膜生物反應器系統中膜污染控制方法研究進展

＊王勇 賈如賓 李劍 唐迪 謝奇奇 王敏

（1.機械工業勘察設計研究院有限公司 陜西 710043 2.西安理工大學水利水電學院 陜西 710048）

水是人類賴以生存和發展的物質基礎之一。隨著社會經濟的發展，人們在生產和生活中產生了大量工業廢水和生活污水。這不僅危害人體健康，而且還對環境、生態造成破壞。對各種污/廢水的高效處理是我國迫切需要解決的問題。我國水處理技術發展較早，傳統工藝有序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR）工藝、氧化溝工藝及曝氣生物濾池工藝等，這些工藝技術在污水處理過程中發揮了巨大作用，但隨著污水排放量增大以及污染成份復雜化，傳統工藝技術逐漸達不到現有的排放要求，導致水處理成本不斷高增加，所以開發新的高效污水處理技術是解決水污染問題的重要途徑之一[1]。

膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR）相較于傳統污水處理工藝有混合液懸浮固體濃度（Mixed Liquor Suspended Solids，MLSS）高，污染物降解徹底，出水水質優，占地面積小且便于自動化管理，污泥停留時間長，剩余污泥產量少等優點，在水處理中的應用規模逐漸擴大[2]。但MBR工藝也被膜污染、高能耗等問題限制。如何有效降低膜污染速率，以提高MBR系統處理效率，保持水質穩定，降低經濟成本，最終使出水能夠被資源化利用，這一直是國內外水處理領域的研究重點。為此，本文著重介紹了膜污染機理和控制方法，旨在為日后解決膜污染提供參考。

1.膜污染機理

(1)膜污染原因

造成MBR膜污染的主要原因是由于污泥混合液中固體微粒、膠體顆粒、金屬離子及微生物分解產物等與膜表面存在物理、化學及機械等作用。在膜分離過程中，一方面這些物質吸附沉積在膜表面及膜孔內，造成膜孔徑變小，降低了膜通量；另一方面因濃差極化的作用膜表面溶質濃度升高，而逐漸形成凝膠層，長期運行則形成濾餅層，使膜的分離特性發生了改變[3]。

(2)膜污染影響因素

影響MBR膜污染的因素主要有操作條件、污泥混合液性質及膜材料三方面[4]（見圖1）：操作條件，如膜運行通量和壓力、膜池曝氣量、系統水力停留時間（Hydraulic Retention Time，HRT）、污泥停留時間（Sludge Retention Time，SRT）及污泥負荷等，操作條件可改變生化池內水力條件，對微生物生長、膜絲表面的水力剪切、沖刷等均會產生影響；污泥混合液中含有大量胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）及微生物分泌的溶解性代謝產物（Soluble Microbial Products，SMP），這些物質使混合液黏度增加，附著在膜表面阻塞膜孔，是形成凝膠層和濾餅層的重要因素；膜的孔徑大小、荷電性、孔隙率、親疏水性及表面粗糙度的不同直接影響膜污染的形成和污染速率，不同材料膜對混合液中物質的作用不同，膜污染發生的情況也有較大差異[5]。

圖1 MBR膜污染的主要原因和控制方法

2.膜污染控制方法

(1)物理法

①曝氣沖刷。MBR正常產水過程中，在膜表面由于驅動力作用而產生濃差極化層，隨運行時間延長，膜表面的料液濃度急劇上升，膜污染速率加快[6]。膜池曝氣能夠使污泥混合液混合均勻，且對膜表面吹掃的過程中使混合液產生較強的剪切力，降低濃差極化層，促使膜面污染物質脫落，減緩了膜污染，增強了膜通透性。

王運超等[7]采用固定曝氣強度和動態曝氣強度條件對MBR運行中跨膜壓差（Trans Membrane Pressure，TMP）的上升速率進行考察。試驗結果表明，增大曝氣強度，膜污染速率降低，MBR運行更久，且對比固定曝氣強度條件和動態曝氣強度條件，發現后者具有更好的減緩膜污染效果。李靜等[8]研究了不同曝氣方法對MBR污染速率減緩的規律。研究表明，曝氣管孔徑越大，膜污染的阻力越小，原因可能為大孔徑產生的氣泡較大且在氣泡上升的過程中與膜表面的接觸面大，氣泡在破裂時產生的沖刷作用強，并使污染物質不能沉積在膜表面，減緩了膜污染。張靜等[9]優化MBR處理工藝及膜污染控制，發現在實際工程中膜池MLSS達12000mg/L時，將膜池膜吹掃量0.21m3/（m2·h）提高到0.25m3/（m2·h）后，膜污染速率得到有效控制，系統能穩定運行。

曝氣對污泥混合液有良好的擾動效果，可以降低膜表面附著的污染物，但過高的曝氣強度也能導致污泥絮體的破損，使EPS的含量增加，從而加大了膜污染的風險，因此在調控工藝參數時需將曝氣量設置在一個合理的范圍之內，才能達到良好的效果。

