含量持續(xù)上升的情況。然而，雖然本研究的EPS含量比較穩(wěn)定，但是其含量較高。考慮到EPS對膜污染的重要貢獻(xiàn)，穩(wěn)定的高EPS濃度可能會加重MFO-MBR運(yùn)行過程中FO膜的生物污染。
2. 4 FO膜感染
2.
4. 1 污染膜的外部形貌及元素組成
為了原位分析(Analyse)膜面污染物的形態(tài)和組成，通過SEM和EDX分別分析膜面污染物的形態(tài)以及膜面元素的組成，結(jié)果如圖6所示。
SEM結(jié)果表示，膜面全部被污染物覆蓋，呈不規(guī)則形狀。EDX結(jié)果顯示，污染膜的成分包括
C、
N、
O、N
A、M
G、A
I、S
I、
P、
S、C
I、Ca和Fe等離子，其中無機(jī)污染離子主要為N
A、S
I、
P、
S、C
I、Ca和Fe，其次為Mg和Al。在MFO-MBR運(yùn)行過程中，進(jìn)水和活性污泥中都存在這些金屬離子，因此，進(jìn)水和活性污泥為無機(jī)污染的主要來源，這與已有研究結(jié)果相似。
2.4.2 污染膜的生物污染物
圖7為MFO-MBR連續(xù)運(yùn)行30 d后FO膜表面生物感染層中總細(xì)胞、蛋白質(zhì)(protein)、α-D-毗喃多糖及β-D-毗喃多糖4種污染物質(zhì)的CLSM圖像。從圖7可以看出，F(xiàn)O膜的生物污染層主要由總細(xì)胞、蛋白質(zhì)、α-D-毗喃多糖及β-D-毗喃多糖這4種物質(zhì)組成，成分與已有研究相似。微生物總細(xì)胞在膜面聚集且形成一層致密的污染層。蛋白質(zhì)與微生物總細(xì)胞一樣，大量聚集成塊狀沉積在FO膜表面，形成致密的蛋白質(zhì)污染層。與總細(xì)胞和蛋白質(zhì)相比，α-D-毗喃多糖的含量較少，且比較松散，孔隙率較大，而β-D-毗喃多糖分布更松散，僅有部分呈條帶狀分布。與已有研究相比，本研究TFC污染膜面的生物總細(xì)胞的量明顯增多，這可能是由于鹽度緩解后，微生物的量有所增加。
2. 5 通量恢復(fù)情況
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，以去離子水為原料液，測定污染膜的水通量。測試結(jié)束后，立即將膜面的污染物采用自來水沖洗的方式進(jìn)行清洗，然后以去離子水為原料液，測定簡單物理清洗后膜的水通量。污染FO膜以及物理清洗后的膜通量如圖8所示。采用膜評價(jià)裝置在同等測試條件下獲得新TFC膜初始通量為
14. 1LM H。從圖8可以看出，污染膜通量僅為新膜通量的72.8 %，下降了27.2%。然而，經(jīng)過簡單的物理清洗后，F(xiàn)O膜的通量恢復(fù)為新膜通量的84.0%，提升了11.2%，但與新膜仍有一定的差距。這說明加入MF膜后，在鹽度得到控制的前提下，膜污染成為通量衰減的主要原因，且主要為不可逆污染。與同等運(yùn)行條件下的CTA膜相比，TFC膜在經(jīng)過物理清洗后的通量恢復(fù)效果較差。在今后的研究中需要繼續(xù)開展TFC膜的化學(xué)清洗研究，進(jìn)一步提升通量的恢復(fù)效果。具體參見污水寶商城資料(Means)或
3 結(jié)論
1)MF的引入有效減緩了OMBR中鹽度的積累，并大幅提升了FO膜的運(yùn)行通量。與CTA材質(zhì)的FO膜相比，TFC材質(zhì)的FO膜具有更好的鹽度緩解效果和更高的運(yùn)行通量。
2) MFO-MBR具有較好的TOC和NH4+ -N的去除效果，MF的出水可以滿足城市雜用水的水質(zhì)要求，而FO出水中TOC和NH4+ -N的去除率分別高達(dá)96%和98%。
3 ) MFO-MBR運(yùn)行30 d后，TFC膜表面覆蓋厚厚的污染層，除了無機(jī)物外，主要有機(jī)和生物污染物為總細(xì)胞、蛋白質(zhì)、α-D-毗喃多糖及β-D-毗喃多糖，且以微生物和蛋白質(zhì)為主。
4)在鹽度得到控制后，膜污染成為通量衰減的主要原因，對污染膜進(jìn)行簡單的物理清洗后，通量略有提升。
