随着城市污水处理量的增加和处理程度的提高，作为污水处理副产物的剩余污泥量在逐年增加。由于处理成本高且容易产生二次污染，剩余污泥的处理处置已经成为社会关注的热点。污泥浓缩作为剩余污泥处理处置的第一个环节，起到初步降低污泥体积以利于后续处理的作用。针对传统重力浓缩工艺存在占地面积大、污泥浓缩效果差、上清液污染物浓度高等问题，科研人员提出了利用微滤（MF）膜分离技术进行剩余污泥浓缩的工艺（MST）。相对于传统的重力浓缩工艺，MST工艺具有占地面积小、剩余污泥浓缩效率高、固体回收率高、上清液污染物浓度低等优点。然而，MST工艺仍然存在膜污染严重、膜出水无法达标排放等瓶颈问题。

近年来，正渗透（FO）膜分离技术受到越来越多的关注。FO技术利用膜两侧的渗透压差使水分子自发地从水化学势高的原料液侧渗透到水化学势低的汲取液侧。由于FO过程不需要外加压力且膜孔径与反渗透膜相当，FO膜比MF膜具有更好的污染物截留效果和更小的膜污染趋势。基于FO技术的特点，有研究者提出采用FO膜进行剩余污泥浓缩（FST），在保证污泥浓缩效果的同时利用FO膜的高效截留能力实现膜出水的达标排放甚至回用，克服原有MST工艺存在的不足。然而，在已有的报道中，FST工艺的运行时间一般不超过30h，缺少在长期运行条件下FO对污泥浓缩效果的研究。此外，现有报道缺少对FO膜出水水质和FO膜污染的系统分析。因此，为了验证FST工艺长期运行的可行性，笔者以城市污水处理厂的剩余活性污泥作为研究对象，考察了两个连续运行周期FST工艺的污泥浓缩效果、FO膜出水水质、膜通量和膜污染等。

1、材料与方法

1.1 实验装置

FST工艺流程如图1所示。FST工艺包括进泥系统、污泥浓缩装置、汲取液系统和曝气系统。贮泥罐中的剩余污泥（浓度为4~5g/L）由蠕动泵注入污泥浓缩装置。污泥浓缩装置的有效容积为3.8L，内设一片FO膜组件（其活性层朝向污泥混合液），并配有液位控制器来维持污泥液位稳定。FO膜组件采用三醋酸纤维（CTA）材质的FO膜片，其有效面积为0.024m2。汲取液系统由1和5mol/LNaCl溶液组成。汲取液的循环速率为0.4L/min，通过在线电导率控制仪维持汲取液浓度的稳定，即当汲取液电导率值低于1mol/LNaCl溶液对应的电导率时，浓盐泵将5mol/L的NaCl溶液打入汲取液罐，直至汲取液电导率恢复到设定值。

为了减缓FO膜污染并维持微好氧环境防止氮磷释放，在FO膜组件底部安装了穿孔管进行曝气，曝气量控制在7L/min左右。FST工艺运行过程中的温度始终维持在25~30℃。由于在污泥浓缩过程中不需要排泥，FST工艺的污泥停留时间（SRT）等于工艺的运行时间（约13d）。由于FO膜通量会随着运行时间的延长逐渐衰减，FST工艺的水力停留时间（HRT）也会随着FO膜通量的变化而变化（整个运行过程的HRT为26.6~52.8h）。

1.2 剩余活性污泥

实验所用剩余活性污泥取自无锡芦村污水处理厂，过筛去除砂砾等大颗粒后备用。剩余污泥的悬浮固体浓度（MLSS）为（4.6±0.8）g/L，挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）为（2.0±0.5）g/L，MLVSS/MLSS为0.44±0.06，黏度为（4.8±2.5）mPa·s。

1.3 分析方法

FO膜通量采用单位时间内通过单位膜面积的透水量来表示，单位为L/（m2·h）。反应器中污泥混合液的电导率采用便携式电导率仪测定。MLSS、MLVSS、进泥上清液、浓缩污泥上清液以及FO膜出水的NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN和TP浓度均采用《水和废水监测分析方法》（第4版）进行测定。进泥上清液、浓缩污泥上清液、FO膜出水的有机物浓度采用TOC分析仪测定。溶解性微生物产物（SMP）和附着性胞外聚合物（BEPS）分别采用离心过滤法和热水浴离心法进行提取。首先从反应器中取20mL污泥混合液置于离心管中，在8000r/min、4℃下离心10min，经过0.45μm滤膜过滤后的上清液即为SMP；将上述沉淀污泥重新悬浮于等体积去离子水中，随后在80℃下水浴30min，待冷却后于12000r/min、4℃下离心15min，过滤后得到的上清液即为BEPS。SMP和BEPS的含量以蛋白质和多糖含量的加和来表示。蛋白质和多糖含量分别采用福林酚法和苯酚-硫酸法测定。

