膜生物反應器膜污染的研究進展

鄢光瑜 年躍剛 黃民生 李柏志

1華東師范大學資源與環境科學學院 （上海 200062）2中國環境科學研究院 （北京 100012）

膜生物反應器膜污染的研究進展

鄢光瑜1，2年躍剛2黃民生1李柏志2

1華東師范大學資源與環境科學學院 （上海 200062）2中國環境科學研究院 （北京 100012）

從膜的結構性質、反應器操作條件、處理液微生物性質三個方面介紹了膜生物反應器膜污染機理研究的進展，總結了優化膜生物反應器設計、調節膜生物反應器操作條件、在線超聲控制、化學方法等膜污染控制的常用方法，對未來膜污染研究進行了展望。

膜生物反應器 膜污染 膜污染控制

膜生物反應器（Membrance Bioreactor，MBR）是一種新型、優質、高效的污水處理技術，相比其他污水處理技術具有污水處理效率高、負荷高、占地空間小等特點。目前膜生物反應器在城市污水和工業廢水處理和回收領域已經有了非常廣泛的應用，取得了很好的效果。

90年代初期，歐洲最早采用MBR工藝處理工業廢水。此后十幾年中，MBR在歐洲、美國、日本、韓國等大量投入使用。中國對MBR的應用與研究相對較晚，但發展迅速，目前，密云污水處理廠再生水廠、內蒙古金橋污水處理廠、北小河污水處理廠等都采用了MBR工藝。

對膜生物反應器的研究主要集中在膜污染機理、膜污染控制及新型膜工藝的開發應用上。膜污染會引起膜通量下降，縮短膜的使用壽命，增加膜生物反應器的運行成本，是限制膜生物反應器應用推廣的重要因素。本文重點介紹了膜生物反應器膜污染機理及控制方面的研究進展。

1 膜污染定義

國際純粹和應用化學協會（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC)定義的膜污染是指懸浮物或可溶性物質沉積在膜的表面、孔隙和孔隙內壁，造成膜通量降低的過程[1]。在膜污染過程中，當污染物顆粒比膜孔小時，顆粒吸附在膜孔隙內部，從而可能導致膜孔的堵塞；當污染物顆粒比膜孔大時，顆粒吸附在膜的表面，形成一個濾餅層，引起膜通量的下降[2]。

對于膜生物反應器，有以下5種機制可導致膜污染的發生：（1）膜對溶液中溶質及膠體的吸附；（2）污泥絮體在膜表面的沉積；（3）膜表面濾餅層的形成；（4）剪切力導致的污染物的分離擴散；（5）長期運行過程中污染物在組成及性質上發生的變化[3]。

由于膜生物反應器中活性污泥的性狀復雜多變，膜生物反應器的膜污染過程相對于其他類型的膜裝置也更加復雜。

2 膜污染機理研究

影響膜污染的因素，歸納起來可分為三個方面：膜的結構性質、反應器操作條件、處理液微生物性質等。

2.1 膜的結構性質

膜的結構性質包括膜的材質、孔徑尺寸、疏水性、孔隙率和粗糙度等。膜的結構性質在一定程度上決定了膜污染的種類、膜污染可能達到的程度及對膜污染進行修復的難易程度。

根據固體膜的形狀，常用膜可分為中空纖維膜和平板膜等，優勢特點各不相同。平板膜的抗污染性更強，能使系統長期、穩定地運行。在處理城市廢水時，聚乙烯膜相比聚偏氟乙烯膜更容易發生不可逆污染[4]。厭氧膜生物反應器中聚偏氟乙烯膜比聚砜膜、纖維素膜的抗污染性能好，膜孔徑在0.1μm時抗污染性能最好[5]。Shimizu等對膜生物反應器中膜孔徑不同的一系列膜進行了研究，結果表明，孔徑分布在0.05～0.20μm的膜抗污染性能最好[6]。Chang等發現，疏水性膜的膜阻力比親水性膜大，其膜污染也更嚴重[7]。膜表面粗糙度的增大既增大膜表面對污染物的吸附，又增強膜表面的擾動，其對膜污染的影響是兩方面的[8]。

