SFDMBR一般都采用氣升式流化床反應(yīng)器的形式.動態(tài)膜過濾還可以與SBR工藝相結(jié)合,間歇曝氣延長了過濾時間,總氮的去除率達到70%以上[8].
    1.1　膜組件的外形
    將微網(wǎng)材料包裹于固定支架上就構(gòu)成了膜組件.絕大多數(shù)膜組件都采用平板式外形,也有采用管式膜組件的.在低通量20.8~45.8 L/(m2·h)下運行時,管式膜組件的過濾壓力和平板膜組件基本相等,但當(dāng)通量升高到72.1 L/(m2·h)時,比平板膜組件運行更加穩(wěn)定[9].
    1.2　微網(wǎng)材料
    1.2.1　微網(wǎng)材料的種類
    制作膜組件的微網(wǎng)材料對動態(tài)膜的過濾性能產(chǎn)生很重要的影響[10],微網(wǎng)材料不同將影響動態(tài)膜的形成過程、穩(wěn)定性能、污染特征及處理效果.材料表面越致密,所形成的動態(tài)膜也越致密且其分離性能也相對較好,但出水通量會隨之下降.在選擇時應(yīng)從材料的強度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐污染性能、產(chǎn)水性能、使用壽命、膜造價等方面進行技術(shù)分析和經(jīng)濟性評價來確定[11].
    無紡布具有獨特的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其過濾性能明顯高于其它材料,其作用有兩方面:一是擴散、慣性力、重力等作用使小粒徑物質(zhì)粘附于濾布表面,起到表面過濾的作用;二是依靠無紡布過濾材料內(nèi)部多微孔阻截作用,使各種微小粒子在過濾介質(zhì)的縱深方向被捕獲,起到深層過濾的作用[12].實驗表明四種不同規(guī)格的無紡布構(gòu)成的動態(tài)膜對濁度的去除效果無明顯差異,噴絲密度較小(30 g/m2)的無紡布構(gòu)成的動態(tài)膜的阻力增長緩慢,能保持較高膜通量40 L/(m2·h)以上[13].
    紡織品主要有篩絹、篩網(wǎng)等.篩絹和篩網(wǎng)通常由化學(xué)纖維制成,屬于平面編織材料,孔隙比較均勻,表面光滑平整,通常用于化工分離操作中的篩分過濾.尼龍篩網(wǎng)具有質(zhì)地堅韌、不易破損及清洗再生容易的突出優(yōu)點[14].
    采用無紡布或紡織品作微網(wǎng)材料的最大問題是強度較差[15],金屬絲網(wǎng)(一般采用不銹鋼絲網(wǎng))的強度要好得多,因此應(yīng)用越來越廣泛[16],但也有作者認為不銹鋼絲網(wǎng)在膜組件的構(gòu)建中不具有良好的適用性[17].
    近年出現(xiàn)了玻璃纖維編織管做微網(wǎng)材料,穩(wěn)定過濾期內(nèi)膜出水濁度都在1 NTU以下,但通量只有6 L/(m2·h)左右[18].
    有些研究者比較了不同微網(wǎng)材料的性能.在相同的運行周期下,耐污染程度:聚酯無紡布>聚丙烯無紡布>聚酯篩網(wǎng)>聚酰胺篩網(wǎng)[19].孔徑100μm的滌綸篩網(wǎng)和單滑面無紡布在膜組件的構(gòu)建中具有良好的適用性,雙滑面無紡布不如孔徑100μm的滌綸篩網(wǎng)和單滑面無紡布[17].
    1.2.2　微網(wǎng)材料的孔徑
    一般來說,孔徑的改變會使動態(tài)模形成過程遵循不同的過濾模型,過濾阻力會相應(yīng)變化而影響出水的通量和水質(zhì)[20].實驗證明,孔徑達到一定程度(>200μm)的微網(wǎng)材料表面形成的動態(tài)膜無法有效去除SS,而在一定的孔徑范圍內(nèi)(<100μm),出水水質(zhì)并無太大的區(qū)別,故普遍認為孔徑為80 ~100μm微網(wǎng)材料是比較合適的[14].微網(wǎng)材料孔堵塞產(chǎn)生的過濾阻力是通量下降的主要因素.因此,選擇合適的孔徑對降低膜污染十分必要[21].
    1.3　擋流板
    早期的SFDMBR和小試反應(yīng)器內(nèi)一般不設(shè)擋流板[22].但中試裝置和實際工程中如果不設(shè)擋流板可能容易造成反應(yīng)器內(nèi)存在曝氣“死區(qū)”,反應(yīng)器內(nèi)混合液流態(tài)不均勻.
