面向MBR工藝應用的典型中空纖維膜性能評價體系研究

關鍵詞：MBR技術；中空纖維膜；膜性能；評價體系

中圖分類號：X820 文獻標志碼：B

前言

膜生物反應器（MBR）是膜分離技術和生物降解技術的有機結合，以中空纖維為主流形式的膜分離取代傳統活性污泥法的二沉池和常規過濾單元，從而取得高效的固一液分離效果，被廣泛應用在工業、市政等環境領域污水處理及回用中。

膜是完美實現MBR工藝的核心部件，膜性能的優劣決定膜產品的分離效率和使用壽命，直接影響MBR工藝質量的好壞，然而目前國內外研究者卻較少涉及面向MBR系統的膜典型性能評價，尚未建立相關的評價體系，缺少相應的檢測方法，不足以支撐評價全部膜系統性能的優劣。理想的MBR工藝應用的分離膜應具有機械強度高、運行通量大、產水水質穩定、使用壽命長等特點，因此準確評價MBR膜產品的性能和使用壽命就顯得尤為重要。

全面分析MBR工藝類型和特點以及應用限制，亟待構建并完善面向MBR工藝應用的典型中空纖維膜性能評價體系和方法，對于提高MBR工藝處理效能、延長MBR用膜壽命具有重要的意義。

1 MBR工藝類型和特點

關于MBR技術的研究最早可以追溯到上世紀60年代末期的美國，近年來MBR技術的應用在世界上仍維持著每年高于10%的增長率。與傳統生化工藝相比，MBR能夠在保證出水達標的前提下簡化水處理流程，縮短水力停留時間（HRT），使HRT與污泥齡（STR）完全分離，其高效的固一液分離能力使出水懸浮物和濁度接近于零，并可截留細菌、病毒等生物性污染物，出水能夠達到污染排放和某些特定回用標準，是一種經濟高效的環境污水資源化技術。

1.1工藝類型

根據膜組件與生物反應器組合位置不同可以將MBR工藝的類型分為分置式膜生物反應器和一體式膜生物反應器，如圖1、圖2所示。分置式膜生物反應器，把膜組件和生物反應器分開放置，生物反應器中的混合液經循環泵增壓后至膜組件端，在負壓抽吸作用下進行過濾，混合液中的懸浮物、有機大分子物質等被膜截留，截留物隨濃縮液回流到生物反應器內再次進行降解，特點是運行穩定可靠，易于膜的清洗和更換，而且膜通量普遍較大，但耗能較大。一體式膜生物反應器，把膜組件置于生物反應器內部，其中大部分污染物被混合液中的活性污泥降解，再在負壓抽吸作用下進行膜過濾產水，這種形式由于省去了混合液循環系統，能耗相對較低，占地較分置式更為緊湊，但是膜通量相對較低，容易發生膜污染且不易清洗和更換。

1.2技術特點

總體來說，MBR技術與許多傳統的生物水處理工藝相比，主要具有以下優點：

（1）優質穩定出水：由于膜的高效分離作用，分離效果遠好于傳統沉淀池，同時也使微生物被完全截留在生物反應器內，使系統內能夠維持較高的微生物濃度，不但提高反應裝置對污染物的整體降解效率，包括對氨氮及難降解有機物的去除，而且對進水負荷的各種變化具有很好的適應性，抗沖擊負荷強，能夠穩定獲得優質的出水。

（2）剩余污泥少：生物反應器內能維持高濃度的微生物量，可在高容積負荷、低污泥負荷下運行，剩余污泥產量低，減少污泥處理費用。

（3）節省占地：工藝流程簡單、結構緊湊，無需二沉池。

（4）可以實現HRT與SRT的完全分離，管理操作更方便，自動運行控制更加靈活穩定。

（5）易于從傳統工藝進行改造：膜系統可以作為傳統污水處理工藝的升級深度處理單元，在城市污水處理廠深度處理等領域有著廣闊的應用前景。

2 MBR工藝應用限制

與傳統工藝比較，這種將膜與生化反應相結合的MBR工藝雖有明顯優勢，但是更廣泛應用受到了用膜成本、較高能耗以及膜污染等問題的限制，其中膜污染是限制MBR大規模應用的重要因素。

隨著膜技術的高速發展，目前有機膜制造工藝較為成熟，孔徑和結構可調控，成本相對較低，但運行過程容易出現易污染、難清洗、短壽命等問題。雖然無機膜具有高強度、易清洗、耐高溫等優勢，但是從裝填膜面積、綜合造價等因素比較，聚偏氟乙烯（ PVDF）材質為代表的有機中空纖維膜憑借其優異的化學性、良好的機械性能、易于加工和較強的選擇透過性而獲得廣泛應用。

