膜生物反应器（Membrane bioreactor, MBR）因其出水水质好、剩余污泥少、占地面积省在污水深度处理及提标改造中日益得到广泛关注和推广[1-7]，但膜材料价格和膜污染仍然是限制该技术大范围应用的瓶颈[8-10]。为解决传统MBR的不足，动态膜生物反应器（Dynamic membrane bioreactor, DMBR）应运而生。DMBR是建立在传统MBR基础之上的新型生物反应器，以无纺布、筛网等粗孔材料为膜基材，通过活性污泥过滤过程中形成的生物动态膜实现近似于微滤膜的过滤效果，该技术具有基建及运行费用低、膜污染易控制等优点[11-12]。Seo等[13]、Hong[14]等研究发现，DMBR在处理效果和悬浮物截留均表现出很好的效果。武小鹰等[15]认为DMBR的工作压力更小，膜材料具有再生性，通过水力冲洗可使膜通量恢复90%以上。
膜基材是DMBR的重要组成部分，会直接影响系统运行特性和污染物去除效果。国内外学者分别对筛网[16-20]、无纺布[21-23]、织物[24]、陶瓷[25]等作为膜基材进行了广泛的研究。本课题组前期分别考察了以聚酯无纺布、聚丙烯无纺布、聚酯筛网、聚酰胺筛网、海绵等作为膜基材，发现所构成的DMBR对有机物和NH3-N均有较好的去除效果[26-27]。
为了进一步改善出水水质，结合既往研究成果，将活性炭海绵作为DMBR的膜基材。活性炭海绵作为DMBR的膜基材，可将活性炭的吸附性能和海绵的过滤性能有机结合。活性炭海绵是采用高分子粘结材料将优质、吸附性能较强粉状催化活性炭附载于聚氨酯发泡载体上制成的过滤材料，其含炭量在30%~50%，具有良好的吸附性能；同时，活性炭海绵具有海绵的一些特性，如较高的孔隙率、良好的过滤性能等，使得抗膜污染能力得到增强。主要考察以活性炭海绵作为膜基材的DMBR的处理效果和运行特性，并将其处理效果和现有污水处理厂深度处理出水对比，探索该DMBR应用于实际污水处理厂提标改造的可行性。
中试装置位于江苏常州某城市污水处理厂，中试处理规模50 t/d，停留时间8 h，进水为该厂缺氧池出水，中试装置通过回转式鼓风机提供氧气，曝气系统采用穿孔布气，气水比控制在10:1。接种污泥取自污水厂好氧池，稳定运行过程中控制污泥浓度在8 000 mg/L左右。出水采用重力出流，水头压差约1 m。
实验采用80块面积和构造相同的平板膜组件，每块膜组件尺寸为1.0 m×0.5 m，总有效过水面积约70 m2。膜材料采用活性炭海绵，孔径约为500 μm，厚1 cm；膜组件的排列方式为横向、纵向各2排，每排单独出水。
实验原水为污水处理厂缺氧池出水，其水质条件见表 1。
现有污水处理厂采用A2O工艺，工艺流程如图 1所示。
定期分别对DMBR进出水、膜池上清液、污水厂二沉池出水、转盘滤池出水进行采样分析。测定项目包括pH值、温度、浊度、MLSS、COD、NH3-N、$\text{NO}^-_3$-N、$\text{NO}^-_2$-N、TN、TP等，均采用中国标准方法[28]。
图 2为中试装置对COD的去除效果。由图可知，进水COD在60.0~141.0 mg/L变化时，出水COD浓度稳定在35.0 mg/L以下，对应平均去除率为73.2%。由图还可发现，膜池上清液COD浓度高于出水，基本稳定在22.0~58.0 mg/L。经计算，动态膜组件对COD去除的平均贡献率约为11.3%（出水去除率与上清液去除率之差值）。COD去除率较既往研究略低。分析认为，主要是由原水水质浓度波动较大和进水含有部分工业废水两方面原因所致。
DMBR对NH3-N和TN的去除效果见图 3、4。
由图 3可知，系统取得了优良的硝化效果，出水NH3-N稳定在1.4 mg/L以下，对应平均去除率为91.3%。上清液NH3-N浓度比出水更低，基本稳定在0~0.65 mg/L。从结果来看，动态膜组件对NH3-N并没有去除效果，分析认为，一方面DMBR好氧膜池本身较强的硝化作用，出水NH3-N浓度已经比较低；另一方面也与NH3-N较小的分子量不易被膜截留相吻合。
由图 4可知，当进水TN在11.6~22.5 mg/L波动时，出水TN浓度稳定在10.2 mg/L以下，平均去除率约为50.3%；膜池上清液TN浓度略高于出水浓度，计算得出动态膜组件对TN的去除贡献约为11.1%（出水去除率与上清液去除率之差值）。分析认为，活性炭海绵基材具有一定的厚度及吸附性能，使得膜内部形成一个厌氧/缺氧空间，促进了反硝化的进行。
进一步比较发现，系统硝化效率较高，但反硝化效率并不高，分析认为这可能是由于进水有机物浓度较低、不能满足反硝化所需碳源所致。
