淺析MBR工藝中活性污泥性質及其影響

伍曉洪

（中交廣州水運工程設計研究院有限公司，廣州 510221）

MBR（Membrane Bio-Reactor）又稱為膜生物反應器，是將膜分離技術和活性污泥系統結合，形成的一種高效、新型的污水處理技術。20世紀60年末，美國的Dorr oliver公司首次在廢水處理中使用MBR取代二次池[1]。但由于當時膜的成本高，MBR出水水質不穩定，該技術并沒有得到廣泛的應用。20世紀90年代，Yamamoto等人將膜浸泡在生物反應器，提高了MBR工藝的經濟性和出水水質的穩定性，MBR工藝得到廣泛的應用[2]。

與傳統活性污泥工藝相比，MBR工藝具有占地面積小、出水水質穩定、無需后續處理（如砂濾器）、易于自動控制等優點[3]。但隨著時間增加，由于活性污泥與膜之間的相互作用以及運行操作方面的原因，MBR膜會受到污染，膜通量下降，MBR處理效果降低[4]。本文介紹了MBR工藝及其影響因素，尤其是活性污泥性質對MBR工藝的影響，論述了相關的MBR膜污染控制措施，旨在為減少MBR膜污染和延長MBR的運行周期提供參考。

1 MBR工藝

MBR主要由膜組件和生物反應器兩部分組成。根據膜組件和生物反應器的組合方式不同，通常將MBR分為兩大類：分體式MBR和一體式MBR[5]。分體式MBR是指膜組件與生物反應器分開設置。通過加壓泵將生物反應器內的混合液增壓后輸送至外置膜組件，在壓力作用下混合液通過膜實現泥水分離，過濾液為系統出水，固形物等大分子物質回流到生物反應器內[6]。與分體式MBR不同，一體式MBR將膜組件浸沒于生物反應器中，通過產水泵的抽吸，泵的出水為過濾液，即系統出水[7]。分體式MBR和一體式MBR的工藝示意圖如圖1所示。

分體式MBR的膜通量通常在50～120 L/（h·m2）之間變化，跨膜壓力（TMP）在1～4 bar的范圍內；一體式MBR的膜通量從15～50 L/（h·m2）變化，TMP約為0.5 bar。一體式MBR的能耗低于分體式MBR，更具有經濟性[8]。在全球能源危機和環境污染的大背景下，大約有55%的膜生物反應器采用的是一體式MBR系統[9]。本文選擇以一體式MBR工藝為主要闡述對象，介紹了影響MBR的主要因素，分析了MBR的膜污染控制方法。

圖1 分體式MBR和一體式MBR的工藝示意圖

2 MBR工藝處理效果的主要因素

隨著科技的發展，膜材料價格逐步下降，MBR工藝在廢水處理、中水回用等方面應用廣泛，并進入大規模商業化應用階段[10]。但是，MBR工藝隨著運行時間的增加，一些顆粒物質和可溶性沉積物堆積在膜表面，形成一層膜污染，這層污染物被稱為“濾餅層”[11]。目前，對膜污染的影響因素主要歸納為三方面，即活性污泥混合液性質、膜的性能和操作條件等，具體情況如圖2所示[12]。MBR膜污染是MBR工藝的研究熱點和難題，同時也是限制MBR工藝應用與發展的主要原因[13]。

圖2 MBR工藝膜污染的影響因素

3 活性污泥性質對MBR工藝的影響

活性污泥混合液是MBR工藝中膜污染的物質來源，直接影響MBR的出水效果及膜污染情況[14]。活性污泥的性質包括污泥及成分、污泥顆粒大小、存在形態、沉降性、污泥表面電荷、SMP含量、EPS含量、混合液所含膠體粒子及溶解性有機物含量等，這些都會對膜污染產生不同程度的影響，而且這些性質相互交叉影響[15-16]。活性污泥混合液的性質與運行操作條件密切相關，包括進水水質、曝氣量、溫度、操作壓力、產水抽吸時間等因素?；钚晕勰嘈再|對MBR工藝的運行及處理效果的影響是一個比較復雜的過程，本文重點闡述污泥濃度、SMP含量以及EPS含量對MBR工藝的影響。

