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摘要：为考察以城市污水厂污泥为原料制备的污泥基活性炭（SBAC）对MBR工艺处理垃圾渗滤液的混合液特性的影响，在平行运行的条件下对比研究了SBAC—MBR和MBR工艺处理垃圾渗滤液的混合液特性。通过对污泥混合液性质的表征，证实了SBAC-MBR中污泥浓度增长较快，SBAC的存在增强了污泥絮体抗剪切力的能力，使得污泥粒径增大、污泥粘度减小、污泥比阻减小、Zeta电位降低。由于SBAC改善了污泥混合液的性质，使得SBAC-MBR中形成结构较疏松、透水性较好的污泥滤饼层，且形成速率变慢，从而延长了跨膜压差到达规定值（40kPa）的所需时间，减缓了膜污染，延长了膜组件的使用周期。
关键词：膜生物反应器；污泥基活性炭（SBAC）；垃圾渗滤液；混合液
垃圾渗滤液是在垃圾填埋及堆放过程中而产生的一种高浓度废水。目前国内外对垃圾渗滤液的处理工艺通常采用的是物化处理、生物处理以及土地处理等工艺。其中，生物处理工艺主要指好氧生物处理、厌氧生物处理以及厌氧+好氧生物处理[1]。膜生物反应器（MBR）工艺主要是依靠污泥混合液中微生物的降解作用去除垃圾渗滤液中的污染物。在MBR系统中，由于膜组件对污染物和微生物等具有良好的截留作用，从而可以使反应器中的污泥浓度比较高，而且MBR较高的污泥浓度和较长的污泥龄可以使活性污泥在高容积负荷、低污泥负荷下运行，产泥率低，有机物去除率高，并且有利于硝化细菌的繁殖。但膜生物反应器中污泥混合液的污泥特性与传统工艺中的污泥混合液不同。
MBR在运行工程中膜污染问题容易出现，导致膜使用周期缩短，更换频繁，投资成本较高。近年来，有研究表明向膜生物反应器中投加适量的活性炭可以改善处理效果和膜污染状况[2]。污泥基活性炭（SBAC）由污水处理厂剩余污泥经高温裂解制得，孔隙结构发达，且表面含有丰富的官能团[3]。MBR中膜污染的物质来源是活性污泥混合液。因此对稳定运行的SBAC—MBR和MBR工艺的混合液进行长期研究，从MLSS以及MLVSS、污泥的粘度、污泥粒径、污泥比阻、Zeta电位等变化情况来考察SBAC-MBR工艺对好氧区混合液的影响。
1试验材料与方法
1.1试验装置
试验装置如图1-1所示，试验装置由进水箱，两个MBR反应器和相应的控制装置组成。进水箱和MBR反应器均由有机玻璃加工而成，进水水箱尺寸为长×宽×高=30cm×30cm×45cm，MBR反应器包括缺氧区和好氧区两部分（缺氧区：好氧区=1：3~1：6），反应器尺寸为长×宽×高=40cm×20cm×35cm，有效容积28L。膜组件为束状中空纤维膜。膜组件直接浸没在反应器的好氧区内。空气泵连续向MBR反应器的好氧区进行曝气以提供溶解氧，并对污泥混合液进行搅拌混合并对膜丝表面进行清洗。
1—进水箱；2—进水泵；3—循环泵；4—活动插板；
5—三针式液位计；6—中控纤维膜组件；7—气体流量计；8—真空表；
9—空气泵；10—出水泵；11—压力传感器；12—穿孔曝气管。
图1-1试验装置示意图
SBAC-MBR与MBR工艺的运行方式通过时间继电器控制控制出水泵为正转9min，反转1min。本试验中膜通量为3.0L/m2.h，水力停留时间（HRT）为24h，污泥回流比（R）为2。反应器底部通过曝气头向反应器内的曝气控制反应器内溶解氧（DO）为3.6mg/L。
