MBR污染影響因素分析及控制改善措施

孫玉清

（江蘇省設(shè)備成套有限公司，江蘇 南京210009）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)及人口的增長，資源消耗及生產(chǎn)、生活排放也急劇提高，人類面臨著水資源短缺的嚴(yán)峻問題，已有不少國家越來越重視廢水的回收利用。從生活污水、工業(yè)廢水中提取回收淡水以循環(huán)利用，降低水資源用量，已成為大家的共識。近年來，膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio－Reactor）技術(shù)由于其優(yōu)異的污水處理性能得到深入研究，廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水包括印染廢水、啤酒廢水、制藥廢水、食品加工廢水、石化廢水、糞便污水、垃圾滲濾液、醫(yī)院廢水等的處理中［1］。

MBR系統(tǒng)有很多優(yōu)點，如出水水質(zhì)好、占地小、運行控制靈活、脫氮效果好等。但是該技術(shù)也有一些問題限制了其廣泛應(yīng)用，如膜污染問題。下面介紹膜污染的機(jī)理、影響因素及控制措施，以期為MBR的應(yīng)用提供借鑒。

1 膜污染機(jī)理

膜污染是指固體懸浮物或溶解性物質(zhì)沉積吸附在膜表面、空隙和內(nèi)壁，造成膜通量下降的現(xiàn)象。當(dāng)污染物尺寸較小時，會吸附在膜空隙內(nèi)壁，堵塞膜孔；尺寸較大時，會沉積在膜表面，形成濾餅層，降低膜的滲透性，導(dǎo)致通量下降。

按照污染物性質(zhì)分，膜污染主要分為無機(jī)物污染、有機(jī)物污染和微生物污染，且相互作用相互影響。引起膜污染的機(jī)制有：濃差極化導(dǎo)致濾餅層，溶解性有機(jī)物吸附于表面或內(nèi)孔造成堵塞，微生物在膜表面生成生物膜等。

2 膜污染影響因素

影響膜污染的因素很多，包括原材料（膜、混合液性質(zhì)）、操作條件、工藝選擇等。確定各因素與膜污染的關(guān)系，對于減緩或控制膜污染具有一定的指導(dǎo)意義。一般來說，研究其影響要從3個方面展開，即膜本身性質(zhì)、活性污泥混合液性質(zhì)以及操作運行條件（表1）。

表1 膜污染影響因素

2.1 膜組件性質(zhì)的影響

膜是MBR系統(tǒng)的核心部件，主要作用是分離固相雜質(zhì)和液相水。膜按材料可以分為有機(jī)膜和無機(jī)膜兩類，一般來說無機(jī)膜的通量大于有機(jī)膜，但無機(jī)膜的高價限制了其應(yīng)用，目前廣泛應(yīng)用的是有機(jī)膜，其成本相對較低，制造工藝成熟。常用的有機(jī)膜有聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚四氟乙烯等，聚丙烯膜的污染主要是膜面形成厚濾餅層。一般來說，親水性膜的膜通量更大，相較疏水性膜有較好的抗污染性能，但這只在過濾初期影響較明顯，之后污染物的影響將成為主要因素；采用與溶液中雜質(zhì)粒子相同電荷的膜材料，可以一定程度上起到防止膜污染的作用；膜孔徑存在一個最佳范圍，太小會限制膜通量，太大易受污染；孔隙率和粗糙度的影響主要在于改變膜面吸附污染物性能，粗糙度較大易受污染。

2.2 污泥濃度（MLSS）

污泥濃度是早期MBR膜污染研究的重點。據(jù)Rosenberger等人研究［2］，當(dāng)污泥濃度高于15g／L時會影響膜通量；當(dāng)濃度低于6g／L時，污染隨著污泥濃度的增高而降低；當(dāng)污泥濃度處于8～12g／L時，污泥濃度的影響較小。污泥濃度對動態(tài)層的厚度和黏度都有影響。黏度對膜通量的影響在于，其增大時可以減弱反應(yīng)器中中空纖維膜束向側(cè)向運動。污泥濃度較高時會形成濾餅層，可以保護(hù)膜不受污染，而濃度低時，膜孔易堵塞。

2.3 膜通量和曝氣

MBR中存在臨界通量，即在該值以下，跨膜壓差不會隨過濾時間的延長而增加，其與通量呈較好的線性關(guān)系。低于此臨界值操作，可以避免MBR膜過度污染，而且恒定通量操作下膜污染發(fā)展得較為緩慢。

曝氣不僅可以為混合液提供氧，也可以改善膜污染情況。研究表明，增加曝氣強(qiáng)度可以提高膜的滲透性，緩解膜污染，反之可能污染物沉積較為嚴(yán)重。但是過大曝氣強(qiáng)度可能破壞混合液中絮體，進(jìn)而提高EPS和SMP等的含量，加劇污染，且此時能量消耗也大。陶中蘭［3］采用流動動力學(xué)軟件Fluent對沉浸式MBR中氣液兩相流動進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，分析了曝氣條件對膜表面氣液速度場及氣含率分布的影響。結(jié)果表明，1mm曝氣孔徑下膜面氣含率高且分布均勻，膜面沖刷效果好；孔徑一定時，曝氣量為5.5m3／h時漩渦區(qū)較大，效果更好。