②附加電場。在混合液中，外加電場對MBR產生電泳和電滲透兩種效果，能夠使帶電污染物或極性分子發生定向遷移，從而遠離膜表面，減緩膜污染，而且不需要加入任何化學成份，無副作用。

畢芳華等[10]研究將微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）電場與MBR相耦合后與常規MBR系統對比分析膜污染特性。結果表明，在達到相同跨膜壓差時，MFC-MBR比常規MBR運行周期延長35%～45%，且在MFC-MBR系統EPS含量要比常規MBR系統明顯降低，原因可能在于附加電場后，微生物代謝中電子傳遞過程強化，新陳代謝作用加強。陳欣義等[11]使用電化學膜生物反應器（E-MBR）處理難生化降解有機廢水，EMBR的運行周期比常規MBR延長了46%，并且經過物理清洗后膜通量的恢復性也比常規MBR要高，可見通過附加電場能有效減緩膜污染，減少膜的清洗頻率。

電場對降低膜污染有良好的效果，但在實際工程中裝置構建成本比較高，且附加電場增大了MBR系統的復雜程度。

(2)化學法

①化學清洗。當MBR運行TMP達到一定值，膜通量急劇下降，普通的物理條件不能有效緩解膜污染時，應當對膜進行化學清洗[12]。化學清洗能有效去除膜表面及膜孔內沉積、吸附的有機和無機污染物，對膜通量的恢復起到良好的作用。化學清洗分為原位在線清洗和異位離線清洗，目前工程上常規維護性清洗為低濃度藥劑在線清洗，頻率通常為一周一次；離線清洗主要是在膜發生嚴重污染的條件下進行（即在線清洗已無法提高膜通量），通常為一年兩到三次高濃度藥劑清洗。為防止膜受損，延長膜的使用壽命，會在膜嚴重污染前就進行離線清洗。

化學清洗時使用的藥劑要根據膜污染類型進行選擇，常用的包括酸、堿、金屬螯合劑、表面活性劑、酶及氧化劑等[13]。市政污水因其結垢性離子含量較低，膜污染多為有機污染，清洗一般用次氯酸鈉（NaClO）清洗；工業廢水含各種無機鹽離子，結垢污染發生概率較大，故清洗時還需結合酸洗，一般使用較多的為鹽酸（HCl）。楊怡婷等[14]使用濃度為0.2×10-6的NaClO溶液清洗聚偏氟乙烯-聚對苯二甲酸乙二醇酯（PVDF-PET）復合膜，發現對膜污染有很好的恢復效果，清洗后并未破壞膜結構，膜運行周期顯著延長。膜污染發生的過程較為復雜，污染物質也并不單一，為達到良好的膜恢復效果，有時還需使用組合藥劑清洗。不同污染物類型對應的化學清洗藥劑，見表1所示。

表1 膜清洗常采用的化學清洗藥劑[13]

化學清洗雖對膜通量恢復有良好的效果，但化學藥劑對膜面皮層的化學作用不可忽視此外清洗藥劑的使用濃度、清洗浸泡時長、清洗時的溫度和在線清洗時反洗的壓力等都會影響膜的使用壽命，因此在化學清洗時，需要設置合理的清洗參數。

②投加絮凝劑。絮凝劑能改變MBR膜池內污泥混合液的性質，尤其是對溶解性微生物產物（SMP）及胞外聚合物（EPS）中對膜污染起關鍵作用的多糖和蛋白質有一定的影響。

馬延強等[15]在缺氧/好氧-膜生物反應器（Anacrobic/Oxic-Membrane Bioreactor，AO-MBR）中投加氯化鐵（FeCl3）、PFS及PAC等絮凝劑，探究膜污染速率和混合液中膜污染影響因素的變化，結果表明，投加絮凝劑能有效降低膜污染速率，混合液中SMP及EPS中蛋白質和多糖含量均有減少，且絮凝劑作用大小依次：PAC＞PFS＞FeCl3。冀世鋒等[16]使用氯化鑭作為添加劑考察膜污染效果，加入氯化鑭后污泥過濾總阻力、污泥比阻均降低，是空白對照組的1/2和1/10，污泥壓縮系數提高了34.7%，EPS和SMP的含量也降低20%以上，氯化鑭能有效降低膜污染速率。胡環等[17]使用硫酸亞鐵（FeSO4）和PFS投加在浸沒式MBR反應器中，考察了系統運行效率和膜污染變化，研究結果表明，加入絮凝劑后污泥沉降性能明顯改善，污泥體積指數（SVI）顯著降低，膜上污染物多糖、蛋白質及胡敏酸累物質等均有所減少，膜污染速率大大降低。

投加絮凝劑不僅對改善膜污染效果明顯，而且使用方便，但由于污泥混合液中成分復雜多變，絮凝劑對膜污染特性還要更加深入的研究。

(3)生物法

①懸浮填料。近幾年，懸浮填料被廣泛應用在MBR膜污染控制研究中，懸浮填料對MBR系統的作用一方面為填料能在水流的作用下沖刷膜表面，減少膜表面沉積的污染物，并且還能吸附混合液中的懸浮固體，降低膜污染的風險；另一方面，填料的加入會影響微生物新陳代謝，混合液中EPS和SMP的含量發生變化，導致膜污染速率發生改變[18]。