3.1 污泥濃度（MLSS濃度）

在MBR工藝運行的過程中，混合液中的活性污泥直接與MBR膜接觸，其質量濃度（MLSS）的大小反映了混合液中微生物的數量，直接影響MBR系統的生物處理效果，與MBR膜污染之間具有復雜的相互作用。MLSS濃度是MBR膜污染相關的重要參數，在一定范圍內，MLSS濃度升高能適當地減少膜污染程度[17]。但由于MLSS濃度和膜過濾阻力之間存在一定的相關性，隨著MLSS濃度的增大，高污泥濃度下污泥混合液中微生物數量多、胞外聚合物及溶解性微生物濃度高，膜過濾阻力增大，造成膜堵塞[18-19]。不同的MLSS濃度對膜的濾餅層阻力（Rc）、膜堵塞阻力（Rp）、膜臨界通量（Jc）的影響不同，如表1所示[20]。因此，在實際工程中采用MBR工藝時，需要根據廢水性質，對MLSS濃度進行調節，以期達到最適應MBR運行的最佳條件。

表1 MLSS濃度變化對MBR膜污染的影響

3.2 SMP含量

SMP（Soluble Microbial Products）是指溶解性微生物產物，主要是微生物在降解原始基質、進行內源呼吸或者應對環境干擾過程中產生的溶解性有機物，這部分有機物絕大多數很難被微生物分解利用[21]。

SMP主要有以下產生途徑[22]。一是生長過程：微生物的正常生長代謝過程、維持細胞膜內外濃度平衡產生SMP；二是內源呼吸：微生物在饑餓狀態時因為碳源不足，進行內源呼吸，或給處于饑餓狀態的細菌突然添加碳源和能源物質可加速細菌的死亡，產生大量SMP；三是環境刺激：微生物在面臨環境壓力（如高濃度外在能源、溫度變化、滲透壓的沖擊和毒性物質的加入）時，會產生SMP以解除環境壓力。

研究表明，SMP對MBR膜污染影響顯著。SMP造成的MBR膜污染主要分為兩個階段：第一階段，隨著SMP濃度的增加，膜孔的堵塞與吸附會加重，引起膜阻力的上升，因此過濾壓差增大；第二階段，SMP會造成沉積層孔隙率的減小，沉積層比隨SMP濃度的增加而升高[23]。同時，SMP的積累會降低單位質量污泥去除污染物的能力和污泥耗氧速率[24]。由于SMP含有各種親電取代基（如-OH、-SH和-NH2等），會抑制微生物的生長，降低微生物去除污染物的能力，具有一定的毒性，因此減少MBR反應器中SMP的濃度有利于提高MBR活性污泥的降解效率[25]。

3.3 EPS含量

EPS（Extracellular Polymeric Substances，胞外聚合物）是在一定環境條件下由微生物代謝產生的高分子聚合物，其成分復雜，主要成分為多糖、蛋白質、核酸、（磷）脂質、腐殖質以及在細胞表面或細胞外發現的其他聚合物等物質，其中多糖和蛋白質占其總質量的75%～89%[26-27]。EPS帶負電荷、含水量高，是一種凝膠狀基質，作為微生物細胞與細胞之間進行物質交換和能量交換的“橋梁”，是微生物細胞抵抗外界不良環境的保護層和營養吸收層，同時也是微生物生長繁殖過程中重要的碳源和能源，對微生物的生長和繁殖具有重要的作用[28-29]。EPS按照存在形式可分為兩種，即附著性EPS和溶解性EPS；按照胞外聚合物的結構可分為，緊密附著型EPS和松散附著型EPS。

