膜的污染程度取决于膜本身的性质、料液的特性和过滤操作条件，对于MBR，通过改变过滤料液的性能来防止膜污染将是一条重要且可行的途径。
近年来，不少国内外研究者提出了向一体式膜生物反应器投加粉末活性炭(Powdered Activated Carbon，PAC)解决膜污染的新途径[1-5]。目前国内普遍采
用2 g/L 的PAC 投加量[6,7]，但此投加量是否为最佳值，尚未有定论。本研究通过平行对比试验的方法，从出水水质、混合液特性、膜污染速率等方面探讨了
PAC 投加量对MBR 运行效果的影响，以期达到指导工程应用的目的。
1 试验装置和方法
1.1 试验装置
本试验的工艺流程如图1 所示：提升泵将原水箱中的污水提升注入到高位水箱中，在浮球阀的控制下，污水由高位水箱流入恒位水箱，再进入膜生物反应器中。在膜内外的压差作用下(该压差分别由膜生物反应器水位与各自出水恒位槽的水位差决定)，反应器内混合液经膜过滤后，由出水管路经出水恒位槽导出。系统采用全曝气间歇出水模式运行，通过可编程序逻辑编辑器(Programmable Logic Controller,
PLC)对电磁阀进行控制，实现8 min 出水和2 min 停水空曝的切换。采用中空纤维U 型膜组件，材质为聚偏氟乙烯(PVDF)，膜孔径为0.2 μm，面积为0.5 m2。维持反应器流量为6 L/h，气水比为30:1，HRT 及SRT 分别为4 h 和30 d。排泥后补充相应质
量的PAC，以保持两套系统投加的PAC 体积浓度分别为：1 g/L、2 g/L(分别记为A、B)。投加的PAC 等级为分析纯，粒度为100～120 目。
本试验接种污泥取自纪庄子污水处理厂曝气池混合液，试验用水采用天津大学生活小区生活污水。运行期间，进水COD、NH3-N 平均浓度分别为406.3mg/L、25.2 mg/L，pH 在7.08～7.91 之间波动，温度为9.5～15.1 ℃。试验过程中，保持两套系统的污泥浓度基本相同，均在5000～7400mg/L(不包括PAC)变动。
1.2 分析方法
常规实验监测方法参照国家环保局颁发的标准方法[8]，具体见表1。
表1 监测项目及分析方法
测定项目 分析方法 仪器
COD 重铬酸钾法
NH3-N 纳氏试剂分光光度法 TU-1800 分光光度计
DO 膜电极法 JPSJ-605 溶解氧分析仪
浊度 直读法 HACH2100p 浊度计
pH 玻璃电极法 SartoriusPP15pH 计
MLSS 105 ℃ 干燥减重法 电热鼓风干燥箱
污泥颗粒分布 激光颗粒测定仪 Mastersizer 测定仪
多糖和蛋白质的测定采用蒽酮比色法和考马斯亮兰法[9]，对应的预处理步骤为：①取一定体积混合液在8000 r/min 转速下离心10 min，弃去上清液，加入相同体积纯水，搅拌后在相同条件下再次离心，弃去上清液，加入同体积0.1 mol/L 的NaOH 溶液，混合均匀后放入冰箱约24 h，取出后在转速13000r/min 下离心15 min，取清液测定；②取一定长度膜丝，剪碎后用0.1 mol/L 的NaOH 溶液浸泡0.5 h，然后放入冰箱约24 h，取出后在转速13000 r/min 下离心15 min，取清液测定。
2 结果和讨论
2.1 出水水质的比较
反应器共运行了48d，运行结果表明，两套系统出水水质基本相同，且均满足建设部《生活杂用水水质标准》(CJ 25.1-89)。这表明当PAC 投加量从1g/L 增至2 g/L 时，对水质的改善作用得不到加强。
2.2 混合液性质的比较
活性污泥混合液是一个复杂且不断变化的体系，它包括微生物、进水中的组分以及微生物的代谢产物，其中许多组分都会导致膜污染。因此从混合液的有机物、颗粒分布以及胞外聚合物等方面分析了不同的PAC 投加量对混合液性质的影响。
2.2.1 混合液有机物的比较
混合液中的溶解性物质不仅会造成膜外部的污染，还会引起膜内部的污染。图2 显示了两套系统运行过程中上清液COD 的变化。很明显，两套系统中均未发现溶解性物质的累积，且上清液COD 的差异较小，平均浓度分别为67.4 mg/L 及69.0 mg/L。已有研究表明，PAC 主要是吸附分子量小于3000的有机物，且由于PAC 的存在及由其引起的活性污泥组成、絮体结构等性质的变化，使得污泥絮体对
COD 的吸附和降解作用增强。二者上清液COD 差距不明显，说明1 g/L 的PAC 投加量已足以吸附反应器中的小分子有机物，继续投加PAC，对有机物的去除作用得不到增强。
2.2.2 颗粒分布的比较
滤饼层阻力是膜过滤阻力的重要组成部分。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[10]。
α= 180(1-ε)/[ρ·dp2·ε3]