MBR技術應用需保持一定的驅動壓力才能保證取得很好的固-液分離效果；其次是MBR池中MLSS濃度非常高，為提高降解效率、提升膜通量、減輕膜污染，必須加大曝氣強度，保持足夠的傳氧速率的同時增大沖刷膜表面流速，因此能耗也是造成MBR工藝應用的限制之一。

膜污染是指在MBR工藝運行過程中混合液中的顆粒，膠體、有機大分子物質等與膜發生物理化學相互作用而引起的吸附或者沉積而造成的膜表面覆蓋及膜孔堵塞的現象，常常表現為嚴重掛泥、通量銳減、跨膜壓差（TMP）上升，影響到整個膜系統的運行，至今也沒有得到很好的解決。膜污染形成機理非常復雜，其中濃差極化是表面形成濾餅層的主要原因，主要污染物有懸浮固體、膠體和微生物。有機和無機污染是指有機大分子和鐵鋁硅等無機物吸附于膜表面和膜孔中產生的污染；生物污染是微生物群在膜表面附著生長而產生的生物膜。膜污染一旦產生，可以通過反洗、曝氣等表面清洗方法去除可逆性污染，通過化學清洗去除不可逆污染，但仍有大部分污染物不能通過清洗的方式去除。另外，采用離線方式將MBR膜從池中取出放入清洗池中浸泡藥洗，該清洗方式效果雖然好，但操作不便，人工方式容易使膜受損；在線方式是將藥液由藥洗泵注入到MBR膜內部，清除在膜表面上的有機物和微生物，雖然操作方便，但往池內注人大量的化學藥劑會導致污泥活性降低，膜的耐受化學性降低同時引入新污染物。

雖然MBR工藝仍存在不足，但隨著膜制備技術的進步、膜污染控制技術、膜清洗技術的發展，MBR處理技術會越發成熟。MBR工藝獨有的優勢，將使其在未來的環境水處理領域占有重要的位置。

3面向MBR工藝應用的典型中空纖維膜性能評價體系

從以上分析可見，混合液的特性等對膜的污染極其復雜，現場大多通過不斷優化操作條件減少膜污染，但作用其實并不大，反而容易造成能耗的提高、成本的加大、新污染物的生成等不利影響。其實MBR技術的核心在于膜性能，卻往往容易被忽視，常規的膜性能如表1所示，通常選擇通量大、孔徑適宜且分布均勻的MBR原膜在實際運行過程中出現的斷絲、根部斷裂、脫皮、污堵、膜污染等現象屢見不鮮，只有通過新型抗污染膜材料的開發，能夠科學準確客觀評價用膜性能、不斷提高膜質量，才是有效延長膜壽命，更好發揮MBR工藝效能的治本方略。

目前，國內外使用的MBR工藝大部分濾膜孔徑集中在（0.03～0.4）μm之間，在實現對活性污泥的有效截留前提下保證大通量，同時確保其運行能耗最低，小孔徑膜容易截留溶液中的污染物，在膜表面產生沉積層，使膜阻力增加；大孔徑膜在過濾初期膜孔堵塞較嚴重，隨著濃差極化的形成，截留作用開始提高，但是污染物易在膜孔表面和內部產生沉積和堵塞，形成不可逆污染，成為長期運行中造成膜性能下降，壽命縮短的主要因素，因此準確表征膜孔徑范圍，選擇適合孔徑的膜至關重要。目前多采用氣一液置換法測試膜孔徑，但由于該表征方法僅適用于0.1μm以上孔徑的樣品，針對0.1μm以下孔徑的方法目前可也采用聚苯乙烯微球標準粒子法和液一液置換方法。