    反應(yīng)器內(nèi)設(shè)單擋流板,將反應(yīng)器分成升流區(qū)和降流區(qū).通過曝氣一方面使活性污泥混合液維持一定的循環(huán)流速,同時確保網(wǎng)表面能夠形成一定厚度的動態(tài)膜;另一方面供給微生物分解污水中有機物所需的溶解氧[23].設(shè)單擋流板可能會出現(xiàn)水力短路,而且污泥在膜表面堆積,使得營養(yǎng)物不能與污泥充分接觸,處理效果下降,而設(shè)雙擋流板較好地解決了這些問題[24,25].
    內(nèi)循環(huán)DMBR實際上是在膜組件外部設(shè)置了圓柱形擋流板,膜組件放置在內(nèi)筒中,提高了膜表面的錯流速度,促進反應(yīng)器內(nèi)的流態(tài)均勻性[26].
    2　自生動態(tài)膜-生物反應(yīng)器的操作方式
    2.1　過濾方式
    動態(tài)膜中的污泥層是過濾介質(zhì)的主體[27].泥餅過濾可以分為死端過濾和錯流過濾.死端過濾很容易在過濾介質(zhì)表面形成濾餅,使透過液通量迅速衰減,故一般用于低濃度流體的過濾.但也有相反的研究結(jié)果,認為死端過濾在恒定跨膜壓差操作條件下,通量降低較慢[28].現(xiàn)在SFDMBR幾乎都采用錯流過濾.錯流過濾所產(chǎn)生的流體剪切力和慣性提升力可以促進膜表面被截留的物質(zhì)向主體流體的反向運動,從而提高過濾速度.
    2.2　曝氣強度與錯流流速
    錯流流速主要取決于曝氣強度的大小.在SFD-MBR常見的曝氣強度范圍內(nèi),膜面錯流速度隨曝氣強度的增加可以看作是線性增加;在曝氣強度不變的情況下,反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯著影響流速的變化[29].曝氣量越小,出水濁度降低越快;曝氣量大,膜面錯流速度加大,使得污泥顆粒很難沉積在膜表面,從而影響泥餅的形成,出水濁度一直很高[30].當(dāng)錯流流速較小時,動態(tài)膜結(jié)構(gòu)松散,單位厚度動態(tài)膜截流效果差;當(dāng)錯流流速較大時,減輕了濃差極化,減少了大顆粒物在膜表面的沉積,形成的動態(tài)膜結(jié)構(gòu)比較致密,雖然較薄,但具有良好的截流效果.反應(yīng)器在恒流狀態(tài)下,增大錯流流速會降低通量衰減的起始速率,增大了運行末期的通量[31].
    曝氣強度和錯流流速對動態(tài)膜的結(jié)構(gòu)和過濾性能的影響是多方面的,與實驗裝置和控制條件也有一定的關(guān)系.但對于延長系統(tǒng)穩(wěn)定運行的時間,即使在缺氧條件下,保持一定的錯流流速也是必要的[32].但曝氣強度也不是越大越好,一定污泥濃度下存在一個合適的曝氣強度[33],曝氣強度過大不能形成截留性能良好的動態(tài)膜[34].
    2.3　出水控制
    研究采用的出水方式包括重力自流出水與泵抽吸出水方式.重力自流出水方式適用于動態(tài)膜過濾阻力不高的情況.泵抽吸可以實現(xiàn)恒壓或恒流操作,當(dāng)動態(tài)膜過濾阻力比較高,水頭差(WHD)不足以維持一定通量時,宜采用泵抽吸出水.范彬[7]認為增加WHD顯著縮短穩(wěn)定運行的時間,董濱[35]認為WHD還需要達到一定的臨界值才能使微網(wǎng)材料表面快速形成有效的動態(tài)膜.
    2.4　膜通量
    膜通量對動態(tài)膜的過濾性能有重要影響[36],通量過大則膜污染發(fā)展迅速,過小則需要更大的膜面積.采用新型材料的SFDMBR能夠長期穩(wěn)定運行,在高達40 L/(m2·h)的通量下穩(wěn)定運行33 d后仍有穩(wěn)定運行的潛力[37].高松[38]建議操作采用大的初始通量和小的后續(xù)通量,前者可有效形成動態(tài)膜,后者則緩和動態(tài)膜的堵塞從而達到穩(wěn)定出水.但吳季勇[39]認為在動態(tài)膜的形成過程階段,應(yīng)保持較低的膜通量,而較高的膜通量可能導(dǎo)致動態(tài)膜無法形成.動態(tài)膜同樣存在一個臨界通量,一旦運行膜通量高于這個臨界值,膜阻力會迅速上漲.
    2.5　過濾阻力
    采用側(cè)方曝氣且過濾基材為微網(wǎng)材料的自生動態(tài)膜過濾阻力很小.固體停留時間(SRT)和水力停留時(HRT)分別為40~47 d和3.5 h,膜通量為14.9 L/(m2·h)的情況下反應(yīng)器能夠平穩(wěn)運行45d,液位差基本維持在10 mm以下[3].Libing Chu等[3]的研究表明,動態(tài)膜的過濾阻力比微濾/超濾膜要低2~3個數(shù)量級,濾餅層阻力是主要過濾阻力,凝膠層以及膜的吸附堵塞阻力在總阻力中約占14%.