肖梓良等[19]使用柱狀聚丙烯材料懸浮載體投加至一體式MBR反應器中，考察對膜污染和水處理效率的影響，研究結果表明，無論是在高污泥濃度還是低污泥濃度條件下，投加懸浮載體實驗組較無載體實驗組運行周期均有延長，懸浮載體能減緩膜污染速率，并且在高污泥濃度條件下懸浮填料的作用更明顯。宋樂元等[20]研究投加懸浮填料對厭氧膜生物反應器（Anaerobic Membrane Bioreactor，AnMBR）運行處理效果和膜污染的影響，結果表明，投加懸浮填料后MBR運行TMP曲線上升斜率從不投加的6.69變成3.99，膜污染速率明顯減緩，另對濾餅層阻力和總阻力測試發現分別比未投加填料時降低7.8%和6.5%，投加懸浮填料不僅能改善混合液性質還能對降低膜污染起積極作用。

填料對膜表面沖刷減少污染物沉積的同時，也有可能對膜絲產生摩擦碰撞而導致破損，另外填料表面生長生物膜對水質也有一定影響，日后研究中還需多方面結合考量。

②顆粒污泥。顆粒污泥一般為球形或橢球形，生物量大且沉降性好，是一個微型的生物膜，可以有效提高污泥的過濾性能，減緩膜污染速率。

邢鍇等[21]研究了好氧顆粒污泥緩解MBR膜污染的特點，表明好氧顆粒污泥MBR在膜嚴重污染之前運行36d，而相同條件下普通MBR僅19d，并且前者TMP始終低于后者。白琳[22]研究發現顆粒污泥條件中膜生物反應器TMP上升速率緩慢，平均運行周期是普通活性污泥系統的2.43倍，顆粒污泥系統有效減緩了膜污染。

顆粒污泥膜生物反應器雖能減緩膜污染效果，但也并非完全沒有污染，另外在MBR反應器中好氧顆粒污泥延緩膜污染的機理方面還需要深入研究。

(4)材料改性法

材料改性是從膜材料方面研究抗污染膜的技術，改性后的膜增大親水性、減小接觸角、可抑制微生物生長和吸附，也有研究人員將導電材料通過化學和電化學的方式聚合在有機膜表面，制成導電膜，利用電場產生的物理化學作用來減緩膜污染。

杜磊等[23]制備具有導電性的碳納米管-聚偏氟乙烯（CNT-PVDF）復合中空纖維膜，并處理實際污水進行抗污染測試。結果表明，在改性膜上施加-2V槽壓時，產生靜電斥力能有效降低膜污染速率，膜通量衰減小于10%，而相同條件下未改性膜過濾通量衰減了72%，并且改性后污染的膜清洗時通量完全恢復。Shen等[24]通過化學接枝方法在PVDF膜表面接枝引入DMC（三甲基氯化銨），親水性明顯提高；改性膜應用廢水處理中，膜表面蛋白質等吸附含量明顯降低，清洗膜通量恢復率增大了3～4倍。Zhang等[25]用摻雜改性技術得到的碳納米球-聚偏氟乙烯（CNSPVDF）混合基質膜應用在MBR廢水處理中，改性后的膜親水性提高，通量增大，膜污染速率大大降低且化學清洗的次數減少，改性后的膜抗污染性明顯提升。膜材料改性后通量和抗污染性能都有明星的改善。

膜材料改性減緩膜污染不同于MBR工藝調控，改性膜需要更多的實踐考驗，隨著科技進步，有越來越多新材料和制備工藝，未來在深入研發的過程中應多結合實際應用。

(5)運營管理

污水處理廠中控制膜污染不僅需要好的技術，更需要好的運營管理。目前，國內污水處理廠運行人員水平參差不齊，因此，加強對MBR系統運營人員管理、技術等方面的培訓也是保障污水處理系統安全運行的關鍵。日常跟蹤記錄膜運行壓力、水量水質等數據，并且依其變化趨勢分析膜污染發生所對應運行條件，建立數據庫及膜污染發生風險范圍，當遇突發情況及時調整工藝參數及運行工況可有效防止膜污染；運行人員還需對設備定期檢修，并加強日常監測監管，掌握系統運行狀況。

3.展望

MBR技術不僅可以解決水臟、水污染等問題，更在資源化利用方面有很好的發展前景，但是MBR膜污染問題限制了該工藝發展和推廣的速度，研究MBR膜污染機理與影響因素是控制膜污染的基礎，也是未來的研究重點。膜污染過程復雜，需結合處理工藝優化運行操作條件及參數，延長MBR運行周期；針對活性污泥系統研究微生物種群及新陳代謝，降低混合液中如EPS、SMP等物質的含量；開發抗污染類型的新型膜材料，這些都是保障MBR系統經濟、穩定運行的可靠保證。