膜材料对膜曝气生物膜反应器性能影响的比较

2016年4月 CIESC Journal April 2016第67卷 第4期 化 工 学 报 Vol.67 No.4

膜材料对膜曝气生物膜反应器性能影响的比较

曾庆楠1，吴云1,2，张宏伟1,2，张楠3

（1天津工业大学环境与化学工程学院，天津 300387；2天津工业大学省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，

天津 300387；3中海油天津化工研究设计院，国家工业水处理工程技术研究中心，天津 300131）

摘要：选择聚偏氟乙烯（PVDF）和聚丙烯（PP）中空纤维曝气膜作为膜曝气生物膜反应器（MABR）的膜组件

材料，比较两种膜材料由于亲疏水性能、表面形态、生物相容性等性质的差别，对MABR挂膜启动速度、生物附

着量、脱氮除碳及膜污染等性能的影响。研究显示，运行末期PVDF和PP膜纤维生物附着量分别为35.62 g·m−2

和30.63 g·m−2。通过场发射扫描电子显微镜观察两种膜表面生物污染情况，PVDF膜纤维表面呈鱼鳞状结构，

有效保护了膜孔不被微生物完全堵塞。在90 d的运行周期内以PVDF为曝气膜材料的MABR获得了90%以上的

COD去除率和78%的TN去除率；而以PP为曝气膜的MABR由于运行后期曝气膜纤维污染严重仅得到了76.5%

的COD去除率和49.1%的TN去除率。因此， PVDF曝气纤维更适于作膜曝气生物膜反应器的曝气膜。

关键词：MABR；PVDF；PP；生物膜；膜污染

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151362

中图分类号：X 703.1 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2016）04—1483—07

Effects of membrane materials on performance of membrane aerated

biofilm reactor

ZENG Qingnan1, WU Yun1,2, ZHANG Hongwei1,2, ZHANG Nan3

(1School of Environmental and Chemical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2State Key Laboratory of Separation Membranes & Membrane Processes, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387,

China; 3CNOOC Tianjin Chemical Research & Design Institute, National Industrial Water Treatment Engineering

Technology Research Center, Tianjin 300131, China)

Abstract: Polyvinylidene fluoride (PVDF) and polypropylene (PP) were chosen as membrane materials to

compare the effects of membrane materials on the start-up time, biomass, performance for nitrogen and carbon

removals as well as membrane fouling in membrane aerated biofilm reactor (MABR), resulting from their

different hydrophilic and hydrophobic properties, surface morphology and biocompatibility. The results showed that the biomass on PVDF and PP membrane fibers were 35.62 g·m−2 and 30.63 g·m−2, respectively. The

membrane fouling by microorganism was observed by using scanning electron microscope (SEM). The surface of

PVDF membrane fibers with scaly structure was found, which prevented the pores from being blocked by

microorganism on the surface effectively. MABR equipped PVDF membrane fibers achieved COD removal

efficiency of above 90% and TN removal efficiency of 78% during 90 days operation, while COD and TN

removal efficiencies of MABR occupied with PP membrane fibers were kept 76.5% and 49.1%, respectively,

2015-08-31收到初稿，2015-11-16收到修改稿。 联系人：吴云。第一作者：曾庆楠（1990—），女，硕士研究生。基金项目：国家自然科学基金项目（51108316）；中国博士后科学基金项目（2015M571267）；天津市科技计划项目（14ZCDGSF00128）。 Received date: 2015-08-31. Corresponding author: Prof. WU Yun, wuchloud@163.com Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51108316), the Postdoctoral Science Foundation of China (2015M571267) and the Science and Technology Project of Tianjin (14ZCDGSF00128).

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owing to membrane fouling. It was suggested that PVDF membrane fibers should be more suitable for MABR.