    3·反應(yīng)器內(nèi)活性污泥的性質(zhì)
    活性污泥性質(zhì)與動態(tài)膜形成、反應(yīng)器的運行以及膜污染過程密切相關(guān).動態(tài)膜的截留作用使得SFDMBR成為一對微生物來說相對封閉的系統(tǒng),其性質(zhì)必然與開放式的傳統(tǒng)活性污泥工藝有所不同.
    3.1　污泥濃度
    SFDMBR象MBR一樣實現(xiàn)了SRT和HRT的分離,可以在反應(yīng)器內(nèi)維持較高的污泥濃度.篩網(wǎng)過濾器甚至可以作為污泥增稠的設(shè)施[40].污泥濃度對動態(tài)膜系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在影響動態(tài)膜的出水通量、出水水質(zhì)和運行周期,具有一定的復(fù)雜性.
    在相同的WHD下隨著污泥濃度的升高,出水通量減小,出水濁度升高.可能的原因是在高MLSS濃度下,絮狀顆?？梢孕跄秊楦箢w粒,絮狀顆粒的增大可以減少顆粒透過膜孔的可能性,并且在動態(tài)膜表面形成良好的濾餅層,使得通量減小.高污泥濃度亦使反應(yīng)器內(nèi)小顆粒絮體增多,穿過膜孔的可能性增大.污泥濃度的升高影響污泥的活性、黏性等性質(zhì),進而影響動態(tài)膜的結(jié)構(gòu)、透水性及過濾阻力[41].采用無紡布做微網(wǎng)材料,進水化學(xué)需氧量(COD)約300 mg/L,當(dāng)污泥濃度低于7.5 g/L時,比通量和污泥濃度成反比,出水COD低于60 mg/L[42].
    3.2　固體停留時間
    Moghaddam[43]等用稀釋50倍的人工培養(yǎng)基作為進水,總有機碳約100 mg/L,SRT在10 d和30 d時,在4個月的運行時間里SS分別不超過8 mg/L和10 mg/L,沒有出現(xiàn)膜堵塞問題.當(dāng)SRT長達75d時觀察到膜堵塞,跨膜壓差升高,出水水質(zhì)下降.
    3.3　污泥粒徑
    采用工業(yè)濾布制成膜組件,發(fā)現(xiàn)膜表面污泥的粒徑遠小于反應(yīng)器內(nèi)污泥粒徑,表明直徑較小的污泥容易附著在膜表面,但二者均大于接種活性污泥粒徑.一般認為,相對于傳統(tǒng)的活性污泥系統(tǒng),MBR中污泥絮體的粒徑要小,而該實驗測定的結(jié)果卻相反,分析原因是由于生活污水的SS含量較高[44].出水中顆粒物粒徑分布范圍明顯比原水中窄,說明動態(tài)膜對顆粒物有較好的截留作用[45].
    3.4　F/M值
    F/M值對污泥絮體的性質(zhì)有重要影響.根據(jù)MBR中的觀測結(jié)果,F/M值越高,中等和大的絮體越多,小絮體越少[46].Fuchs[47]等采用30μm的尼龍篩網(wǎng)構(gòu)成篩網(wǎng)過濾-活性污泥裝置,污泥絮體越大,出水水質(zhì)越好.在某種程度上,當(dāng)F/M值達到0.18和單位活性污泥總量的BOD5為0.3 g/(g·d)時,出水SS < 7 mg/L;F/M值很低時出水水質(zhì)明顯下降.
    3.5　胞外多聚物
    胞外多聚物(EPS)構(gòu)成生物絮體如生物膜,對活性污泥的生物絮凝、沉淀和脫水性能有重要影響,而且在MBR中引起膜污染[48].EPS導(dǎo)致濾餅層的形成,這和可逆污染有關(guān);溶解性微生物產(chǎn)物和不可逆污染有關(guān).然而,也有人認為EPS對膜污染并沒有明顯影響[49].篩網(wǎng)過濾MBR在運行的42 d內(nèi)進行完全厭氧處理,EPS隨時間下降[50].
     4　結(jié)語
    2000年之前我國學(xué)者幾乎沒有從事SFDMBR技術(shù)研究的,2000年之后我國學(xué)者發(fā)表的論文逐漸增多,到2003年已經(jīng)超過了國外學(xué)者發(fā)表的論文數(shù),說明這是一項比較適合我國國情的技術(shù).但SFDMBR也面臨一些問題:(1)在不進行膜污染控制的情況下動態(tài)膜高效穩(wěn)定運行的時間還不太長;(2)影響SFDMBR處理效果的因素較多,操作要求較高;(3)缺乏成熟的工業(yè)化產(chǎn)品.解決這些問題、對上述影響因素的進一步研究、與其他處理技術(shù)相結(jié)合,可能是SFDMBR今后的發(fā)展方向。