FST工艺运行结束以后，对FO膜污染进行分析。首先裁取5cm×5cm的FO污染膜，将膜面污染物轻轻刮下，从而获得膜面的可逆污染物，再将去除可逆污染物的FO膜通过超声（50Hz，10min）提取不可逆污染物。FO膜的可逆污染物和不可逆污染物的总固体（TS）和挥发性固体（VS）浓度采用《水和废水监测分析方法》（第4版）进行测定。此外，裁取1cm×1cm的FO污染膜，在35℃下烘干以后用场发射电子显微镜（FE-SEM）观察污染膜的形态，并通过X射线能谱分析仪（EDS）分析污染膜面的元素种类。

2、结果与讨论

2.1 污泥浓度的变化

FST工艺进行了两个周期的剩余污泥浓缩实验。具体来说，第一个周期运行结束后排出反应器中的浓缩污泥，然后对FO膜进行物理清洗，注入新的剩余污泥后进行第二个周期的污泥浓缩。两个连续运行周期内污泥浓度的变化见图2。可以看出，当进泥浓度为5g/L左右时，经过13d的运行，FST工艺在两个运行周期内都可以将剩余污泥的MLSS和MLVSS分别提升到30g/L和12.5g/L以上，实现了污泥浓缩。与MST工艺相比，FST工艺获得了相同的剩余污泥浓缩效果，满足了污泥浓缩要求。由于采用曝气来缓解FO膜污染，FST工艺运行过程中始终维持微好氧环境（DO浓度为1~2mg/L），导致MLSS和MLVSS的累积消解率分别达到20%和22%左右，在一定程度上实现了剩余污泥减量化。

污泥消解过程一般伴随着EPS的变化。为了进一步验证污泥浓缩过程中污泥减量来自消解，对FST工艺运行过程中SMP和BEPS的变化进行了分析，结果如图3所示。可以看出，在FST工艺运行过程中EPS呈现逐渐下降的趋势，其中BEPS的下降趋势明显，而SMP的下降趋势相对缓慢。

在污泥浓缩过程中，由于缺乏营养物质，EPS容易被微生物利用，造成EPS浓度下降。在EPS降解过程中，主要是BEPS被微生物降解为小分子有机物释放到混合液中，成为SMP的一部分，因此SMP的浓度下降程度不大。上述EPS的变化趋势进一步佐证了FST工艺运行过程中确实存在一定量的污泥消化。

2.2 FO膜通量和混合液电导率的变化

FST工艺运行过程中FO膜通量与污泥混合液电导率的变化如图4所示。可以看出，在FST工艺运行过程中，反应器中污泥混合液的电导率不断上升，第一个周期从最初的7.6mS/cm升高到21.2mS/cm，而第二个周期从最初的7.1mS/cm升高到18.2mS/cm。盐度积累主要归因于污泥浓度的升高和汲取液溶质的反向扩散。为了区分二者对盐度积累的贡献，借助将剩余污泥静沉浓缩到30g/L的对比实验，分别计算了污泥浓度升高和反向盐扩散导致的盐度积累值。结果表明，污泥浓度升高导致的盐度积累值小于3mS/cm，而两个运行周期的反向盐扩散导致的盐度积累值分别为13.3和10.8mS/cm，这说明FST工艺运行过程中盐度积累主要归因于反向盐扩散。此外，根据已报道的反向扩散通量的计算方法，FST工艺在两个运行周期中反向盐扩散通量分别为3.52和2.64g/（m2·h）。与电导率的变化相反，FO膜的运行通量呈现不断下降的趋势，第一个周期由最初的6.04L/（m2·h）下降到第13天的3.04L/（m2·h），而第二个周期由最初的5.36L/（m2·h）下降到第13天的2.97L/（m2·h）。根据已有的文献报道，FO膜通量的下降主要归因于盐度积累和膜污染。为了区分盐度积累和膜污染对FO膜通量衰减的贡献，在第一个运行周期结束后，对FO膜进行了物理清洗（采用海绵擦拭和水流冲洗的方式去除可逆污染物质），随后将FO膜投入第二个周期。结果表明，在FST工艺的第二个运行周期，FO膜通量的变化与第一个周期相似，这说明膜污染对FO膜通量衰减的贡献不大，盐度积累是导致FO膜通量衰减的主因。此外，第二个运行周期的FO膜初始通量略低于第一个周期的，说明FO膜存在一定的不可逆污染，但是经过物理清洗后FO膜初始通量恢复了90%左右，表明可逆污染是FO膜的主要污染类型。