为了进一步探讨氮元素在DMBR中的迁移转化，详细考察了系统进水、膜池上清液和出水中不同形态氮的浓度分布，其平均值见表 2。
由2表可见，进水氮主要以NH3-N、$\text{NO}^-_3$-N形态存在，膜池上清液和DMBR出水中氮主要以$\text{NO}^-_3$-N形态存在，DMBR取得了较好的硝化效果。比较上清液和出水中氮的浓度分布，可以发现出水TN和$\text{NO}^-_3$-N低于上清液，说明膜组件内部存在一定的缺氧环境，促进了反硝化的进行。由表 2还可发现，NH3-N浓度由8.3 mg/L降至0.7 mg/L，TN浓度却由15.3 mg/L降至7.6 mg/L，表明系统存在同步硝化反硝化现象。
图 5为DMBR对TP的去除效果。由于该污水厂进水中含有部分工业废水，进水TP浓度较低（1.5~2.0 mg/L），故缺氧池出水TP浓度仅为0.5~0.8 mg/L。
由图 5可见，系统出水TP稳定在0.3 mg/L以下，平均去除率约60.7%。分析认为，系统中磷的去除主要得益于微生物的生理作用、活性炭的吸附作用以及少量的剩余污泥排放。进一步比较发现，系统上清液TP基本稳定在0.09~0.5 mg/L，高于出水浓度，计算得出动态膜组件对TP去除的平均贡献率为10.7%。由于活性炭吸附和微生物的作用，使得海绵基材DMBR的TP去除效果优于其他类型的动态膜生物反应器。
将DMBR出水分别与污水处理厂二沉池出水和转盘滤池出水进行效果比较，结果见表 3。
由表 3可以看出，相对于二沉池和转盘滤池出水，DMBR对COD和TN具有一定的去除优势。分析认为，DMBR中较高的污泥浓度使得系统具有较强的有机物去除能力。而活性炭的巨大表面积和吸附作用可将有机物富集浓缩在活性炭海绵基材的表面和周围，为微生物的代谢活动营造了良好的微环境，加快了有机物的降解过程。并且，酶可以进入活性炭海绵的微孔中，将吸附的有机物降解，而空出的吸附位可以重新吸附有机物，这样就同时实现了活性炭的再生，整个系统就在吸附降解再生重吸附这种协同作用下运行，最终提高出水水质。DMBR对TN的去除优势主要是得益于活性炭海绵内部所形成的反硝化空间。就NH3-N和TP去除效果而言，DMBR和现有污水处理厂均取得了较好的去除效果，经统计学分析，两者之间没有显著性差异（P>0.05）。
综上，活性炭海绵DMBR对污染物的去除效果优于污水厂二沉池出水，可完全取代现有污水厂深度处理工艺，可望应用于污水厂的提标改造。
为了保持DMBR稳定的通量，本研究通过加大曝气反冲洗的方式来稳定出水通量。具体操作方式为：系统运行一个月左右，每天每隔8 h关闭进水和出水，同时打开两台风机反冲洗30~45 min，之后重新打开进水和出水。试验过程中发现，当重新打开出水阀门的初始阶段，出水浑浊，但5~10 min以后，出水水质恢复，通量也得到一定程度的恢复。具体通量变化见图 6所示。
由图可见，运行前期出水通量呈缓慢下降趋势，通量由最初的48 L/(m2·h)下降至第40 d的20 L/(m2·h)，第10 d出水通量急剧降低是由于进水泵损坏导致水位下降，作用水头降低。此后通过加大曝气反冲洗，通量得到了一定的恢复，最终稳定在30 L/(m2·h)左右，表明曝气反冲洗可用于维持DMBR的稳定运行。
1）以活性炭海绵为膜基材的DMBR将活性炭的吸附性能和海绵的空间结构特征有机结合，取得了较好的污染物去除效果，系统出水COD、NH3-N、TN和TP浓度分别≤35.0 mg/L、≤1.4 mg/L、≤10.2 mg/L和≤0.3 mg/L，出水达到GB18918—2002（一级A）标准；对应平均去除率分别为73.2%、91.3%、50.3%和60.7%。其中，膜基材及其表面附着的微生物对COD、TN和TP等污染物具有较大去除贡献，平均贡献率分别为11.3%、11.1%和10.7%。
2）与现有污水处理厂处理效果比较，活性炭海绵DMBR对COD和TN具有一定的去除优势；就NH3-N和TP而言，DMBR和污水处理厂均取得了较好的去除效果。活性炭海绵DMBR对污染物的去除效果优于污水处理厂二沉池出水，可完全取代现有污水厂深度处理工艺。
3）活性炭海绵DMBR运行一个月左右，其膜通量由启动初期的48 L/(m2·h)下降至20 L/(m2·h)，此后通过加大曝气反冲洗使通量得到一定恢复，并最终稳定在30 L/(m2·h)左右。
2014, Vol. 36 Issue (2): 89-93
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