1 材料與方法
1.1 試驗裝置與流程
一體式膜生物反應器試驗裝置與工藝流程如圖1所示，該試驗裝置由生物反應器、一體式膜組件、膜抽吸系統及自動控制等系統組成，其中生物反應器為活性污泥鼓風曝氣反應池，有效容積為47L，反應器中間有一隔板，一側放膜組件，組件下方設有穿孔管曝氣，在供給微生物分解廢水中有機物所需氧氣的同時，在平片膜表面形成循環流速以減輕膜面污染。抽吸系統采用型號bt01－100蘭格蠕動泵，對浸沒于反應器的膜組件進行抽吸。自動控制部分采用時間控制器對抽吸泵及進水泵進行控制。一體式mbr中的處理水經蠕動泵抽吸進入凈水池，凈水池的水作為膜沖洗備用。
1.2 試驗用水
試驗用水為上海某制藥廠抗生素廢水，稀釋后的廢水基本水質情況如表1，進水經100目篩網過濾后進入反應器。
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表1 實驗用水水水質
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1.3 試驗用膜
試驗用膜為平片膜，由中科院上海原子核研究所膜分離技術研究開發中心提供，膜組件自行研制，平片膜材質為pvdf（聚偏氟乙烯），截留分子量為 14萬，膜有效面積為0.05m2。
1.4 試驗方法
1.4.1 水通量的測定
水通量的測定由下式得出：
jθ=vθ／(a×t) （1）
式中：jθ—θ℃下所測定的實際膜通量；
vθ—θ℃下在 t時間內實際過濾液體積；
a—平片膜有效面積。
在測定膜水通量時，為了便于比較試驗的不同階段水溫所帶來的差異，該試驗將不同溫度測得的數據換算成20℃下的通量值，換算公式為：
j20—jθ×（ηwθ/ηw20） （2）
式中：j20—換算成20℃時的通量；
ηwθ—θ℃下純水的粘度；
ηw20—20 ℃時純水的粘度。
注：下文中的通量j皆經上式轉換為20℃下的通量值。
1.4.2 阻力分析方法
膜污染可以分為物理污染、化學污染及生物污染，對于不同的反應器形式、生物的不同生長階段、不同的組件形式及不同的運行方式，占主導地位的污染形式不同。
在本試驗中，膜污染阻力可以分為三部分：一部分為膜固有的阻力（rm）；一部分為泥餅阻力（rc），包括濃差極化、膜表面的吸附及沉積等形成的阻力，可以采用水沖洗。海棉擦洗等方法將其除去；另一部分為膜孔的吸附及堵塞阻力（rf），這部分阻力可以采用化學清洗等方法全部或部分去除。通過試驗測定的有關通量數據，用ris（resistance一in一series）阻力模型計算出各部分阻力及其所占比例。表達式如下：
rt＝△ p／（μ1•j1）＝rm＋rc＋rf （3）
rm＝△p/（μ0•j0） （4）
rf＝△p／（μ0•j0）－rm （5）
rc＝△p／（μ1•j1）－rm－rf （6）
式中：μ0—純水在2o℃時的粘度（μ0=1.0050×10-3pa•s）；
μ1—膜過濾液粘度。
測定過程如下：
①在不同的抽吸壓力下，用新膜對純水過濾，通過公式（4）計算出膜固有阻力；
②用該膜對反應器混合液進行過濾，利用公式（3）可以得出運行過程中膜總阻力的瞬時值；
③一定時間后，把膜組件從反應器中取出，清水無壓力清洗，并用柔軟的海綿擦去膜面吸附物，然后對純水過濾，由公式（5）得到膜孔吸附及堵塞阻力；
④由公式（6）可得膜表面的泥餅阻力。
2 結果和討論
2.1 處理效果
用前述工藝流程和試驗方法，使用該制藥廠的廢水處理站的污泥接種半個月后，直接把pvdf平片膜浸沒于反應器中以 4＋6的周期運行（4 min抽吸6 min停抽），反應器的運行參數列于表2。
表2 膜生物反應器運行參數