2.2 反應器操作條件

反應器操作條件包括進水性質、曝氣、污泥負荷、污泥齡、操作壓力、溫度以及抽吸時間等。

一般情況下，反應器負荷越高越容易形成膜污染，膜通量則下降的更快。曝氣是影響膜過濾性能的最重要的操作條件。曝氣影響膜生物反應器內的流體湍動程度，能夠去除膜表面濾餅[9]。但過大強度的曝氣會使污泥絮體破碎，可能加劇膜孔堵塞問題。膜生物反應器存在一個臨界操作壓力，當壓力值小于臨界操作壓力時，膜通量隨壓力的增加而增加，當壓力值高于臨界值時，膜污染速度加快，膜通量變化不大。污泥負荷、污泥齡、水力停留時間等操作條件可通過改變活性污泥性質而間接影響膜污染過程。

2.3 處理液微生物性質

微生物既是膜生物反應器污水處理的主體，也是產生膜污染的重要因素。微生物活動產生的胞外聚合物（Extracelluar Polymers，EPS）和溶解性微生物產物（Soluble Microbial Product，SMP）是影響膜污染最主要的生物因素。

EPS是一定條件下微生物產生的高分子物質，普遍存在于活性污泥絮體內部和表面，成分為多糖、蛋白質及DNA等。EPS可分為兩種形式，一種是附著于細胞壁上的胞囊聚合物，另一種是以膠體或溶解形態存在于處理液中的粘性聚合物。EPS能對微生物細胞產生一種架橋作用，使細胞聚集在膜表面，細胞也可通過EPS進行物質和能量的傳遞，EPS加劇了微生物的繁殖和群集，造成膜的堵塞，引起膜通量的下降。Su等發現膜污染與EPS中的多糖密切相關[10]。Nagaoka等研究發現反應器中EPS的積累能增加處理液的粘度，使膜過濾阻力增加[11]。EPS的存在對污泥沉降也造成影響，EPS的主要成分如蛋白質、糖類、DNA含量等都與污泥體積指數（SVI）成正比關系，EPS含量高，使污泥表面負電荷多，污泥絮體在負電荷間斥力影響下沉降效果變差[12]。

SMP是指微生物代謝過程中排出的物質，以腐殖質、多糖、蛋白質等為主要成分。膜生物反應器可以將反應液中的SMP等大分子物質截留于反應器內，從而降低出水的有機物含量，但同時也造成了SMP在膜生物反應器中的積累。SMP可生化性差，SMP的積累會抑制微生物的活性，影響出水水質，也會造成對膜的污染。SMP中的肽類有機物可吸附于膜孔內，造成膜孔堵塞；多糖、蛋白質類可吸附于膜表面，形成凝膠層。Lee等通過建立膜污染的計算模型，發現SMP是影響膜污染的最重要因素之一[13]。柳根勇等發現污泥內源呼吸和細胞解體過程中產生的SMP大分子有機物的含量較高，容易蓄積在反應器內，更有可能造成膜污染[14]。SMP在膜生物反應器中的積累是一個動態過程。在運行初期，SMP大多被截留于反應器內；隨著微生物馴化作用的加強，SMP的降解速度加快，當大于其積累速度時，SMP濃度反而降低[15]。

3 膜污染控制

膜污染可分為可逆污染和不可逆污染。使用任何方法都不能去除的污染為不可逆污染。而通過適當的方法能夠去除的污染為可逆污染。對不可逆污染要采取措施避免其發生，對于可逆污染需要定期采取措施進行修復。通常對膜污染的控制有以下幾類方法：

3.1 優化膜生物反應器的設計，選用合適的膜材料

通過優化膜生物反應器的設計，改進膜生物反應器的內部結構，可以改善反應器內液體的流動狀況，減輕膜的污染。在設計中，要注意避免在反應器中出現水流死角區域。應根據被處理污水的性質，選用合適的膜材料。膜組件的設計應充分考慮膜組件的放置方式與水力形態、曝氣位置間的關系。

3.2 調節膜生物反應器的操作條件

（1）曝氣量和曝氣位置的設計都對膜污染有重要的影響。合理曝氣能避免濾餅層的增厚和膜面堵塞物質的積累，延長膜清洗周期[16]。膜生物反應器的氣水比一般為30∶1～100∶1，高于傳統生物處理工藝。