Key words: MABR; PVDF; PP; biofilm; membrane fouling

引 言

氮元素污染的日益加剧，使污水脱氮问题成为

目前水处理领域亟待解决的重要问题。在废水脱氮

中，生物脱氮是最为经济有效的处理技术 [1]。膜曝

气生物膜反应器（MABR）最早是由美国的Yeh等[2]

提出，是将气体分离膜技术与生物膜法污水处理技

术相结合的新型污水处理工艺[3]。其净化原理为当

污水以一定流速流经附着在曝气膜表面的生物膜周

围时，在浓度差驱动和微生物吸附等作用下水中的

污染物进入生物膜内部，被微生物同化或分解成无

机代谢产物，从而达到净化水体的目的。因其独特

的曝气方式和生物膜分层结构，MABR具有氧利用

率高、生物降解能力强[4]的优点，相比于传统生物

膜系统能实现较好的脱氮效果[5]。有学者将MABR

应用于处理工业废水[6]，展现出MABR的可行性和

优越性，之后用其处理挥发性有机物废水[7]，并取

得了良好的效果。因此，MABR已成为近年来污水

处理技术的研究热点，有广泛的应用前景[8]。

MABR的性能受曝气膜材料及组件形式[9]影响

较大，选择合适的膜材料是提高MABR运行效率的

关键因素[10]。根据表面性能与结构不同，目前适于

MABR膜材料主要有疏水性微孔膜、致密膜和复合

膜3种。致密膜气体传质阻力大，气体通量不高[11]，

复合膜生产成本高，制备过程复杂[12]，以上这些因

素限制了致密膜和复合膜的广泛应用，而疏水性微

孔膜具有膜通量高、价格低廉[13]的特点，成为了研

究者的首选。

本研究选择聚偏氟乙烯和聚丙烯中空纤维作

为膜曝气生物膜反应器的膜组件材料，比较两种膜

材料由于亲疏水性能、表面形态、生物相容性等特

性差别对MABR挂膜启动速度、生物附着量、脱氮

除碳及膜污染等性能的影响。

1 实验材料和方法

1.1 MABR装置

本研究实验装置如图1所示，膜曝气生物膜反

应器由有机玻璃制成，有效容积为2.0 L。原水经蠕

动泵进入反应器，出水通过反应器上部的溢流口排

出，反应器设有循环水进口和出口，并通过隔膜泵

控制反应器内水流的循环流速。两个反应器分别内

图1 MABR装置 Fig.1 Schematic diagram of MABR

置相同膜表面积的PVDF和PP材料的膜曝气组件

（下文将两个反应器分别简称为RPVDF和RPP），组

件均为贯通式，空气从组件顶端经气泵加压进入膜

内腔，底端排气，并通过出口调节阀控制水中溶解

氧浓度在0.5 mg·L−1以下。经测定实验所用的

PVDF和PP膜纤维的平均膜表面水滴接触角分别

为74.14°和141.36°。

1.2 进水水质

本实验用水采用人工配水，废水COD为250

mg·L−1，碳氮比为5:1，废水主要包括C6H12O6 （250 mg·L−1）、NH4Cl（50 mg·L−1）、KH2PO4（10 mg·L−1），并投加CaCl2·2H2O（44.1 mg·L−1）、

MgSO4·7H2O（55 mg·L−1）、FeSO4·7H2O（30

mg·L−1）、MnSO4·H2O（20 mg·L−1）、ZnSO4·7H2O

（1 mg·L−1）等微量元素[14]，NaHCO3作为缓冲溶

剂，调节原水pH在7.5左右。

1.3 实验方法

本实验采用循环挂膜法进行挂膜，接种污泥取

自某污水处理厂（A2/O工艺）二沉池回流污泥，按

照A/O脱氮方式驯化。将驯化好的污泥加入到反应

器内（MLSS约为5000 mg·L−1），并补充碳源和部

分营养元素。初期挂膜期间，以小流量进水，且循

环流速不宜过高，之后逐渐加大进水量。经过一段

时间的密闭循环，膜纤维表面附着生物膜，排出反

应器中泥水混合液。

MABR反应器运行为连续进水，温度控制在室

温，水力停留时间（HRT）为12 h。