膜分離技術中控制膜污染的研究進展

李天然 陳文請，2

（1四川大學建筑與環境學院 四川成都 6100652川大-日立環境應用技術研究中心 四川成都 610065）

膜生物反應器(M B R)的核心部分是膜組件，由于膜的孔隙非常小可以很好攔截反應器內的物質，使得反應器內的污泥濃度可以增長的很高。M B R工藝擁有優秀的處理效果，剩余污泥的排放周期長、排放量少、極小的占地面積等優點，得到了各方面的關注。目前，國內外對M B R的各項研究與推廣應用日漸增加。雖然膜生物反應器在水處理方面具有各種優點，但是相比于傳統活性污泥法其運行費用、投資成本較高，使得它的實際應用與推廣受到了極大地限制。M B R的運行費用主要來自膜組件的購買價格高、膜的使用壽命段和系統能耗大。隨著對膜的研究，膜的價格趨于商業化；膜的更換頻率與M B R系統的穩定運行有關，但膜污染是影響M B R系統穩定運行的主要原因；M B R系統的高能耗由多方面的因素造成，其中膜污染會使膜通量降低，而為了保持膜通量不變必將增加能耗。可見，膜污染是限制M B R應用和與推廣的主要原因。為了尋找有效的控制膜污染的方法，各國研究者們進行了大量的研究，減緩膜污染的主要方法有在進入M B R系統前對進水進行預處理；改變膜池的活性污泥；優化膜生物反應器的結構與操作條件；對現有的成品膜進行改性研究；開發抗污染能力強的新型膜材料。

1 膜污染

膜污染是指在膜過濾過程中，水中的微利、交通離子或溶質大分子由于與膜存在物理化學相符作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，膜通量變小的現象。膜污染產生后會使得膜組件的通量不斷下降，同時跨膜壓力會不斷增大。膜污染可分為可逆污染和不可逆污染，也可分為生物污染、有機污染和無機污染。

2 膜污染的影響因素

MBR系統內的膜污染和隨之發生的膜通量下降受膜池內活性污的影響很大。污泥黏度、污泥內的污染物種類與含量和胞外聚合物（E P S）等對此都有影響，而膜組件的結構形式、MBR系統的操作條件、膜組件的工作方式等決定了引起膜污染的主要因素。宏觀上，膜污染的形成主要受三方面的影響：膜的性質、活性污泥的性質和MBR系統的操作條件，三個方面相互影響并相互制約。

2.1 膜性質

與膜污染有關的膜性質主要有：膜材料本身的性質、膜孔徑的大小與分布、膜自身所帶的電荷性質、粗糙度以及親/疏水性質等。

在厭氧M B R系統中使用不同材質制成的膜組件，對其對其膜污染情況進行研究，發現膜污染以外部污染為主，即在無機物在膜面的沉積，微生物的粘附和對溶解性有機物的吸附。研究結果表明，在同樣的條件下運行時，聚砜膜、纖維素膜的污染趨勢明顯大于聚偏氟乙烯膜。

Magara等[1]研究了不同膜孔徑的膜對過濾水質的影響。研究發現當膜的截留分子量低于20000時，隨著膜的截留分子量的增加，出水C O D的濃度也隨之增加；而當截留分子量高于20000時，出水C O D的濃度不再隨截留分子量變化而變化。Shimizu等[2]研究了膜孔分布在0.01μm～1.6μm的一系列膜的過濾性能，結果表明孔徑分布在0.05～0.2μm的膜相比于其他孔徑分布的膜具有更大的通量。

當膜池混合液與膜表面電荷電性相同時，能減緩膜污染，提高膜通量。水溶液中的膠體粒子一般帶負電，所以選擇膜表面帶負電荷的膜組件，因為同性相斥的原因，可以減緩膜污染。

一般認為，膜的親水化程度越高，越耐污染。有研究表明，親水性膜的膜過濾阻力小于疏水性膜，在實際應用中疏水性膜膜污染程度會大于親水性膜。但是，這一發現僅僅反應了膜材料親疏水方面對膜污染影響的大致趨勢，不能作為規律使用。而且要取得影響膜表面性質的所有微觀參數僅憑水的接觸角是不夠的。除了膜表面性質影響污染源在膜表面的吸附自由能外，還需要考慮污染源的性質。

2.2 活性污泥性質

造成膜污染的物質都源自于活性污泥。活性污泥的性質包括：污泥濃度、污泥顆粒表面電荷和粒徑、活性污泥所含膠體粒子種類以及污染物等。因此，活性污泥對膜污染的影響是各種因素的綜合作用。

研究結果表明，污泥濃度在影響膜通量的同時還會影響對污染物的去除效果。膜組件的產水量與污泥濃度的對數值呈線性負相關，即污泥濃度越大，產水量越小，說明此時膜污染月嚴重。Lim[4]研究了兩種不同粒徑分布的活性污泥對膜污染的影響，發現顆粒粒徑大的污泥對膜污染的影響程度遠低于顆粒粒徑小的污泥。