曝氣強度是MBR設計和運行中的重要參數，通過曝氣提供充足的氧含量，供污泥中的微生物正常生長代謝，為污染物的去除提供有利條件，同時曝氣起到攪拌作用，使污泥在混合溶液中充分混合，并在中空纖維膜表面產生剪切力，起到沖刷擦洗作用，減緩污染物在膜表面沉積。但是過量的曝氣和沖刷作用會導致機械性能差的膜壽命下降和膜組件損傷。目前，膜的機械性能最常用的評價方法是通過拉伸法測定膜的斷裂強力和斷裂伸長率，進而表征膜的縱向強度，與此同時采用爆破法來表征膜橫向力學性能。然而，MBR系統在曝氣過程中，膜絲始終處于一個抖動的狀態，由于膜絲的柔韌程度不同，在氣流和水流沖刷作用下的擺動很容易出現彎折、斷絲，因此，不同于傳統的機械強度表征，開展中空纖維膜柔韌指數檢測技術的研究進而評價面向MBR應用的膜的柔韌性是很有必要的，為選擇韌性優異、適用于曝氣擺動的膜奠定評價基礎。擬模擬運行過程中膜絲左右擺動情境下，考察一定通氣曝氣量和膜絲橫向擺動寬度之比來定義曝氣強度結果。

為了避免彎折斷絲，目前普遍以內襯增強型中空纖維膜為基礎開發出MBR膜組器，然而，帶內襯膜在運行過程中由于曝氣、物理清洗等作用會對膜絲表面造成水力沖擊，如果出現膜分離層與內襯管附著性差、易剝離，膜組件根部的密封膠太硬太脆等原因導致的膜破損、脫皮和根部脫落斷裂等現象，又很容易造成膜系統污堵，產水水質嚴重惡化。目前針對中空纖維膜耐水力沖擊性、附著性和組件澆鑄粘結性等研究還是空白，相應的檢測技術方法還不夠完善，亟待建立這種MBR工藝特殊運行條件下膜典型性能的評價體系和方法。擬采用在一定沖擊強度、沖擊距離、沖擊時間等影響下，確定膜絲不被沖斷絲的終點條件，考察耐水力沖擊性；通過在一定的拉伸速率下，從編織管增強型中空纖維膜預剝開口處進行180°剝離，測定膜分離層與編織襯管的平均剝離強度值；基于縱向拉伸法，對在一定固化條件下制成的膜組件進行力學性能測試，進而表征組件澆鑄粘結性。

膜通量是MBR應用中的一個基本且重要的運行參數，指在一定操作壓力下，通過單位膜面積的產水量（m³／（m²·h）或L／（m²·h））。但是膜通量并非隨著操作壓力的升高而線性增大，當膜的孔徑大小、孔隙率、剛硬程度不同以及在不同水質和污泥條件下的膜穩定運行通量變化差別顯著，因此為表征膜在實際應用情況下的抗壓密性能，有必要對膜絲的壓密系數進行研究，摸索通量衰減規律。考察操作壓力與運行時間對膜水通量的影響，進而定義中空纖維膜的壓密系數。

膜污染和膜壽命問題制約了MBR工藝在環境水處理領域的大規模工業化應用，雖然通過清洗可以降低污染影響，但同時酸、堿、氧化劑等化學清洗劑也會導致對膜耐腐蝕性和膜壽命的影響。除此之外，膜表面粗糙度、表面親水性和荷電性等也會對膜污染有重要的影響。因此，如果缺少精準的膜性能評價和壽命預測有效方法，無法使膜產品質量得到提高，就從根本上無法解決MBR應用過程中的膜性能劣化和膜壽命減少的問題。但是目前行業內對膜使用壽命的評價指標和判定依據尚未形成明確統一的認識，積極探索判定膜壽命終點依據和評價指標，能夠從實際應用角度反映膜的使用壽命具有重要的實用價值。擬采用比通量的方式，在一定的跨膜壓差、水溫和污染物濃度條件下，對膜進行多次連續運行產水和化學清洗試驗，在確保截留性能的情況下，根據膜因受污染導致比通量衰減至無法恢復下限值時的值，計算中空纖維膜在此條件下對應的可使用時間，來定義使用壽命。

4結束語

膜性能是完美實現MBR工藝的核心要素。在考量膜的通量、截留、孔徑等常規技術指標外，更要注重膜在實際應用中的典型性能表征，全面考察面向MBR工藝的膜性能。聚焦MBR工藝運行過程中出現的斷絲、脫皮、污堵、產水量下降等問題，建立面向MBR工藝應用的典型中空纖維膜性能評價體系，形成以力學性能、耐剝離性、耐沖擊性、組件澆鑄粘結性和抗壓密性為典型代表的多參數膜性能科學評價方法，確定膜壽命終點判定依據，解決目前面向MBR應用的膜性能評價體系匱乏和無法有效預測膜壽命的問題，為精準診斷MBR工程運行中的膜產品性能提供全方位技術支持，為企業規模化生產出性價比更高、質量更有保證，成本更低的膜產品提供保證。