研究表明，EPS濃度會對MBR工藝的過濾效果產生影響，通常被認為是MBR膜污染最重要的因素，多年來一直是MBR污染方面的研究熱點[30]。研究EPS對MBR污染的影響依賴于從活性污泥混合液中提取的EPS，但是目前還沒有標準的提取方法，這增加了EPS的各項研究成果之間的比較難度。Wang等人通過傅里葉變換紅外光譜法、三維EEM熒光光譜法和凝膠過濾譜技術，發現EPS溶液具有較強的結垢潛力；MBR長期運行的情況下，EPS與膜污染具有正相關性，而LB-EPS與膜污染的正相關性比TBEPS高[31]。EPS黏附性能主要受多糖影響，多糖含量比較高時，在較短的SRT中，SEPS的濃度增加會導致MBR膜結垢；增加SRT、降低SEPS含量，可使膜過濾阻力降低[32-33]。

4 MBR膜污染控制措施

在使用MBR工藝的過程中，MBR膜污染、出水水質變差是由多方面的因素造成的，主要包括膜材料的選擇、膜組件安裝方式、進水水質、污泥混合液特性以及操作控制系統等。

對于膜材料，一體式MBR工藝中應用得較多的是PVDF（聚偏氟乙烯）中空纖維膜絲，也有少數采用陶瓷平板膜。PVDF膜具有抗化學腐蝕、壽命長、高通量、易清洗等優點，應用廣泛。膜組件的安裝方式，則需要根據工程條件的不同，進行合理的設計。關于進水水質和活性污泥混合特性，要保證有一定濃度的活性污泥，日常運行管理中，最直觀的方法是測量活性污泥混合液的SV30。SV30在一定程度上既反映污泥的沉降濃縮性能，又反映污泥濃度的大小。不同的廢水類型，SV30不同，印染廢水往往比較高，在90%～95%，而電鍍廢水比較低在10%～15%。

在MBR工藝運行的過程中，出水水質和跨膜壓差是MBR膜污染的主要表征指標。在日常的運行管理中，跨膜壓差是判斷MBR是否污染最明顯的直觀表征，其管理非常重要。浸沒式MBR的跨膜壓差一般最大為0.05 MPa，跨膜壓差的升高超過0.05 MPa，往往表示MBR膜受到污染，需要及時進行清洗。

按照清洗手段不同，清洗方式主要分為物理清洗和化學清洗。物理清洗是指不采用化學藥劑，使用機械、水、空氣等進行膜的清洗，常見的有水反洗、曝氣清洗、機械刮除等；化學清洗主要采用酸、堿或者EDTA試劑進行清洗。根據清洗周期頻率不同，可分為維護性清洗和恢復性清洗：維護性清洗一般3～7 d進行一次，或者跨膜壓差過高就進行維護性清洗，每次維護性清洗持續1～2 h；恢復性清洗一般是90～180 d，如果膜污染更嚴重，通過空氣沖刷與維護性清洗無法去除膜污染，采用恢復性清洗，恢復性清洗采用的是1%檸檬酸或者0.3%～0.5%硫酸/鹽酸，或用500～1 000 mg/L的NaClO。不同的污染類型，使用的藥劑不同。微生物污染，通常采用的是500～1 000 mg/L的NaClO，或者1.5%的H2O2。無機結垢物（氧化物、氫氧化物、不溶鹽）采用的0.1%～0.5% HCl或者2%的檸檬酸，對于油脂類污染物，則需要采用專門的試劑。膠體、蛋白質類污染，則采用10%～20%的氯化鈉。

5 結語

膜污染是影響MBR工藝正常運行的主要原因，造成膜污染的原因有很多，包括膜材質、活性污泥混合液特性以及運行條件等。其中，活性污泥混合液的特性是影響MBR運行的關鍵因素，也是決定MBR膜清洗頻率的主要因素。因此，人們要深入研究活性污泥性質，分析MBR膜污染的原因，制定有效的MBR抗污染措施，采取科學的清洗方式，為MBR工藝的應用提供參考。