操作條件與膜生物反應器中膜污染的關系

楊 非，楊 麗

（馬鋼集團設計研究院有限責任公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

傳統活性污泥法的出水因不能直接回用，往往需要進行深度處理。21 世紀的工業污水處理中，膜分離技術有重要的地位［1］。膜生物反應器（Membrane Bioreactor，MBR）是將膜分離技術與傳統生物處理有機結合的新型高效污水處理技術，它取代了傳統活性污泥法中的二沉池，具有出水水質好，容積負荷高，占地小，剩余污泥產量少的優點［2］，目前廣泛應用于市政和工業廢水處理中。但是膜生物反應器運行中產生的膜污染問題，會致使膜通量下降。頻繁的清洗和換膜又會極大地增加基建和運行費用，同時影響其穩定性，是限制該技術進一步推廣的瓶頸。膜污染的影響因素有很多，一般認為可分為3 類：操作條件、混合液形狀和膜本身性質，其中操作條件對膜污染有著重要影響。

因此，結合國內外的相關研究，就MBR 膜污染機理及操作條件與膜污染關系做進一步綜述，旨在為緩解膜污染提供可行途徑，為推廣該技術的工業化應用創造條件。

1 膜污染機理概述

1.1 膜污染概念

膜污染是指被處理料液中的微粒、膠體和溶質大分子在物理、化學或機械作用下吸附或堵塞在膜表面或膜孔內，從而使膜透過流量與分離特性下降的現象［3］。

1.2 膜污染分類及產生機理

一般來說，膜污染可以按可清洗程度、污染源的性質和膜污染成因來分類，具體分類見表1。

表1 膜污染的分類

1.3 膜污染的表征

膜污染程度一般可用總阻力來表征。總阻力R由膜阻力Rm、膜孔堵塞阻力Rb、凝膠層阻力Rg、泥餅層阻力Rc、濃差極化阻力Rcp共同組成［6］，膜過濾阻力分布示意圖見圖1。

圖1 膜過濾阻力分布示意圖

根據達西（Darcy）定律：

式中：J—膜通量，L∕（m2·h）；

P—跨膜壓差，Pa；

μ—透過液粘度，Pa·s；

R—總阻力，m-1。

膜污染呈現的效果即總阻力R的不斷增大。恒壓過濾時，膜污染加劇反映為膜通量下降；恒通量過濾時，膜污染加劇反映為跨膜壓差升高。

2 操作條件對膜污染的影響

影響膜污染操作條件的參數有很多，如膜通量、跨膜壓差、曝氣量、錯流速率、水力停留時間、污泥齡、溫度、pH、進水水質、間歇操作等。

2.1 膜通量對膜污染的影響

膜通量（membrane flux）是膜過程的基本參數，主要由驅動力和總阻力共同決定，其中驅動力主要為跨膜壓差（transmembrane pressure，TMP）。MBR有恒通量和恒壓力2 種操作模式。在恒通量操作下，通常認為存在一個臨界通量，當實際通量高于臨界通量時，膜污染速率迅速上升。Madaeni等［7］研究表明，臨界通量在混合液懸浮固體濃度（MLSS）3～10 g∕L 范圍內，隨MLSS的升高而線性下降。俞開昌等［8］采用通量階式遞減法得出，曝氣強度增加會提高氣水二相流的紊動性，進而增大臨界通量，次臨界通量下系統運行穩定，膜污染速率減緩，但是，這只適用于短期運行。Wei 等［9］發現即使在次臨界通量下運行，TMP 也只在較短時間內緩慢增加而后驟增，這是由于長期次臨界通量下運行，雖然膜污染速率小但仍在發生，輕微的膜污染逐漸累積導致局部膜通量超出臨界通量，從而使TMP 迅速增加。所以實際運行中，應盡量選擇低的初始膜通量操作，這樣才能保證系統運行穩定且能耗較小。

2.2 跨膜壓差對膜污染的影響

跨膜壓差是指施加在膜兩側過濾的壓力差。同樣，在恒壓操作下，也存在一個臨界壓力，當實際壓力高于臨界壓力時，膜污染速率迅速上升。Yamamoto 等［10］發現，在操作壓力低于臨界壓力時，6 h 內，膜通量只下降10%；而在操作壓力高于臨界壓力時，2.5 h 內，膜通量已下降40%。這是由于不同的操作條件下形成的濾餅層厚度不同，高壓下的初始濾餅層較厚，膜通量相較于初始通量下降較大；而低壓下，初始濾餅層不會很厚，膜通量相較于初始通量下降不明顯。Hong等［11］發現，若初始TMP較低，可使膜通量下降速率變慢，膜污染速率減緩。Guo等［12］研究表明，超濾膜在低于0.1 MPa下的恒壓運行時可避免不可逆污染。

2.3 曝氣量對膜污染的影響

在一體式膜生物反應器（SMBR）的運行過程中，曝氣量決定了膜面流體的紊亂程度。進行曝氣既可為微生物供氧，滿足底物降解和細胞合成的需求；同時其形成的氣水二相流流速增大，膜面流體湍流程度增加，形成大的水力剪切力，沖刷膜面，抑制濃差極化現象和濾餅層的形成。Ueda 等［13］發現，使用較大曝氣量可有效增大膜通量，緩解膜污染。Shimizu等［14］發現，曝氣強度增加使膠體及顆粒不易沉積在膜面。劉銳等［15］研究表明，對中空纖維膜進行曝氣，可防止凝膠層厚度增加，極大延長膜清洗周期。但曝氣量并非越大越好，過大的曝氣量會破壞污泥絮體結構，加劇膜孔堵塞，增大膜污染速率。Hong等［11］指出存在一個臨界曝氣量，當實際曝氣量超過其值時，通量增加不明顯，且較大曝氣量提供的過量溶解氧會抑制反硝化作用。因此，在實際運行中應將系統的曝氣強度控制在最佳曝氣量。