3 MBR中膜污染控制與改善

（1）清洗技術(shù)：清洗是一種事后控制方式。膜污染有物理清洗、化學(xué)清洗等方式，不同的污染情況應(yīng)采用不同的方式。物理清洗包括水反沖洗、海綿球清洗、空氣反吹清洗、空曝氣清洗、超聲波清洗、電清洗等，主要取出膜的外部截留污染物。化學(xué)清洗可以采用次氯酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉、絡(luò)合劑、表面活性劑等。不同的清洗液對不同物質(zhì)清洗效果不一樣，要針對實際情況進(jìn)行選擇。

（2）控制運行條件：目前MBR工藝基本采用恒通量運行，且盡量保持在臨界通量以下。如超過臨界通量，就會造成跨膜壓差增大趨勢變大，加速膜污染。控制曝氣強(qiáng)度也是控制膜污染的有效手段之一，如前述陶中蘭等的研究［3］。不過曝氣需要消耗能源且增加成本，如何在提高膜污染控制效果的前提下盡量降低曝氣成本仍然需要研究，間接曝氣是目前廣泛采用的方式。另外需要注意的是，曝氣方式與反應(yīng)器內(nèi)生物過程、膜滲透過程都是耦合的，其對混合液濃度、黏度、組分輸運等有著直接影響。

（3）使用添加劑：郭小馬等［4］研究分析了投放活性炭對于膜阻力的影響。當(dāng)投放量小于0.5g／L時，運行到第7天時跨膜壓力升高到25kPa，膜通量降低，且附著物呈黑色，無法通過反沖洗清洗掉，需要用次氯酸鈉溶液浸泡48h才能基本消除。當(dāng)投放量為0.8g／L時，跨膜壓力在前7天緩慢升高，到第26天才達(dá)到25kPa。活性炭降低膜污染的原因可能為活性炭顆粒和污泥絮體相結(jié)合變成尺寸大但黏度小的顆粒，此種顆粒可以吸附周圍的溶解性微生物產(chǎn)物，另一方面由于炭粒具有吸附性可以吸附胞外多聚物和微生物代謝產(chǎn)物。這三者對膜污染都有很大的影響，故而投放活性炭可以減緩膜污染。趙麗霞等［5］向以聚丙烯無紡布為膜組件的反應(yīng)器中投入聚乙烯醇微球，分析其對膜污染的減緩作用。實驗發(fā)現(xiàn)，添加PVA微球的膜污染阻力明顯低于對照組，說明PVA微球?qū)δの廴揪哂醒泳徸饔谩嶒炂陂g，添加PVA微球的膜污染速度一直保持較低狀態(tài)，膜通量也較高。

（4）復(fù)合MBR工藝：單一的 MBR工藝對氮、磷去除效果不是很理想，且膜污染問題嚴(yán)重，限制了MBR的廣泛應(yīng)用。郭小馬等［4］比較了序列式膜生物反應(yīng)器（SMBR）和 MBR的膜污染情況，實驗發(fā)現(xiàn)，MBR膜組件需要每隔7天進(jìn)行處理以恢復(fù)其通量，而采用SMBR工藝時，跨膜壓差增加緩慢，到15天時跨膜壓差才達(dá)到20kPa，說明SMBR能減緩污染進(jìn)程。

（5）其他措施：除以上措施外，還可通過采用新型性能優(yōu)異的膜材料、進(jìn)行混合液預(yù)處理等手段控制與改善MBR工藝中的膜污染情況。

4 結(jié)語

MBR由于其眾多優(yōu)良特性在污水處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景，而膜污染是限制其進(jìn)一步發(fā)展的重要因素，深入研究膜污染的機(jī)理、影響因素及防治措施是推動其研究、應(yīng)用的關(guān)鍵點。

［1］房蕾，鄭驥.MBR技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2010（11）：42～47

［2］Rosenberger S，Laabs C，Lesjean B，et al.Impact of colloidal and soluble organic material on membrane performance in membrane bioreactors for municipal wastewater treatment［J］.Water Research，2006，40（4）：710～720

［3］陶中蘭，邢世祿，李春麗，等.曝氣條件對沉浸式膜生物反應(yīng)器內(nèi)流場的影響［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2015，9（2）：692～698

［4］郭小馬，趙焱，王開演，等.MBR與SMBR脫氮除磷特性及膜污染控制［J］.環(huán)境科學(xué)，2015，36（3）：1 013～1 020

［5］趙麗霞，朱奕蓉，黃建國，等.PVA微球填料控制 MBR膜污染性能研究［J］.綠色科技，2014（10）：163～164