本试验中，除了污泥混合液取样和膜清洗损失部分污泥外，不另外进行污泥排放（每天排放的污泥混合液体积为200ml），相当于污泥停留时间（SRT）为140d。试验正式开始运行前其中一个反应器内一次性投加浓度为3.0g/L的污泥基活性炭（SBAC）以作为微生物载体。
1.2试验材料
膜组件：本试验中采用膜组件为束状中控纤维微滤膜膜组件。
污泥基活性炭：本试验采用的污泥基活性炭（SBAC）是以某生活污水厂污泥为原材料制备，采用以氯化锌ZnCl2为活化剂的化学活化法（活化剂为氯化锌ZnCl2）制备的吸附剂。
试验用水：本实验用水采用的是某垃圾填埋场处理工艺（上流式厌氧污泥床反应器）UASB后的出水。具体水质情况如表1-1所示。
表1-1试验进水水质指标
接种污泥：本试验以某污水厂二沉池中的活性污泥作为膜生物反应器所用的接种污泥，接种量为膜生物反应器有效容积的1/3，而后采用葡萄糖、尿素、磷酸二氢钾和垃圾渗滤液配水来培养和驯化膜生物反应器中的活性污泥。
1.3试验方法
（1）MLSS/MLVS：采用差重法测定。
（2）污泥粘度：从MBR和SBAC-MBR反应器的好氧区分别取20ml污泥混合液，而后采用数字式粘度计测定，型号：SNB-2。
（3）污泥絮体颗粒粒径：从MBR和SBAC-MBR反应器的好氧区分别取20ml污泥混合液，而后采用Malvern生产的激光粒度分析仪（型号：MalvernMS2000，检测范围：0.02–2000μm）来测定。
（4）污泥比阻：利用平板超滤膜过滤装置对污泥混合液的污泥比阻进行测定。取一定量的活性污泥混合液，稀释4~5倍。取200mL经过稀释的混合液装入超滤杯中进行恒压过滤，过滤压力为0.04MPa。过滤过程中，超滤杯中的磁力搅拌桨以200r/min转动以提供表面膜剪切力。滤出液流入放置在电子天平上的容器中，电脑记录天平读数的间隔为5s。根据所得记录数据计算混合液中的污泥比阻。
2结果与讨论
2.1MLSS及MLVSS的影响
SBAC-MBR与MBR工艺在稳定运行过程期间污泥混合液的悬浮固体浓度（MLSS）和挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）随时间的变化情况如图2-1及图2-2所示（注：图中SBAC-MBR的活性污泥的质量浓度是减去SBAC的投加量后的质量浓度）。
由图2-1和图2-2所示，两个工艺在运行的初期浓度均比较低，随着时间的增加，两个工艺中的污泥浓度MLSS和MLVSS都在增加，而后处于相对稳定的状态。在运行期间污泥浓度因为排泥有稍微的波动。同时可以看出，SBAC-MBR中污泥浓度的增长速度和增长幅度明显高于MBR，SBAC的投加
图2-2运行期间MLVSS的变化
为膜生物反应器内的微生物提供生长的载体，有利于微生物的增殖和积累，有利于污泥浓度的增加。
2.2污泥粘度的影响
膜生物反应器中污泥混合液的粘度和膜的渗透能力有很大的关系。由于微生物在生长代谢过程中会产生大量的蛋白质，多糖等粘性物质，随着混合液粘度的增大，膜的污染阻力增加[4]。SBAC-MBR与MBR工艺在稳定运行过程期间污泥混合液的粘度随时间的变化情况如图2-3所示。
图2-3运行期间粘度的变化
由图2-3所示SBAC-MBR和MBR工艺中的混合液粘度随时间的增加呈增大的趋势，但SBAC-MBR的混合液粘度小于MBR。其主要原因[4]：（1）膜组件的高效截留作用，使胞外聚合物（EPS）等大分子物质被完全截留在反应器里并逐步积累，粘性物质的增加导致粘度有所增大。投加SBAC后，混合液的粘度有所减小，可能是因为投加SBAC后EPS的含量降低；（2）试验运行期间几乎没有进行排泥，污泥浓度随运行时间有所升高，混合液中颗粒之间的碰撞机会增多，相互作用力增大，从而相互间的切应力增大，导致黏度升高，同时反应器中黏性物质的不断增多也导致混合液黏度不断上升。