2.4 錯流速率對膜污染的影響

對于外置式膜生物反應器（CMBR），錯流速率（CFV）決定了膜面附近流體的流態。CFV 增大，湍流程度增大，水力剪切力變大，濾餅層厚度減小。Psoch 等［16］認為較大CFV 可有效減緩膜污染。Defrance等［17］發現，隨CFV 增加，膜通量近似線性增大。劉浩亮等［18］采用自主研發的同心旋轉平板膜組件實現主動錯流式膜過濾，發現其比靜態膜具有更大的CFV。膜面轉動形成的強力湍流，能有效延緩膜污染速率。但CFV 并非越大越好，過大的CFV同樣會出現反效果，且能耗更大。Thomas 等［19］發現當CFV 大于3 m∕s，污泥絮體破碎，形成主要由小顆粒構成的致密濾餅層，反而使膜通量減小，TMP增大。

2.5 水力停留時間對膜污染的影響

水力停留時間（HRT）通過影響活性污泥混合液形狀而間接影響膜污染。若采用較短的HRT，則為微生物提供較多營養物質，加速微生物增殖，使混合液MLSS 和黏度上升，加快膜污染速率。Harada等［20］研究表明，過短的HRT 會導致溶解性微生物產物累積，使膜通量降低。Huang等［21］認為，HRT的降低使溶解性微生物產物中蛋白質類物質增加，吸附在膜面引起膜污染。

2.6 污泥齡對膜污染的影響

污泥齡（SRT）是活性污泥混合液形狀的決定性因素，并以此間接影響膜污染。SRT與MLSS、黏度、胞外聚合物（EPS）、溶解性微生物產物（SMP）和污泥粒徑息息相關。Meng 等［22］研究表明，適當增加SRT 可減少溶解性微生物產物含量，減緩膜污染。但SRT 并非越長越好，過長的SRT 會使污泥濃度增加，內源呼吸加劇，膠體物質增加使膜污染速率變大。Lee 等［23］發現，過長的SRT 會使總的膜污染增大。曹占平等［24］認為，通過控制SRT，可使由氧化還原電位（RH）、電動電位、懸浮固體濃度（SS）等主要膜污染影響因子引起的比阻維持在較低水平。因此，實際運行中需要對SRT 進行適當的控制，一般認為控制在20～50 d 時［25］有利于穩定溶解性微生物產物，從而較為有效地抑制膜污染。

2.7 溫度和pH值對膜污染的影響

溫度和pH 值屬于環境條件參數，通過影響混合液性質間接影響膜污染。溫度會影響污泥顆粒粒徑和黏度等；pH 值則會影響RH、Zeta 電位，且可對膜面改性，進而改變膜和污染物之間的靜電作用力，影響膜污染。Gao 等［26］發現，隨著溫度上升，EPS、SMP 和膠體物質含量逐漸增多，在高溫下會產生更多不可逆污染。Ognier 等［27］發現存在一個pH值臨界點，當大于此臨界點時膜污染迅速增加，臨界點隨溫度的升高而降低。

2.8 進水水質對膜污染的影響

進水水質會對系統內微生物代謝和膜分離過程產生影響。Lin 等［28］認為進水中無機污染物會和微生物發生作用共同沉積在膜面，形成致密的濾餅層。陳康等［29］研究表明，隨著鈣離子濃度的增加，TMP增長趨勢減緩，膜污染減小。

2.9 間歇操作對膜污染的影響

間歇操作屬于MBR 系統運行方式。間歇出水通過短暫停抽，使向膜面的附著力消失，附著在膜面的沉積物在錯流剪切力的作用下從膜面剝離。Yamamoto 等［10］認為間歇操作可有效延緩膜污染發展。但并非停抽時間越長越好，過長的停抽時間會減弱其去除效果且減少系統的產水負荷，所以，實際運行中應合理控制一個最佳抽停比。

3 結語

綜上所述，操作條件對膜污染有著重要的影響，但是現有的研究仍存在以下不足。

（1）各影響因素不是孤立的，而是有機的整體，共同對膜污染造成直接或間接的影響。現有的研究大多停留在某一項因素的研究上，忽略了各個因素的協同作用。

（2）現有研究基本停留在試驗室的小試試驗水平，如何采用中試試驗等更為接近實際應用的條件為工程應用提供必要的指導，是今后要考慮的問題。

（3）現有研究大多以好氧MBR 為主，而關于厭氧MBR的研究不夠深入。

今后的研究可以重點針對以上幾點，逐步建立膜污染綜合評價機制和聯系緊密的模型網絡，深化對厭氧MBR的研究，并更多運用到實際工程中。

將膜的選擇、操作條件的優化、混合液特性的改善和膜的清洗聯合運用，往往能夠取得更為顯著的膜污染控制效果。工程應用中應綜合考慮，選擇高效、節能、便于操作、管理簡單的膜污染控制技術。