膜生物反應器中膜污染問題的研究新進展

毋海燕

（上海同濟環境工程科技有限公司，上海市200092）

0 引言

膜生物反應器 (Membrane Bioreactor,簡稱MBR)是集生物降解和膜的高效分離于一體，是膜技術和污水生物處理技術有機結合的高效污水生物處理工藝，20世紀60年代起源于美國。其工作原理是利用反應器的好氧微生物降解污水中的有機物，同時利用硝化細菌轉化污水中的氨氮，隨后利用中空纖維膜進行高效的固液分離出水。由于它具有較好的出水水質、較低的污泥產率、相對獨立的污泥齡和水力停留時間、較高的污泥濃度，以及占地面積小等諸多優勢，MBR在污水處理領域的應用范圍和規模日益擴大，特別是對水質要求較高的污水回用等領域[1]。然而，由于膜種類繁雜，性質各異，膜污染依然是阻礙MBR大規模應用的重要因素之一。因此，對影響膜污染的因素進行研究，有助于了解膜污染的過程和機理，以便采取有效的措施控制膜污染，充分發揮膜法水處理的優勢。

近年來，針對膜污染問題及控制有許多專家學者開展了相關的研究。針對膜污染的影響因素的研究主要集中在對污泥絮體尺寸及性質[2]、污水特征[3]、膜材料和工藝[4]、運行條件 (SRT（Solid Retention Time，污泥停留時間）、HRT（Hydraulic Retention Time，水力停留時間）、溶解氧和F/M比率（Food to Microorganism ratio）、曝氣強度和膜清洗)等的調整優化方面[5]。另有研究發現，絲狀菌的過度生長也是造成膜污染急劇惡化的原因之一[6]，可通過改變菌體性質及組成，實現對膜污染的控制。

隨著污水處理出水水質標準的提高，尤其是回用水使用率的逐漸普及，系統化分析膜污染機理并有效控制對MBR的大規模應用至關重要。本文結合膜污染的發展現狀，系統總結了膜污染的定義、機理、特點、影響因素，并且針對性地提出了膜污染的有效控制措施，對MBR膜污染研究及控制前景進行了展望。

1 膜污染

1.1 膜污染的定義及污染機理

膜污染是由于懸浮物或可溶性物質沉積在膜的表面、孔隙和孔隙內壁，從而造成膜通量降低的過程。

膜表面存在以下過程：（1）溶質和膠體吸附于膜上或膜空隙內；（2）污泥絮體附著在膜表面；（3）膜表面形成凝膠層；（4）在剪切力作用下污染物的脫離；（5）長時間運行過程中污染物組分的改變。當污染物脫離的速度小于附著的速度時，膜表面的污染物就會越積越多，污染物覆蓋在膜孔表面或內部，使水無法透過膜，造成膜通量的急劇下降。此時如果無法及時清洗或更換膜，將會造成膜污染并不斷惡化。

1.2 膜污染物的類型

膜污染物的類型及各自特征[7]見表1所列。

表1 膜污染物的類型一覽表

1.3 膜污染的新型表征

膜污染的表征對于判斷膜污染的結構及形態進而控制膜污染非常重要，尤其是采用一些新型的表征方法[8]，見表2所列。

表2 膜污染的新型表征方法一覽表

2 膜污染的影響因素

2.1 EPS（Extracellular Polymeric Substances,胞外聚合物）

EPS是造成膜污染的最主要原因，包括結合性和可溶性EPS。結合性EPS包括細胞表面或細胞外的蛋白質、多糖、核酸、脂肪和腐殖酸等。可溶性EPS和SMP本質上是相同的，都是基質新陳代謝和微生物腐敗后產生的有機化合物[9]。

污泥負荷、HRT和有機負荷也是影響EPS產生的重要運行參數，提高HRT，即降低有機負荷和F/M，可以減少EPS的產生，有效地控制膜污染。另外，曝氣強度、溶解氧和營養物質也會影響EPS的產生，保持一定的曝氣強度、溶解氧濃度、充足的營養及控制絲狀菌膨脹是控制EPS的重要條件。

2.2 SMP（Soluble Microbial Products，溶解性微生物產物）

SMP是基質新陳代謝和生物量腐敗過程中產生并釋放進入溶液中的一些有機化合物，它是造成膜污染的另一個重要原因，更容易在膜中積累，導致膜過水能力的下降。許多研究結果表明，污泥混合液、上清液中的溶解性及膠體物質對膜污染阻力的貢獻占到20%～90%。SMP對膜污染的影響主要來自SMP濃度、膜材料和運行條件的變化。由于SMP與膜孔大小相當或小于孔隙，因此它既能在膜表面積累形成污染層，也能滲入膜孔內堵塞膜孔。

對SMP的控制可采取兩種途徑：優化運行參數（如SRT、HRT、DO濃度、溫度和曝氣強度等）和投加吸附劑或混凝劑。

2.3 水力條件

以淹沒式MBR為例，討論水力條件對膜污染的影響。

在淹沒式MBR中，曝氣強度及氣泡大小、膜結構、懸浮污泥濃度和污泥黏性等都會對水力狀態產生不同的影響，需要定時反沖洗以改善水力條件，緩解膜污染。保持較高水平的HRT、SRT和較低的懸浮物濃度、黏度、F/M、EPS、SMP是緩解膜污染的重要手段。

