膜生物反應器膜污染及其防治技術

賈印宏

0 引言

膜生物反應器(Membrane Bioreactors，MBRs)是一種新型的高效生物處理技術，由于它在廢水資源化及中水回用方面的誘人潛力，現廣泛應用于包括石油化工、食品、印染以及生活污水處理中。但是，膜污染依然是影響膜生物反應器運行穩定性和經濟性的一個關鍵因素，同時也是影響膜技術推廣應用的關鍵問題之一。

膜污染是指MBRs內混合液中的懸浮顆粒、膠體粒子或溶解性大分子有機物在膜表面和膜孔內吸附沉積，造成膜孔徑減小或堵塞，使膜通量下降的現象。探析膜污染形成的現象及機理，確定減緩膜污染和膜清洗的方法成為該項技術研究開發的關鍵。

1 膜污染的表現

在膜生物反應器操作運行過程中，由于膜的狀況不同、水力條件不同以及反應器內混合液性質的不同，其污染情況也不盡相同［1，2］。如 Defrance 等［3］對分置式好氧 MBRs 的研究認為，膜的污染主要由占絕對多數的生物絮體起主導作用;You等［4］在厭氧消化液對膜生物反應器的研究得出，對膜污染的主要貢獻為以無機物(如CaCl2等)及有機物的結晶等沉積于膜表面而引起通量下降;Chang等［5］和 Lesjean 等［6］的研究表明，細胞外產生的胞外聚合物(EPS)如多聚糖、蛋白質等，既在曝氣池中積累，又在膜上積累，從而引起混合液粘度和膜過濾阻力增加。

2 膜污染的影響因素

膜污染的影響因素主要包括3個方面:膜的性質、活性污泥混合液和膜組件的運行條件。

2.1 膜的性質

膜的性質包括膜的材質、膜孔徑大小和膜表面特征等。膜的這些性質在不同的情況下對膜污染產生的效果是不同的。Choo等［7］在對聚砜膜、纖維素膜和聚偏氟乙烯(PVDF)膜污染的比較中得出，PVDF受到的污染較少。

2.2 活性污泥混合液

1)活性污泥濃度。膜生物反應器的最大特點是活性污泥濃度高。維持膜生物反應器內較高的污泥濃度，既降低了反應器的污泥復合，增加了污染物的去除效果，又減小了剩余污泥的產量，使污泥處理工藝得以簡化。但研究表明［8］，過高的活性污泥濃度不僅不會促進污染物質的去除，反而會增強膜污染，從而影響去除效果。

2)胞外聚合物(EPS)。隨著人們對膜生物反應器內微生物特性認識的深入，人們對膜污染的認識也逐步加深，人們發現胞外聚合物(EPS)對膜污染有較大的貢獻。EPS是來自微生物細胞分泌到體外的高分子粘性物質，有較強的絮凝作用，其成分十分復雜，主要由多聚糖、蛋白質、核酸、類脂等物質組成。

3)活性污泥沉降性能。在污水生物處理中，活性污泥指數及污泥沉降比是反映污泥的沉降性能、判斷污泥是否膨脹和衡量污泥好壞的重要因素。王勇等［9］在膜生物反應器運行過程中，考察活性污泥沉降性能的變化及其對膜污染的影響。結果表明，污泥沉降性能的變化對膜污染過程產生明顯的影響。電鏡觀察表明，污泥沉降性能對膜過濾壓差的影響與膜面污染層的結構和厚度有關。

4)污泥混合液懸浮顆粒。很多學者對不同粒徑的懸浮顆粒在膜表面的沉積做了詳細的研究，Shimizn等［10］建立了膜面沉淀模型，以此為依據對膜組件模擬計算的結論是:微小粒子容易在膜表面沉積，其中以10μm的懸浮粒子最易沉積。而Kwon等［11］認為只有尺寸與膜孔徑差不多的粒子沉積才會引起嚴重的膜污染，而較大及較小粒子在膜上的沉積并不會影響其過濾特性。

2.3 運行操作條件

1)停留時間(HRT，SRT)。

水力停留時間(HRT)和污泥停留時間(SRT)是生物處理較為關鍵的部分。在膜生物反應器中，它們的確定不僅關系到膜的污染［12］，最重要的是它們是膜生物反應器運行好壞的決定因素。