式中，α为滤饼层比阻力m/kg ；ε为滤饼层孔隙率；ρ为颗粒密度kg/m3 ；dp 为颗粒粒径m。上式表明，滤饼层阻力与颗粒尺寸关系密切：颗粒尺寸越小，滤饼层阻力越大。图3 为两套系统混合液颗粒分布对比图。测定结果均表明，A、B 颗粒体
平均粒径分别为145.2 μm、127.8 μm。同时测定所用PAC 的颗粒尺寸，其体均粒径为103.5!μm，这说明投加PAC 后，成熟活性污泥絮体的体积比PAC 颗粒本身的体积大得多。镜检发现，每个较为独立的菌胶团中含有一颗或多颗PAC 颗粒，镶嵌在污泥里起骨架作用。根据PAC 及菌胶团的性质，在向MBR
中投加PAC 后，炭粒与菌胶团之间即存在相互作用。PAC 的吸附性和微生物的附着性使得混合液中大量的游离细菌、生物絮体迅速地包围PAC 颗粒，从而形成较大的絮体。Y.Shimizu 等研究了活性污泥颗粒尺寸分布对一体式MBR 通量的影响，发现尺寸范围在8～15μm 的颗粒控制着通量[11]。图3 显示，两套反应器内颗粒尺寸在8～15μm 的部分几乎重合，这说明由于颗粒尺寸引起的膜污染几乎相同。
2.2.3 胞外聚合物的比较
EPS 是来自微生物细胞的高分子物质，主要包括多糖、蛋白质、脂肪类及核酸。近年来，大量研究表明，细菌胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，
EPS)是优势污染物，微生物通过这些物质相互粘连形成菌胶团，并在过滤过程中显示出较强的压密性，使过滤阻力不断升高，膜污染加剧[12,13]。J.Kim 等比较了超滤膜对活性污泥及生物活性碳污泥的过滤特性，认为投加粉末活性炭不仅使污染絮体的可压缩性减少，而且使微生物絮体中的EPS 减少，膜通量得到提高[14]。图4 及图5 说明了不同PAC 投加量对混合液中多糖和蛋白质产生量的影响。
图4 表明，当PAC 投加量从1g/L 升至2g/L
时，从微生物絮体中提取的多糖含量几乎相同。A、B两套系统提取的平均多糖含量分别为14.92、15.38mg/g MLSS。这说明，PAC 投加量对多糖的产量影响微弱，由此引起的膜污染亦相当。对于蛋白质，亦可得到相同的结论。在运行的48 d 中，从A、B 两套系统提取的蛋白质平均含量分别为18.82 mg/gMLSS、17.58 mg/g MLSS。可见，当PAC 投加量从1g/L 增至2 g/L 时，其对EPS 的作用几乎相同。
2.3 投加量对膜污染的影响
第48 d 时取出膜组件，用清水把膜表面的泥饼层清洗干净后，取一定长度的膜丝测定其多糖和蛋白质含量。A、B 系统单位膜面积上的多糖含量分别为30.0mg/m2、21.7mg/m2；蛋白质含量分别为132.9mg/m2、113.5 mg/m2。考虑到同一膜组件不同膜丝受到的污染不可能完全一致，且二者的多糖和蛋白质含量差距不是特别大，可以认为A、B 两膜内部累积的多糖和蛋白质含量基本相当，即由此引起的不可
逆污染程度基本相同，这与从微生物絮体中提取的EPS 含量几乎相同的结论相吻合。接着测定两膜的清水通量。A、B 分别为2.52L/m2·h·kPa、1.90 L/m2·h·kPa，是初始值的49.7%及43.9%。可见投加量为2g/L 时，引起的不可逆污染略大于1g/L 的投加量。因由于多糖和蛋白质引起的不可逆污染相当，故可以判断，B 膜不可逆污染相对严重，主要是由于PAC 颗粒堵塞膜孔造成的。研究表明，PAC颗粒在曝气作用下，互相碰撞、摩擦，粒径会变得更小[15]。在本试验条件下，当PAC 投加量过高时，可能会超出与污泥结合所需要的量，未被污泥包裹的PAC 颗粒，在曝气的作用下，逐渐破碎，一旦小于膜孔径，即有可能进入膜孔，从而引起不可逆膜污染。
3 结论
在膜生物反应器中投加1g/L 及2g/L 的PAC，对有机物及氨氮的去除效果相当，且二者上清液COD 差距不明显，说明1g/L 的PAC 投加量已足以吸附小分子的有机物，继续投加PAC，对有机物的去除作用得不到加强。
在本研究条件下，PAC 投加量对多糖和蛋白质的产生量影响不大，由此引起的不可逆污染相当。投加量为2g/L 的系统不可逆污染重于1g/L 的系统，推测主要是由于PAC 颗粒堵塞膜孔造成的。从经济角度而言，1g/L 的投加量，更有利于降低运行成本。
参考文献:
[1] S G Yiantsios, A J Karabelas.An experimental study of humid
acid and powdered activated carbon deposition on UF membranes
and their removal by backwashing [J].Desalination, 2001, 140 (2):
195-209.