2.4 膜材料及組件

不同材料的膜由于具有不同的膜特征，如孔徑大小、孔隙率、表面電荷、粗糙程度，以及親水或疏水性等（見表3），膜的性能差別很大，膜組成的膜組件不同，從而使各種膜抗污染的程度各異，大大影響了膜污染的形成[10]。

一般認為，孔徑大小、污染物和膜之間的親和力大小均會影響膜污染。另外，無機膜（如鋁、鋯和鈦的氧化物等）在對水力、高溫和化學作用等作用下也可能引起膜的無機污染。一些低價膜，如無紡布、篩孔材料等，可通過改進它們的親水性、表面電荷等改善其抗污染能力。

總之，經濟、高通量和抗污染的膜是今后MBR技術大規模應用的必要條件，這就要求膜材料的發展必須具備較窄的膜孔大小分布、較強的親水性能及更多的空隙數量等。

表3 國內外主要MBR膜組件及有關性能參數表

3 膜污染的控制措施

3.1 水力控制

水力控制即為通過調控處理過程中的水力條件到一定的值，以達到控制膜污染目的的一種控制措施。目前可控的水力條件主要包括HRT、曝氣強度、周期性反沖洗等。

過低的HRT會導致污泥黏度的增加，從而導致EPS上升，膜污染加劇，因此控制HRT在較高水平能有效控制EPS生成。但在實際工程中，HRT決定了反應器的容積和占地面積，即它的經濟性，因此，保證出水水質前提下最短的HRT具有重要的現實意義。

曝氣強度也是影響膜污染的一個重要因素。合適的曝氣量是合理控制膜污染的重要前提。周期性反沖洗是延長膜使用壽命的關鍵。在實際工程中，既要保證反沖次數，以延長膜的使用壽命，又要考慮反沖洗造成的凈過流量的減少，即處理水量的降低。

3.2 化學控制

化學控制即通過采取化學手段，主要包括：投加粉末活性炭、絮凝劑或混凝劑，以及化學強化的反沖洗等達到控制膜污染的目的。

粉末活性炭具有其較大的比表面積和較強的吸附能力，使得它能夠有效降低混合液中的EPS濃度，去除部分難溶性污染物，對膜污染的控制有顯著效果[11]。

投加絮凝劑或混凝劑能有效去除有機污染物[12]。與粉末活性炭不同的是，它主要通過吸附架橋或電中和作用來聚集并去除污染物，同樣也能有效控制污染的惡化。

化學強化的反沖洗能夠克服一般的物理反沖洗對污染物的去除效果的有限性，打斷污染物與膜之間形成的牢固化學鍵，去除那些物理反沖洗難以去除的物質。通常用于化學清洗的試劑有次氯酸鈉、稀堿、稀酸、酶、表面活性劑、絡合劑和氧化劑等，不同種類的膜要選擇不同的清洗劑，如酸類清洗劑可以用于去除礦物質及DNA；NaOH水溶液適宜去除蛋白質等。

3.3 生物控制

生物控制主要是通過控制生物量、污泥特性或是某些微生物來達到控制膜污染的目的。本文主要介紹對SRT、MLSS、絲狀菌等的控制。

與前面討論的一樣，EPS和SMP是引起膜污染的主要原因，它們的產生與SRT密切相關，SRT的增加能降低EPS和SMP的產生，因此，在保證除磷效果的同時，可控制SRT在較高水平，以減緩膜的污染。

MLSS的減小能提高膜的過流能力，降低凝膠層的污染程度，因此在MBR系統中不宜采用過大的MLSS。

絲狀菌過度生長是造成膜通量突然惡化的重要原因之一，其快速增殖時，抽吸壓力的增長速率加快，膜的穩定過濾時間大大縮短。因此，控制絲狀菌的增殖能有效地減輕膜的污染。在實踐中，控制絲狀菌膨脹的主要方法有增加生物選擇器、優化運行條件、投加絮凝劑和氯及提供充足的溶解氧等，而當絲狀菌膨脹爆發時，最有效的控制措施是投加絮凝劑和氯。

此外，合理選擇膜組件、對混合液進行預處理，以及開發新型耐污染易重復利用膜材料等也是膜污染控制的一些有效措施。

4 MBR中膜污染問題的研究方向及前景

雖然膜生物反應器具有出水水質好、污泥產率低、相對獨立的污泥齡和水力停留時間、污泥濃度高，以及占地面積小等諸多優勢，但是膜污染問題制約了膜生物反應器的進一步發展。膜污染問題的突破是關系到MBR系統提升競爭力，進一步拓展應用的關鍵，但目前仍存在諸多研究和發展的挑戰，主要有以下幾點：

（1）針對膜污染的不同類型，利用CFD及組合軟件模擬，以及分子生物學、顯微可視化等方法，分類探究不同廢水中膜污染復雜的形成機理，通過各種影響因素的聯合調節，實現在線精確控制。

（2）開發研制更經濟、強度高、抗污能力更強、易清洗、能適應高溫、高pH和抗溶劑、抗氧化、可重復使用、使用壽命更長的新型復合材料作為MBR系統的膜組件。

（3）通過化學氧化處理、等離子體處理、經典有機反應、聚合物接枝等[13-16]膜材料的表面修飾方法提升膜的抗污染能力。

（4）從微觀角度出發，培養馴化抗污染的微生物種群，提升膜生物反應器中膜的抗污染能力。

（5）對待處理廢水進行預處理或對MBR工藝進行優化或開發新型組合工藝緩解膜污染。

（6）采用機械防護、向MBR反應器中投入物質改善污泥特性等輔助措施降低膜污染。