在MBRs中，提高HRT可以為反應器中微生物提供充分的營養物質，使污泥的增長率提高，保持較高的MLSS值，從而更好的去除污染物。但Hideke［13］等研究認為，如果水力停留時間過長會導致污水中溶解性有機物的過度積累，吸附在膜表面形成凝膠層，影響膜通量，造成膜污染。

較長的SRT有利于世代期較長的特殊菌種的生長(如硝化細菌)，并且能提高大分子的分解［3］，還會導致微生物的內源呼吸因而減少了剩余污泥產量，甚至可以達到無剩余污泥排放。但是隨著SRT的延長，微生物處于內源呼吸期，大量微生物死亡，從上清液中溶解性代謝產物(SMP)積累，會比對數生長期產生更多的細胞碎片和胞外聚合物［6］。若大分子的SMP被截留在MBRs中，不但會污染膜，而且SMP會吸附在氣—水兩相的界面上導致氧傳遞的降低，而小分子的SMP則會穿過膜進入出水，導致出水水質變差。因此在進行有效的處理操作之前，必須考慮污水特征而確定最優污泥齡。

2)膜通量。

膜生物反應器運行時，當采用恒定壓力的操作方式，則存在一個臨界膜通量，當運行時的膜通量大于臨界通量時，膜污染就會加重。因此在膜生物反應器運行時，應使運行時的膜通量低于臨界通量［14］。同時，膜透過壓力(TMP)也是一個重要的因素，當膜生物反應器運行采用恒定通量的操作方式，則存在一個臨界壓力，當運行時的壓力大于臨界壓力時，膜污染就會加重。因此在膜生物反應器運行時，應使運行時的壓力低于臨界壓力。近來，次臨界通量［15］操作作為一個更為有效的概念而提上日程。次臨界通量操作就是在一定的操作條件下，使膜通量維持在臨界通量以下，來獲得MBRs長期穩定運行。

Brookes等人［16］研究了有關四個長期運行的膜生物反應器的次臨界通量，處理的水是與天然氣場的含油(不包含懸浮油)有機廢水類似的合成廢水。數據顯示，次臨界通量運行時所產生的膜污染跡線形狀與在臨界通量運行時所產生的跡線形狀有顯著差異。

除了以上影響膜污染的主要條件之外，膜污染還與被處理的污水水質(特別是水中有機物的種類和濃度)、MBRs的特征尺寸、高度、曝氣系統布置、反應器微生物種群之間的相互影響、膜本身對生物膜生長的影響等有關。

3 膜污染的防治

在膜生物反應器的運行中，膜污染是在隨時隨地的進行著，并隨著操作運行的變化及活性污泥條件的變化而變化。因此，膜污染的防治工作自然是膜生物反應器正常運行的重點。

針對膜污染形成的因素，減少膜污染的措施主要為以下幾方面:

3.1 改善混合液的理化特性

常規的做法是控制反應器中混合液懸浮固體(MLSS)濃度，防止混合液中的固體物質和SMP及EPS等在膜表面沉積。也可以通過改善MLSS的可濾性，即在混合液中加入PAC等絮凝劑，使混合液內的COD迅速降低，減輕膜的負擔，提高混合液的可濾性，改善泥水分離性能和減緩濾餅層的形成，同時降低MLSS中EPS的含量，從而實現膜污染的控制［17］。

3.2 優化操作運行條件

優化操作運行條件的方法如錯流過濾、合理(空)曝氣、定期反沖或反吹、合理放置膜組件、間歇操作、選擇合適的出水方式等可以通過對水力停留時間及泥齡控制，從而在膜的物理維護上起到改善膜污染的作用。

You等［4］運用一種改進的厭氧膜工藝處理控制膜結垢，結果顯示厭氧膜處理結合產甲烷及好氧COD去除工藝在穩定運行兩個月后，即使沒有對膜進行化學清理，也沒有發現嚴重結垢的現象。同時發現由于好氧反應器中CO2的吹脫剝離作用，反應器形成的無機沉淀物減少了，無機沉淀物被截留到兼性好氧菌的絮凝物中。

4 結語

膜生物反應器中膜污染的問題是不可避免的。探求新的有效的膜污染控制技術是膜生物反應器規模化應用的關鍵所在。幾種技術的組合應用能夠發揮各自的優勢，如厭氧膜工藝、生物膜—膜生物反應器、填料—膜生物反應器、序批式膜生物反應器等也將是今后解決MBRs膜污染問題的方向之一。

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