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從圖2可以看出在此運行過程中反應器中mlss的質量濃度經過一段時間后基本維持在15g/l左右，出水codcr去除率為86％。可見，水中懸浮和溶解的codcr并沒有在mbr中累積。但運行至1月中旬膜出水codcr與上清液codcr相比，并沒有多大差別，由此可知，pvdf膜所起的作用主要是截留水中懸浮物，使mlss維持在較高濃度，從而達到高效降解水中有機物的目的。
2.2 過濾過程中的阻力分析
2.2.1 膜固有阻力的測定
新膜粘結后，放入純水中浸泡24 h以消除環境對膜性能的影響，調節抽吸壓力，連續測定5次對應壓力下的通量，取其平均值，由公式（4）可以得出，膜固有阻力rm為 1.082 × 1012m-1。
2.2.2 pvdf膜放入反應器后總阻力的變化
為了考察pvdf膜在盡量長時間內運行中阻力的變化，我們把膜組件在設定壓力 30 kpa，ρ（mlss）為13.8 g/l，曝氣量為 l.45 m3/h的條件下放入反應器中進行連續抽吸運行，由圖3可知，總阻力經大約 25 min漸趨穩定，從開始 2.81×1012m-1逐漸上升至 5.29×1012m-1。也就是，膜固有的阻力從開始占總阻力的98.6%逐漸降低至52.4%。可見，盡管反應器曝氣沖刷對減弱懸浮固體向膜面吸附遷移有一定作用[4]，由于很高的懸浮固體濃度，導致較高的粘度（實測粘度高達6.3×10-3pa•s），膜污染隨時間加劇。
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同時，我們也考察廠pvdf膜在設定周期（4min抽吸6 min停抽）下運行，其間不進行任何清洗，總阻力的變化規律如圖4所示。可見，間歇運行 27 d，阻力達到 5.34 ×1012m-1。把連續抽吸的25 min內阻力變化延長至 27d，充分體現了一體式膜生物反應器中間歇運行中曝氣沖刷膜面的效果。
2.2.3 pvdf膜水力清洗及海綿擦洗后的阻力比較
長期運行過程中，泥餅阻力是導致膜通量下降的主要因素。表3所示，在1d的連續運行過程中，泥餅阻力占總阻力的比例從開始的35.87%上升至 94.01%。新開發的 pvdf平片膜組件其優點在于能夠通過簡單便捷的在線海綿擦洗的方法，消除泥餅阻力，如圖4，從而使水通量迅速恢復接近初始通量。
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表3 運行過程中阻力分布的分析
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在一體式mbr中，泥水混合液處于循環流動狀態，在運行過程中，膜表面泥餅層處于一種動態的相對穩定狀態，形成膜過濾的主要阻力，并且由于膜的長期使用，形成阻力的因素也具有累積效應[5]；而且，由于化學清洗價格昂貴、操作復雜且不可能完全恢復膜通量[6]。因此，海綿定期在線擦洗對于膜通量的增強非常有利。再者，從長期運行的角度來看，在線擦洗至少可以減弱各種阻力因素的累積，從而具有積極的實踐意義。
3 結論
①由于膜過濾對混合液懸浮固體的完全截留，盡管原水含有少量抑菌物質，出水codcr去除率仍可達86%。
②膜組件長時間運行導致膜污染，因此必須對其進行定期的清洗，而平片膜組件具有清洗高效。操作簡單的優點。
③平片膜組件只需用簡單的在線海綿擦洗的方法，便可以部分恢復膜通量，從而減少價格昂貴的化學清洗，具有相當的實用價值。
④膜性能指標有壓力與通量兩個變量，而運用ris阻力模型可以統一兩者，因此，在研究膜生物反應器中膜性能時，用阻力這個指標分析是可行的。