[2] Tomaszewska Maria, Mozia Sylwia, Morawski Antoni W. Removal
of organic matter by coagulation enhanced with adsorption
on PAC [J]. Desalination, 2004, 161 (1): 79-87.
[3] Tomaszewska Maria, Mozia Sylwia. Removal of organic matter
from water by PAC/UF system [J]. Water Research,2002,36 (16):
4137-4143.
[4] 傅金祥, 苏锦明, 徐巍, 等. PAC 对IMBR 的净水效果和膜污染
的影响研究[J].沈阳建筑工程学院学报(自然科学版), 2004,20
(2): 143-146.
[5] 吕红，徐又一，朱宝库, 等. 分体式膜- 生物反应器在废水处理
中的工艺条件[J]. 环境科学: 2003，24 (3): 61-64.
[6] 李春杰, 耿琰, 周琅. SMSBR 去除焦化废水中有机物及氮的特
性[J]. 上海环境科学, 2001, 20 (1): 24-27.
[7] 罗虹, 顾平, 杨造燕. 投加粉末活性炭对膜阻力的影响研究[J].
中国给水排水, 2001,17 (2): 1-4.
[8] 国家环保局《水和废水监测方法》编委会. 水和废水监测分析
方法(第四版) [M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2002
[9] 陈钧辉, 陶力, 李俊, 等. 生物化学实验(第三版) [M]. 北京: 科
学出版社, 2003.
[10] R J Baker, A G Fane, C J D Fell,et al. Factors affecting flux in
crossflow filtration [J]. Desalination, 1985, 53 (1~3): 81-93.
[11] Shimizu Y. Effect of particle size distribution and activated sludge
on crossflow microfiltration for submerged membrane [J].Ferment
Bioengineering, 1997, 83 (6): 583-589.
[12] Nagaoka H, Veda S, Miya. A. Influence of bacterial extracelluar
polymers on the membrane separation activated sludge process
[J]. Water Science and Technology, 1996, 34 (9): 165-172.
[13] Mukai T.Ultrafiltration behavior of extracellular and metabolic
products in activated sludge system with UF separation process
[J]. Water Research, 2000, 34 (3): 902-908.
[14] Jae-Kim. Comparison of ultrafiltration characteristics between activated
sludge and BAC sludge [J].Water Research, 1998, 32 (11):
3443-3451.
[15] Zhao Peng,Satoshi Takizawa,Hiroyuki Katayama,et al.Factors
causing PAC cake fouling in PAC-MF (Powdered activated carbon-
microfiltation) water treatment system [A].IWA specialty
Conference on Water Environment-Membrane Technology,
Seoul Korea: 2004, 919-926.
****************************************************************
基金项目：国家“ 十五”高技术研究发展计划（“ 863”计划）资助项目：膜生物反应器的工程化与应用（ 2002AA601240）
作者简介：赵英(1977-)，女，博士研究生，研究方向为水污染控制理论与技术；联系电话：022-27405059；E-mail：yingzhao77@163.com
*****************************************************************
EFFEC T O F PO W D ER ED A C TIV A TED C A R B O N D O SA G E O N M IX ED LIQ U O R
C H A R A C TER ISTIC S A N D M EM B R A N E FO U LIN G IN M B R
Zhao Ying1, Yu Dan-dan1, Qin Dong-ping2, Gu Ping1
(1. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2. Tianjin Institute of Research and Design for Municipal Engineering, Tianjin 300051, China)
A bstract:A com parison betw een effectofdifferentpow dered activated carbon (PAC) dosage (1g/L and 2g/L) on MBR mixed liquor characteristics and
membrane fouling was carried out for treating domestic wastewater under the same conditions.The difference of COD in the mixed liquid was indistinctive,
indicating that a PAC dosage of 1 g/L was enough in terms of organic removal and adsorption. When PAC dosage increased from 1g/L to 2g/L,the
polysaccharide extracted from sludge averaged at 14.92mg/g MLSS and 15.38mg/g MLSS respectively;and the average protein contents were
18.82mg/g MLSS and 17.58mg/g MLSS. Further, the concentration of polysaccharide and protein deposited on the membrane surface was almost equal.
The irreversible membrane fouling was more severe at a higher dosage of PAC of 2g/L because of more chance to pore blockage caused by broken PAC
particles. Taking into account the cost and membrane fouling, the optimum dosage in this case was around 1g/L.
K ey w ords：membrane bioreactor; membrane fouling; powdered activated carbon
