膜生物反應器（MBR）在污水處理過程中產生膜污染的研究現狀及進展

高偉業 陳健彬 何亞鵬

（瀚藍環境股份有限公司 廣東佛山 528251）

隨著全球社會經濟的飛速發展以及人口的增多，工業污水以及生活污水排放量的增加使得原本有限的淡水資源日益短缺，因此發展高效的污水處理技術成為當務之急。目前，膜生物反應器在理論研究上已經相對成熟，然而由于膜生物反應器在污水處理過程中容易產生膜污染問題制約了其實際應用，因此必須了解膜污染的形成過程并采取有效措施降低膜污染的影響。

1 膜污染對MBR在污水處理過程中的影響

由于膜組件在使用過程中被污染，會降低其膜通量，在沒有有效預防措施的情況下要想維持反應器的繼續工作就必須在膜污染后更換膜組件，并對更換下來的膜組件進行清洗工作，這就帶來了嚴重的問題，首先是更換膜組件的過程會暫時中斷膜反應器的工作，使污水處理不能得以連續進行，其次是更換和清洗過程本身就要耗費大量的人力和物力，增加了運行成本。基于以上因素，由于膜污染的存在，同時目前膜污染防治工作的缺失使得在污水處理領域MBR無法得到大規模的應用。

2 MBR在污水處理過程中膜污染的形成機理

在膜生物反應器處理污水的過程中，導致膜污染的原因是多方面的，并在膜過濾壓力（TMP）的不同階段分別或共同起到主導的作用。

圖1 是膜過濾壓力隨膜過濾時間的變化曲線。從圖1 中可以看出，在膜生物反應器開始運行的一段時間內（即圖1 中的第一階段），膜過濾壓力隨著過濾時間的增加呈現快速上升的趨勢，導致這一現象的原因可能是由于在負壓抽吸的作用下，由于膠體等小顆粒物的遷移速度較快，在污水通過膜組件時其中部分懸浮的膠體顆粒會堵塞膜孔，另外膜本身會吸附水溶液中的溶質，而這些物質本身由于粒徑較小，其反向擴散遷移能力較弱，因此富集在膜孔之中，造成膜孔局部堵塞，使膜過濾的壓力急劇上升。隨著過濾時間的延長，污水中的污泥絮凝體隨著水的流動被貼附于膜表面，但這些絮凝體本身粒徑較大，遷移速度慢，并且其反向遷移的能力較強，因此沉積在膜表面的速度較慢，隨著這些絮凝體逐漸在膜表面形成污泥層，也從一定程度上阻擋了后續膠體顆粒向膜孔中移動，因此表現為膜過濾壓力隨過濾時間增加而緩慢增長（圖1 中所示的第二階段）；隨著過濾時間的進一步增加，在負壓抽吸的作用下，附著在膜表面的污泥層會被逐漸壓密，而且越靠近膜面則污泥層的密度越高，在壓密到一定程度時，就會導致膜壓力的急劇上升（圖1 所示的第三階段）。另外，微生物代謝產物（SMP）在膜孔和膜面的不斷吸附也會導致TMP的上升。

圖1 膜過濾壓力隨過濾時間變化曲線圖

3 MBR中膜污染的防治措施研究概況

當前防治膜污染的措施按性質不同可分為物理方法和化學方法等，具體包括對進水進行預處理，投放吸附劑、絮凝劑等添加劑，優化工藝參數，膜的改性處理以及膜的物理清洗和化學清洗等。

3.1 增加預處理工序

由于待處理污水成分的不確定性可能會影響膜的使用效果，如某些工業廢水中含有濃度較高的氨氮和金屬離子，如Fe3+、Al3+、Mg2+等，這些金屬離子容易與污水中其他有機大分子聚合物發生反應，使膜表面污泥層過早的形成，從而降低了膜的一次使用壽命；除此之外，過高或過低的p H值也容易導致影響膜的性能，甚至可能對膜產生腐蝕作用，因此在實際工作中應當在MBR進水增加預處理工序，具體措施有設置過濾、p H值調節工序等。如Kim等在2007年采用沸石/滲析器對進水進行預處理后發現氨氮的去除率可達90%以上。

3.2 向污水中投放添加劑

為了降低膠體、污泥絮凝體以及SMP等對膜孔的堵塞和對膜面的貼附，可向未經處理的污水中投放添加劑的方式，從而改變污水的成分，降低膜污染程度，增加膜的使用時間，實際工作中，可用作添加劑的有吸附劑、絮凝劑和其他化學物質。