2.3 系統的運行條件

膜生物反應器的操作條件主要包括：膜池曝氣量、系統內的溫度、膜池活性污泥負荷與產水泵的抽吸/停時間等。

通過增加膜池曝氣量，可以增大膜面水力擾動程度，進而減緩膜面泥餅層的增長。其影響程度因膜面混合液流動速度的大小和水流狀態而異。但是過大的膜面流速會使膜表面的污泥餅層變薄，可能會造成不可逆的污染。Magara等[5]的實驗結果表明，每當溫度升高1℃時，可以使膜通量獲得2%的增長，主要是由溫度升高使得混合液黏度變小，此時膜過濾壓力減小所致。

肖榮恩等[6]通過五因素四水平正交實驗考察了M L S S、膜通量、抽吸/ 停時間、曝氣量、反應器升流區與降流區面積之比對膜污染的影響，發現這五種因素對產水時的抽吸壓力上升速率的作用程度是不一樣的，其影響程度由大到小依次為：膜通量>MLSS>抽吸/ 停時間> 曝氣量> 反應器升流區與降流區面積之比。

3 減緩膜污染的技術

3.1 改變污泥混合液特性

通過在MBR中添加絮凝劑，一方面可以使活性污泥絮凝成團，膜表面生物膜的多孔性得到改變，提高了膜的過濾性；另一方面可以去除進水中難降解的大分子有機物，以達到減輕膜污染的目的，且絮凝劑的加入不影響生物活性。

Kim[7]通過在反應器內添加粉末活性炭(PAC)來與原有的活性污泥進行超濾膜的過濾特性研究。研究發現，加入PAC后，不僅減小污泥絮體的可壓縮性，同時增大沉積層的孔隙率，而且使微生物分泌的胞外聚合物減少，提高了膜通量。Seo等[8]發現，向MBR添加適量（約5%）體積的PAC也能促進活性污泥顆粒化，從而減輕膜表面的濾餅層污染，提高膜的臨界通量，但當PAC投入量過大時（超過40%），會使污泥黏結活性炭形成嚴重的濾餅層污染。

3.2 優化運行操作條件

3.2 .1合適的曝氣量

曝氣可以有效緩解膜表面的濾餅層的形成及濃差極化現象。合理的曝氣避免了膜表面凝膠層增厚，減少污染物質的積累，減少了膜孔的堵塞，膜的運行周期也延長了。秦哲等[9]研究發現當曝氣強度低于0.88 m。m·h-1時，水力剪切力主要作用是消除膜污染，不會對活性污泥的性質產生影響，因此膜污染速率隨曝氣強度增加而減緩隨曝氣強度增加而減緩；而當曝氣強度高于0.88 m。·m·h-1時，水力剪切力過大，破壞了污泥絮體結構，使SVI增大，從而加速了膜污染，使膜污染速率隨曝氣強度的增加而增加。

3.2.2 合適的膜表面錯流速度

一般認為膜表面的錯流速度越大，膜的臨界通量也越大。Defrance等[10]發現，當膜表面的循環流速達到4m/s后，繼續增加循環流速對臨界通量不再有影響。Chang等[11]在試驗中發現膜表面的氣流速度對膜的極限通量也有類似影響，當氣流速度增加到3m/s后，膜的極限通量不再增大。

3.2.3 適宜的污泥濃度

由于膜生物反應器可以保持很高的污泥濃度，因此相對與傳統活性污泥法其進水負荷越低。但污泥濃度過高，在反應器內會積累大量的溶解性有機物（SMP）和胞外聚合物（EPS），加速膜污染[12]。污泥質量濃度對膜透水量和過濾阻力有直接影響。污泥質量濃度增加，過濾阻力上升，透水量下降。目前，歐洲所使用的膜生物反應器中污泥濃度保持在12g/L～16g/L[13]。

3.2.4 反沖洗

反沖洗也可以很好的恢復膜污染。

3.2.5 間歇操作

對于浸沒式MBR，間歇出水可以有效抑制膜污染，能有效膜污染速率大大減緩。

3.3 膜材料的改進及膜組件優化設計

有機聚合膜經常用于膜生物反應器中。聚偏氟乙烯、聚砜、聚烯烴類等是常用的有機聚合膜材料。呂曉龍等[16]進行的親水改性研究中發現改性后膜的親水性顯著提高，加強了膜的抗污染能力，膜通量顯著提高Muhammad考察了膜生物反應器中MnO2動態膜的形成對微濾膜過濾特性的影響，動態膜的形成在很大程度上減輕了顆粒物對膜孔的堵塞，膜通量顯著提高，運行時間也相應延長。

在對膜組件進行優化設計時，應充分考慮膜組件安裝型式與水力學的關系。目前常見的是外壓型中空纖維膜組件，可在穿流(入流與中空纖維膜絲垂直)或軸流的條件下操作。

4 結語

膜生物反應器在水處理中的優良性能，而使其備受關注，所以控制膜污染對膜生物反應器的應用有著重要意義。通過對污泥混合液特性的改善，運行操作條件的改善以及對膜材料的不斷改進和膜組件的優化設計，膜生物反應器在實際的污水處理中將會越來越廣泛。

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