MBR膜污染機理及影響因素

張鶴懷，石 娟，劉玉洲，余 丹

(1.四川省生態環境科學研究院，四川 成都 610000；2.四川省環科院科技咨詢有限責任公司，四川 成都 610046)

1 引言

隨著污水排放標準的不斷提高，MBR在污水處理中應用得越來越廣泛，但是膜污染問題一直是影響MBR性能的關鍵因素，嚴重的可能導致MBR停止運行、不能出水。膜污染導致MBR工藝運行期間清理頻率增加，運營成本增加，一直制約著MBR工藝的發展。因此，研究膜污染機理和影響因素非常必要。

2 膜污染機理

造成膜污染的機理主要有以下二方面：一方面，可能在運行過程中，活性污泥中的微小粒子、膠團或某些溶質分子吸附在模表面，或因為濃差級化使溶質在膜表面超過其溶解度，從而形成濾餅層，最終導致模孔堵塞造成膜污染；另一方面，可能因為物理作用而造成的膜的內外表面吸附、沉積，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜通量減小造成膜污染。

3 膜污染的影響因素

膜污染的影響因素主要有：膜自身特性、活性污泥性質、飽外聚合物(EPS)、運行條件、進水水質。

3.1 膜自身特性對膜污染的影響

膜自身特性對膜污染的影響因素主要有：膜材料、親疏水性、膜電荷和膜組件類型。

按照膜材料的不同，MBR膜可以分為有機膜、無機膜和生物膜。有機膜材料以聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等，價格較便宜，目前PVDF膜抗污染能力較強[1]；無機膜有陶瓷膜等，使用壽命長，能適應惡劣的工作環境，但價格較貴；生物膜是當前比較熱門的膜技術，其抗污染能力強、價格便宜，或將成為未來的發展方向。

Chang等發現，疏水性膜表面更易吸附溶解性物質，更容易被污染[2]。但這僅針對運行初期，當膜表面形成濾餅層后，污染物化學性質相較于膜自身特性成為造成膜污染的主要因素。對于疏水性膜，可以通過涂覆、接枝、共混、交聯等方法將其改性為親水性膜[3]。

活性污泥中溶解性物質和膠體通常表現為負電，若MBR膜表面荷電性表現為正電，根據異性相吸的原理，活性污泥中的溶解性物質和膠體易吸附沉積在膜表面造成膜污染。有學者研究發現，同等條件下帶負電的陶瓷微濾膜相較于帶正電和不帶電的其他膜具有更大的膜通量[4]。實際操作中，可以通過改變膜表面荷電性，利用同性相斥的原理緩解膜污染。

按膜組件類型分為簾式、板式和管式。其中簾式的成本最低，但是湍流促進性能較差，抗污染能力弱。板式的成本較高，湍流促進性能較好，抗污染能力較好。管式的成本最高，其湍流促進性能最好，抗污染力強。

3.2 活性污泥性質對膜污染的影響

活性污泥性質對膜污染的影響因素主要有：污泥濃度、泥粒徑。

在MBR運行過程中，通過泵的抽吸作用將水分離出去，而污泥被截留并部分沉積在膜表面。若污泥濃度較高，污泥中含有更多的膠體和溶解性物質，污泥粘度也會更高，形成的濾餅層更厚，膜污染更嚴重。有學者認為MLSS 為8～12 g/L 時膜污染較小[5]。Zaloum等人對一體式好氧反應器中污泥濃度對膜通量的影響進行了研究，研究表明隨著污泥濃度的升高，膜通量呈下降趨勢[6]。說明污泥濃度越高膜污染越嚴重。

Aslam M等研究表明粒徑越小越容易引起膜污染[7]。Shimizu等研究了活性污泥粒徑分布對一體式MBR膜膜通量的影響，認為粒徑范圍在8～15 μm的顆粒對膜通量影響最大[8]。污泥粒徑越大，濾餅層的空隙越大。污泥粒徑越小，濾餅層空隙越小越密實，同時小粒徑的污泥容易沉積到膜表面導致膜阻力上升明顯。因此，污泥平均粒徑越小越容易引起膜污染。

3.3 EPS對膜污染的影響

EPS是影響膜污染的重要因素，污泥中EPS的濃度越高膜污染越嚴重。由于蛋白質中大部分氨基酸表現為負電，因而容易和帶正電荷的陽離子形成穩定的聚合體結構，形成凝膠層加速膜污染[9]。Mengchun Gao等在研究SMBR處理氨氮無機廢水時發現：由于處理水為無機廢水，EPS的增加主要來源于微生物的自溶。長時間運行后發現，微生物的形態越來越不清晰，微生物之間充滿了黏稠的EPS，由于EPS的黏性和相對分子質量大難以通過膜孔過濾而沉積在膜表面[10]。前文已經介紹污泥濃度的增加會加快膜污染，而EPS的濃度的增加會導致污泥粘度的增加，進而導致膜污染加快。高濃度的EPS還會導致混合液黏度增大而不利于溶解氧的擴散，使污泥系統溶解氧降低，從而影響菌膠團的正常生理活動，加速膜污染程度[11]。

3.4 運行條件對膜污染的影響

運行條件對膜污染的影響因素主要有：水利停留時間(HRT)、出水方式、污泥齡(SRT)、有機負荷。

HRT是影響膜污染的重要因素。Mónica等研究表明EPS的濃度隨著HRT的減小而增大，推測可能是較短的HRT導致剪切應力和沖刷條件較大；HRT的減小也促進了泥餅層的增長[12]。較長的HRT使得污泥與污染物質充分接觸，水中的溶解性物質較少，從而減小膜污染。但是過長的HRT會導致系統中部分微生物進入內源呼吸階段最終死亡，死亡后的微生物被水解導致污水中的溶解性有機物不斷積累，吸附在膜表面形成凝膠層，造成膜通量較小，膜污染加劇[13]。

出水方式也是影響膜污染的重要因素。相比于連續出水MBR采用間歇出水方式更有利于減緩膜污染[13]。因為當MBR停止出水時，水流的擾動會引起膜上沉積的污泥脫落，減小過濾壓力，從而減小膜污染。

SRT越高，活性污泥絮凝條件越好，膜過濾性能越好，膜污染越少[14]。Liang等[15]對10、20和40d污泥齡的膜污染情況進行了研究，發現隨著污泥齡的增加溶解性物質濃度逐漸減少，膜污染減小。對污泥齡為3、5、10和20d的MBR系統進行研究，污泥齡3d和5d的MBR先后發現膜污染，而污泥齡10d和20d的MBR運行前期極少發現膜污染。

有機負荷與污泥濃度和EPS濃度存在正相關關系，較高的有機負荷容易造成膜污染。Trussell等對不同有機負荷時的膜污染情況進行了研究，發現有機負荷越高，膜污染越嚴重[16]。

4 膜清洗

MBR膜在使用過程中或多或少都會出現膜污染的情況，為延長膜的壽命，需要定時進行膜清洗。膜清洗方法主要有物理方法和化學方法。物理方法包括機械清洗和反沖洗，通常情況下反沖洗使用較多?；瘜W清洗包括酸洗、堿洗、氧化劑清洗，主要是通過化學試劑溶解膜上的膠體、黏性物質等。

5 結語

MBR能高效處理污水，且出水水質較好，但膜污染問題阻礙膜生物反應器的大范圍使用。因此膜污染問題是一個急需解決的問題，研究膜污染機理就是解決膜污染問題的基礎。而選擇合適的膜、改變活性污泥特性、改變運行條件或許是抑制膜污染的有效方法。