3.2.1 添加吸附劑

常見的吸附劑有活性炭、沸石、分子篩、膨潤土等，以活性炭為例，向污水中添加活性炭粉末可以吸附掉大部分懸浮的膠體顆粒以及有機溶質等，實驗證明通過添加活性炭可以有效降低膜污染的程度，并大大延長了膜的使用壽命，然而Akram等在2008年研究發現過量添加活性炭非但不能降地膜污染，反而成為一種污染物加重了膜污染，因此必須要根據實際情況，經過反復試驗得出最佳的添加量，使膜污染降為最低。

3.2.2 添加絮凝劑

絮凝劑的添加可以增強污泥的絮凝性能，增大污泥粒徑，使大量的膠體顆粒、SMP等粒徑小的物質被吸附在絮凝體的表面或內部，從而減緩膜污染。常見的絮凝劑包括有機絮凝劑和無機絮凝劑兩種，經過研究發現，無機絮凝劑如硫酸鋁、氯化鐵等可有效增強污泥絮凝體表面疏水性，而聚丙烯酰胺、殼聚糖等有機絮凝劑則可增大污泥的粒徑，因此可根據實際水質情況選擇不同的絮凝劑。然而，無論是有機還是無機絮凝劑，都是屬于化學物質，很難避免會產生副產物，這些副產物可能會帶來新的膜污染問題。

3.3 通過改性處理增強膜的性能

提高膜的親水性是降低膜污染的重要手段之一，在實際工作中，可通過對膜進行改性處理，將極性有機官能團引入到膜表面以提高其親水性，常見的膜改性處理方法有涂覆、接枝、等離子體處理等。

3.4 采用科學的清洗方式

為使MBR工藝的不間斷進行，在膜污染的情況下采用在線清洗的方式去除膜孔內和膜表面的堵塞物和附著物是一種常被采用的方法，有著操作簡便、便于控制等優點，常用的在線清洗方式有傳統清洗方式、超聲波清洗以及化學清洗等。

3.4.1 傳統清洗方式

傳統的膜清洗方式包括壓力水沖洗、反沖洗、曝氣沖洗等，其中較常用的是曝氣沖洗。在MBR運行過程中，增加曝氣強度一方面可以改善水力條件，另一方面有利于氣體上浮過程中帶動水流對膜表面進行沖刷，從而去除部分附著物，降低膜污染。

3.4.2 超聲波清洗

超聲波清洗在降低膜污染中被認為是切實可行且行之有效的方法，主要利用超聲波的高頻振動沖擊作用對膜表面及膜孔內部吸附的污染物剝離，劉昕等通過在線超聲波清洗的方式成功降低了MBR運行過程中產生的膜污染，然而與曝氣沖刷相類似的是，超聲波的強度也不是越大越好，過大的超聲波強度會打散污泥顆粒，并且可能會直接對膜組件構成物理破壞，因此在實際工作中一定要控制好超聲波強度。

3.4.3 化學清洗

化學清洗就是利用化學藥劑去除膜表面及膜孔內的污染物，一般去除效率較高，常用的化學清洗劑包括酸性、堿性、氧化性以及配位清洗劑等，針對不同的污染要選擇適合的化學清洗劑。化學清洗方式的優點和缺點并存，優點是可以很方便地清洗掉相應污染物，缺點就是化學清洗過程中可能發生副反應以對膜造成新的污染，另外化學藥劑本身對膜可能也會造成不同程度的損害，不利于延長膜的使用壽命。

4 展望

4.1 當前對于MBR在污水處理過程中膜污染的產生機理雖然進行了一定的研究，然而還有很多問題亟待解決，如在圖1 中的第三階段膜壓力上升的原因還沒有定論，對SMP的作用機理等還有待研究。

4.2 目前對膜污染的研究多為定性分析，而缺少科學的定量計算，因此建立科學的數學模型來分析膜污染問題應當是未來的一個研究方向。

4.3 當前對MBR的膜污染防治措施的研究只是建立在實驗室的條件下，并且理論研究多過實踐，因此在未來的工作中應當在此基礎之上增加小試、中試規模的實踐探索，不斷積累經驗，使膜污染的防治措施為工業化膜生物反應器污水處理服務。

4.4 隨著科技的發展，出現了一些新型的膜生物反應器以及膜組件，在實驗室條件下證實其膜污染程度比傳統MBR中的膜組件低很多，可以看到目前科研工作者們更多的是致力于開發新型MBR和膜組件，而對于其膜污染程度為何降低研究不夠，往往只是停留在猜想階段，缺少相應的理論支持，因此對于這方面的研究也將是科研工作者未來的一項重要工作。

5 結語

膜生物反應器是一種前景極為廣闊的新型水處理技術，需要科研人員更加深入地研究膜生物反應器的相關理論知識，并結合材料學、化學等其他學科的知識，研發出更先進的膜生物反應器污水處理工藝，不斷積累經驗，推陳出新，充分發揮創造性，為使膜生物反應器在未來污水處理中得到廣泛的應用。

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