2.3污泥粒径的影响
滤饼层阻力是膜过滤阻力的重要组成部分[5]。根据Carmen-Kozeny方程，滤饼层比阻力是颗粒粒径、滤饼层孔隙率和颗粒密度的函数[6]。
其中：
α—滤饼层比阻力m/kg；
ε—滤饼层孔隙率；
ρ—污泥颗粒密度kg/m3；
dp—污泥颗粒粒径m。
由上式可以看出，滤饼层阻力与污泥颗粒粒径有关，污泥颗粒粒径越大，滤饼层阻力越小。图2-4为SBAC-MBR与MBR工艺在稳定运行过程期间污泥颗粒的平均粒径随时间的变化情况；图2-5为SBAC-MBR与MBR工艺在稳定运行的第31天时污泥颗粒粒径的分布。
由图2-4所示，SBAC-MBR和MBR工艺在稳定运行开始时，膜生物反应器中的污泥颗粒的平均粒径分别为90.56μm和89.87μm。随着运行时间的延长，膜生物反应器中污泥颗粒的平均粒径在逐渐增加，到反应器运行的后期，由于曝气产生的剪切力作用，增加将混合液中小颗粒的污泥转化成大颗粒的难度，从而降低污泥颗粒的平均粒径。同时可以发现，在反应器稳定运行的过程中，SBAC-MBR工艺中污泥颗粒的平均粒径一直大于MBR工艺。这可能是因为向MBR中投加SBAC后，污泥基活性炭炭粒与污泥混合液中的菌胶团之间有相互作用，由于SBAC具有的吸附性和附着性等性质，可以将污泥混合液中的细菌和生物絮体与SBAC颗粒聚集在一起，从而形成更大的絮体。
2.4污泥比阻的影响
污泥比阻[7]代表反应器中污泥混合液过滤性能的好坏，其物理意义是单位质量的活性污泥在一定压力下过滤时单位过滤面积上的阻力。污泥比阻的大小和污泥混合液的过滤性能的好坏成正相关的关系。即污泥比阻越小，过滤阻力越小，过滤性能越好。SBAC-MBR与MBR工艺在稳定运行过程期间污泥混合液的污泥比阻随时间的变化情况如图2-6所示。
图4-16运行期间污泥比阻的变化
由图2-6所示，两个工艺随着运行时间的增加，膜生物反应器污泥比阻在逐渐增加，MBR工艺的污泥比阻在运行期间基本上都大于SBAC-MBR工艺。这是因为：（1）两个工艺在运行期间，MBR污泥混合液的粘度大于SBAC-MBR工艺；（2）向SBAC-MBR工艺中投加的污泥基活性炭，可以吸附一部分的粘性物质和细小的颗粒物质，使SBAC-MBR工艺中胞外聚合物（EPS）的含量低于MBR工艺；（3）SBAC与活性污泥形成新的生物活性炭，产生EPS的含量和组成都不同。
3结论
在经过20d的启动后，以某垃圾填埋垃圾渗滤液对SBAC-MBR与MBR工艺进行长期的平行对比试验，考查SBAC的投加对MBR处理垃圾填埋场渗滤液的影响。可以得到以下结论：
（1）SBAC的投加改善了膜生物反应器中污泥混合液的性质的影响，使得SBAC-MBR中污泥浓度的增长速度和增长幅度明显高于MBR，SBAC-MBR中混合液粘度的增长速度和增长幅度低于MBR。
（2）SBAC-MBR和MBR中的污泥粒径随着运行时间的增加而增大，且SBAC-MBR工艺混合液中的污泥基活性炭颗粒与胶体形成较大的絮体结构，使得SBAC-MBR中污泥粒径大于MBR；SBAC-MBR工艺的污泥比阻小于MBR工艺。
参考文献：
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