2.3 出水水质情况

FST工艺运行过程中进泥上清液、浓缩污泥上清液和FO膜出水的水质见表1。可以看出，由于工艺运行过程中伴随着剩余污泥的消化和污泥浓度的升高，浓缩污泥上清液中各项水质指标的浓度均高于进泥上清液。然而，由于FST工艺维持在微好氧环境，浓缩污泥上清液并未出现大量NH4+-N释放到上清液中的现象，与此同时浓缩污泥上清液中的NO3--N浓度却在不断上升。由于FO膜的高效截留能力，FO膜出水中的TOC浓度小于3mg/L，NH4+-N和TN浓度分别小于0.3和9mg/L，TP更是检测不出。为了实现NaCl和水的分离，FO膜出水一般还会采用纳滤、膜蒸馏和反渗透等技术进行处理。考虑到实际运行的要求，FST工艺将会采用反渗透进行汲取液溶质和水的分离。在FST工艺运行过程中，FO膜出水的TOC、NH4+-N、NO3--N、TN和TP浓度均可以达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920—2002）和《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准，可以直接排放或回用。相比于MST工艺与传统的重力浓缩工艺，FST工艺的出水水质具有明显优势。

2.4 膜污染分析

FST工艺运行两个周期后污染的FO膜与物理清洗后的FO膜的照片如图5（a）、（b）所示。可以发现，FO膜表面有一层明显的污染物，但是经过简单的物理清洗后，FO膜表面的污染物基本被去除。这表明在FST工艺运行过程中FO膜污染以可逆污染为主，与前面获得的结论一致。与MST工艺相比，在相同的污泥浓度下，FST工艺的膜污染更轻且通量恢复率更高，这充分说明了FO膜在高污泥浓度下具有更好的抗污染能力，更适合污泥浓缩。

为了进一步分析FO膜面污染物的形貌特征，在运行结束后借助SEM对污染的FO膜和物理清洗后的FO膜进行了分析，见图5（c）、（d）。可以看出，污染的FO膜表面明显覆盖着一层污染物，不过FO膜的网状结构依稀可见，这说明在污泥浓度持续上升的FST工艺中FO膜的污染并不严重。经过物理清洗后，FO膜面还是残留了少量污染物质，但是FO膜的结构基本显现出来。

为了进一步了解FO膜表面污染物质的组成，分别对FO膜面的可逆污染物和不可逆污染物进行了分析，结果表明，可逆污染物的TS为50.58g/m2，远大于不可逆污染物的（18.40g/m2），且二者都以有机物和微生物为主（其VS/TS分别为0.84和0.91）。FO膜面的有机物和微生物主要来自浓缩污泥的EPS。EDS分析结果表明，FO污染膜表面C、O、Fe、Si、N元素的占比分别为49.4%、39.5%、4.1%、1.7%和1.4%，物理清洗后FO膜表面相应的元素占比分别为40.8%、36.3%、5.7%、3.5%和3.3%，可见膜表面的元素组成变化不大，这也说明了物理清洗的局限性，并不能去除不可逆污染物。此外，相比于新膜表面仅含有C、O、S三种元素，新增的N元素说明FO膜表面存在微生物或者有机物，Si、Fe等元素的出现说明FO膜表面也存在一定的无机污染物。

3、结论

①FST工艺经过13d的运行，在维持进泥浓度为4~5g/L的条件下，成功地将剩余污泥MLSS浓缩到30g/L以上。同时，出水水质满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920—2002）和《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准，可以直接排放或者作为城市杂用水进行回用。

②FO膜的抗污染能力强，FST工艺膜污染以可逆污染为主，简单的物理清洗可达到约90%的通量恢复率。FO膜面可逆污染物的TS远大于不可逆污染物的，且均以有机物和微生物为主。FST工艺运行过程中FO膜通量下降主要归因于污泥浓度上升和反向盐渗透导致的盐度积累而不是膜污染。