正渗透膜生物反应器处理糖类废水

摘要：正渗透膜（FO）是一种低能耗的膜处理工艺，而膜生物反应器（MBR）是一种高效的污水处理工艺，其最大的瓶颈就是严重的膜污染问题，将FO应用到MBR中，即正渗透膜生物反应器。根据传统膜生物反应器的膜污染特点，研究SMP和EPS的主要组成成分中的糖类物质对膜的污染情况，利用海藻酸钠模拟糖类物质，并根据生活污水的特点，在海藻酸钠中加入钙、镁离子，研究其在含有不同金属离子时膜不同放置方式时的膜污染情况，将运行后的污染膜片剪下做SEM、AFM、FTIR-ATR分析。研究表明，海藻酸钠加不同金属离子的膜污染情况不一致，其膜污染大小顺序为藻酸钠+钙>藻酸钠+钙+镁>藻酸钠+镁，且不同膜放置方式的膜污染不同，活性层面向驱动液的通量较大。

正渗透膜生物反应器（OMBR）是集正渗透膜的截留作用和活性污泥的降解作用系统于一身的污水处理系统。OMBR是在2008年首次提出，他指出，OMBR是一种低污染性能的膜生物反应器，且正渗透膜生物反应器能去除99、以上的有机物和98、以上的氨氮，具有比传统MBR更好的污水处理效果。随后，针对OMBR的研究越来越多，尤其是南洋理工大学和耶鲁大学，且主要是针对膜污染进行了研究，最先研究正渗透膜污染的是Cath等，随后越来越多的学者对OMBR的膜污染进行了研究，他们指出，OMBR中几乎没有膜污染或者所有的膜污染都是可逆的。

钙离子对膜生物反应器会产生很严重的污染；当原料液中存在0.5mmol/l的Ca2+时，其平均粘附力为0.66mN/m，是不存在Ca2+时粘附力的2倍，通量较不存在Ca2+时下降严重。Zhang等提出，OMBR的膜污染是在生物膜的形成和无机污染的共同作用下导致的。Lay等指出在污水中加入CaSO4、CaCO3，经过73d的运行，在膜表面形成了一层凝胶层，经分析知凝胶层中含有较多的胞外聚合物（EPS）。

众所周知，溶解性微生物产物（SMP）和胞外聚合物是导致传统膜生物反应器膜污染的重要因素，而SMP和EPS的主要成分是糖类和蛋白质，据LAY研究指出，正渗透膜生物反应器运行后的凝胶层中含有大量的EPS，因而可以猜测EPS对OMBR也会产生膜污染。She等利用不同金属盐类物质作为驱动溶质，研究其膜污染情况发现，钙盐的膜污染较严重。。

目前使用较多的正渗透膜为美国HTI公司生产的CTA膜，为非对称膜，研究指出，PRO模式，即活性层面向驱动液时的膜污染较FO模式（活性层面向生物反应池）的严重，且随着有机物浓度的增高，膜污染加剧。

本文研究SMP和EPS的主要组成成分中的糖类在含有金属离子钙和镁时的膜污染情况，并考察膜不同放置方式时的膜通量。

1实验装置与方法

1.1实验装置

OMBR系统实验装置如图1所示，反应器有效体积为1.2l，实验用膜为美国HTI公司生产的CTA膜，其结构如图2所示，该膜为非对称膜，由活性层、支撑层和骨架3部分构成，厚度小于50μm，实验所用膜的膜面积为0.01365m2。在正渗透过程中，一个核心内容是驱动溶液的选择。驱动溶液是具有渗透压的体系，能够产生渗透压差驱动正渗透过程。用做驱动溶液的溶质叫做驱动溶质，理想的驱动溶质应该具备以下特征：

（1）在水中应该具有较高的溶解度以及较小的分子量，以便能产生较高的渗透压；

（2）无毒，水中能够安全存在；

（3）与正渗透膜应该具有化学兼容性，不与膜发生化学反应，且不能将膜降解；

（4）能方便且经济地与透过水进行分离并且能够重复使用。

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