（2）改變膜生物反應器的壓力模式，采用間歇抽吸或壓力遞增模式，能延緩膜的污染。通常膜生物反應器在運行初期可以在較低的壓力下運行，隨著膜污染的加重需逐步提高過濾壓力以穩定膜通量，操作壓力應小于臨界操作壓力值。

（3）用水反沖洗或空氣反吹可以將膜面的濾餅層吹脫，清洗掉膜孔中的污染物。對膜的反沖洗一般在固定的周期中進行。要避免使膜污染發展到“臨界膜污染”水平，因為此時膜清洗對膜污染的去除已難以發揮作用[17]。使用反沖洗方法時，應考慮到膜所能承受的壓力，避免對膜的結構功能產生影響。

（4） 對污泥齡（SRT）、水力停留時間（HRT）、有機負荷率（F/M）等操作參數進行優化，可以改善活性污泥的性狀，從而減輕污泥對膜產生的污染。應控制MBR系統內活性污泥SVI指數在較低水平[18]。

3.3 在線超聲控制

將在線超聲清洗裝置置于膜生物反應器中，利用超聲波在水中產生的機械振動和微湍流作用，可使污染物質從膜表面脫離。在線超聲清洗是一種比較新的膜污染控制方法，其優點是效果明顯、操作方便、不需要中斷膜過濾過程，對膜本身沒有傷害。

3.4 化學方法

化學清洗是對膜污染進行控制的比較常用的方法。使用堿性清洗劑，可去除膜上蛋白質等有機污染物，能破壞濾餅層，使其從膜表面脫落，常用的有氫氧化鈉、氫氧化鉀等。使用酸性清洗劑可以溶解并去除膜上積累的礦物質，常用的有硝酸、檸檬酸、鹽酸等。可通過適當加入化學殺菌劑來控制膜的生物污染。進入膜生物反應器的混合液常含有各種雜質，可以通過調節pH值、添加抗氧化劑、添加防垢劑、絮凝劑等對其進行預處理，減少對膜產生的污染。Shona等試驗了4種不同預處理方法：FeCl3絮凝、粉末活性炭吸附、絮凝加吸附、粒狀活性炭過濾，發現采用絮凝加吸附方法可有效防止膜污染[19]。單獨的化學清洗只能減少污染物對膜的粘滯性，不能將污染物直接去除。將化學清洗與水清洗、超聲波法清洗聯合使用，可明顯提高對膜污染的去除效果[20]。

4 結論與展望

（1）對膜生物反應器膜污染機理的研究一般從膜的結構性質、反應器操作條件、處理液微生物性質等三個方面進行。在今后一段時間內，對處理液中各種污染物如ESP、SMP等的生成過程和影響因素的研究將是膜污染研究的重要內容。

（2）對膜生物反應器膜污染的控制需在多方面同時進行。在膜生物反應器的選用中，應根據所需處理污水的性質，選擇合適的膜材料。膜生物反應器的設計要考慮周全。對于正在運行中的膜生物反應器，可以通過調節水力操作條件和利用化學方法等控制膜污染。開發抗污染能力更強的膜材料和膜組件，也是膜污染控制的重要途徑。

（3）目前一些研究已經采用了熒光原位雜交（FISH）、變性梯度凝膠電泳（DGGE）等分子生物技術方法，研究膜污染中微生物群落作用。利用新技術手段在微觀層面對膜污染過程進行研究是將來研究的熱點。

（4）目前人們對膜污染機理的了解還不全面，膜污染過程的許多方面還需進一步研究。市場對污水處理技術及其設備不斷擴大的需求，使用者對于污水處理的成本控制的需要，是推動膜污染研究的動力。隨著膜生物反應器的膜污染問題的逐步解決，經濟高效的膜材料的陸續發明，膜生物反應器的運用也會更加廣泛。

[1]Koros W J,Ma Y H,Shimizu T.Terminology for membranes and membrane processes-IUPAC recommendations 1996 [J].J.Memb.Sci.,1996,120(2):149-159.

[2]Fangang Meng,So-Ryong Chae,Anja Drews,et al.Recent advances in membrane bioreactors (MBRs):Membrane fouling and membrane material [J],Water Res.,2009,43(6):1 489-1 512.

[3]S Delgado,R Villarroel,E González.Effect of the shear intensity on fouling in submerged membrane bioreactor for wastewater treatment[J],Journal of Membrane Science,2008,311(1-2):173-181.

[4]N Yamato,K Kimura,T Miyoshi,et al.Difference in membrane fouling in membrane bioreactors(MBRs)caused by membrane polymer materials [J].Journal of Membrane Science,2006,280(1-2):911-919.

[5]Choo K H,Lee C H.Effect of anaerobic digestion broth composition on membrane permeability [J].Wat.Sci.Tech.,1996,34(9):173-179.

[6]Shimizu Y,Yu-ichi O,Katsushi U.Filtration characteristics of hollow fiber micr of iltration membrane used in membrane bioreactor for domestic wastewater treatment [J].Water Res.,1996,30(10):2 385-2 392.

[7]Chang I S,Bag S O,Lee C H.Effects of membrane fouling on solute rejection during membrane filtration of activated sludge [J].Process Biochem,2001,36(8):855-860.

[8]顧國維,何義亮.膜生物反應器 [M].北京:化學工業出版社,2002.

[9]T Ueda,K Hata,et al.Effect of aeration on suction pressure in a submerged membrane bioreactor[J].Wa-ter Res.,1997,31(3):489-494.

[10]Su Y C,Huang C P,Pan Jill R,et al.Characteristics of membrane fouling in submerged membrane bioreactor under sub-critical flux operation[J].Water Science and technology,2008,57(4):601-605.

[11]Nagaoka H.Influence of bacterial extracellular polymers on the membrane separation activated sludge process[J]. Water Science and technology, 1996, 34(9):165-172.

[12]Forstor C F,Dallas N J.Activated sludge on settlement some suppositions and suggestion [J].Wat Pollut Control,1980,79(3):338-351.

[13]Y H Lee,J Cho,et al.Modeling of submerged membrane bioreactor process for wastewater treatment[J].Desalination,2002,146:451-457.

[14]柳根勇,桃井清至,小松俊哉.膜分離活性污泥法におけゐ膜透過性能に對する生物代謝成分の影響 [J].水環境學會志,1997,20(7):473-480.

[15]劉銳,黃霞,范彬,等．膜生物反應器中溶解性微生物產物的研究進展 [J].環境污染治理技術與設備,2002,3(1):1-7.

[16]劉銳,黃霞,汪誠文,等.一體式膜生物反應器運行中膜污染的控制 [J].環境科學,2004,25(2):85-88.

[17]張傳義,黃霞,王麗萍.長期運行條件下膜-生物反應器的膜污染特性 [J].水處理技術,2005,31(5):42-45.

[18]王勇,孫寓姣,黃霞.膜-生物反應器中活性污泥沉降性能與膜污染相關性研究 [J].環境科學學報,2005,25(3):396-400.

[19]Shon H K,Vigneswaran S,Kim In S,et al.Effect of pretreatment on the fouling of membranes:application in biologically treated sewage effluent[J].Journal of Membrane Science,2004,234:111-120.

[20]Lim A L,Renbi Bai.Membrane fouling and cleaning in microfiltration of activated sludge wastewater[J].Journal of Membrane Science,2003,21(6):279-290.

Progress of Studies on the Fouling of M embrane in M embrane Bioreactor

Yan Guangyu Nian Yuegang Huang Minsheng Li Baizhi

Progress of studies in the mechanism of the membrane fouling of Membrane Bioreactor was introduced from aspects of membrane characteristics,the operating conditions and the properties of microorganisms in the feedwater.The usual control strategies of the membrane fouling were summarized such as optimizing membrane module design,adjusting operating conditions,on-line ultrasound and chemical cleaning.The further research in menbrane fouling is prospected.

Membrane bioreactor;Membrane fouling;Membrane fouling control

X 703.1

國家水體污染控制與治理科技重大專項資助項目（2009ZX 07208-006-02）；國家863計劃資助項目（2006AA06Z343)

鄢光瑜 男 1987年生 碩士 主要研究方向為廢水生化處理

2010年3月