膜生物反應器的膜污染及防治措施

馮 霞

（無錫市博雅匯環?？萍加邢薰?江蘇 無錫 214000）

膜生物反應器（MBR）,是生物降解技術與膜分離技術集于一體的生物化學反應系統。該系統利用超微濾膜組件作為分離單元,替代原污水過濾模式的二級沉淀池和砂濾池,不僅提高了污水處理系統的出水水質和處理效率,而且有效降低了處理水中的氨、磷和有機物的含量。當前,MBR在世界范圍內應用廣泛,但該項技術存在膜污染問題,對系統的穩定運行、膜的清洗周期和更換頻率有重要影響,也決定著MBR系統的經濟性。因此,有必要對膜污染的機理和防治措施進行研究,提升膜的使用壽命,保證MBR系統能夠長期穩定的運行。

1 膜污染的形成機理和影響因素分析

1.1 膜污染的形成機理分析

MBR系統膜污染,是污水中的可溶性物質或懸浮物等,以堵塞、吸附、濾餅或沉淀等形式,在膜孔內部或表面形成沉積,影響膜的過濾能力。MBR系統在處理污水的過程中,導致膜污染的因素較多,分別會在膜過濾的不同階段引起膜過濾壓力（TMP）的變化,對膜污染產生重要影響,如圖1所示。

圖1 膜過濾壓力與過濾時間

從圖1中可以看出,第一階段TMP隨過濾時間快速上升,這是由于在負壓抽吸作用下,污水中的膠體等小顆?？焖龠w移,部分懸浮膠體顆粒堵塞膜孔,使膜過濾壓力急劇上升；第二階段,隨著過濾時間的延長,污水中污泥絮凝體隨水流貼附于膜表面。由于其粒徑較大,遷移速度慢,沉積于膜表面也較慢,某種程度上,也阻擋了后續小顆粒膠體的移動,膜過濾壓力隨過濾時間緩慢增長；第三階段,在負壓抽吸作用下,膜表面附著的污泥層被逐漸壓密,膜壓力會急劇增加。

1.2 膜污染的影響因素分析

（1）膜自身屬性影響。膜自身的屬性包括膜材料的親水性、表面粗糙度、孔隙率、電荷性質、孔徑大小等。根據行業內人員研究發現：親水性好的膜材料受吸附的影響較小,膜通量更大；表面粗糙度較高的膜,其表面周圍水流的擾動性較大,進而影響膜面的凝膠層,吸附污染物的機率更高；污水混合液中的顆粒尺寸及其性質,對膜孔徑有重要影響,孔徑大的膜不一定會有高的膜通量。例如,在相同條件下,0.05μm孔徑的膜要比0.4μm孔徑的膜通量大。混合液的電荷與膜表面電荷相同時,膜通量會增加。而帶負電荷的陶瓷膜,其膜通量要比帶正電荷或不帶電荷的膜大。

（2）混合液成分的影響。污染混合液含有的成分復雜,對膜的污染主要有以下幾類：溶解性有機物質濃度、懸浮物固體濃度、胞外多聚物（EPS）濃度、粒度分布等。溶解性有機物質和固體懸浮物是膜污染的主要因素,據有關學者研究發現,可溶性物質、膠體和懸浮物對膜污染的影響可達5%、30%和65%,當混合液中這兩種物質的濃度過高時,抽吸壓力隨之增加,會對固液分離產生不利影響,膜通量也會隨其濃度的增加,呈線性降低；EPS是一種微生物細胞產出的高分子粘性物質,其主要成分是糖、蛋白質和核酸。研究發現,混合液中EPS的含量與膜污染呈線性關系,曝氣池和膜上同時會積累EPS,增加過濾阻力和混合液粘度,降低膜的通量；混合液中粒度分布狀態對膜污染也有較大影響,據研究發現,膜上沉積的較大粒子不會對膜造成較大影響,反而是與膜孔相近的粒子沉積,才會控制膜通量,引起嚴重的膜污染。顆粒尺寸與膜阻力的Carmen-Kozeny關系式表達為：Re=180（1-ε）/（ρ.dρ2.ε3）.ν.Cb,其中：Re—濾餅層阻力,m-1；ε—濾餅孔隙率；ρ—顆粒密度,g/L；dρ-顆粒直徑,m；ν—滲透通量,L/m2；Cb—揮發性懸浮物固體質量濃度,g/L。由關系式可以看出,濾餅層阻力與絮體尺寸有直接關系,絮體尺寸越小,濾餅層的阻力越大。在過濾過程中,泵對混合液產生的剪切力,會破裂生物絮體而產生細小的細胞或膠體,最終在膜面形成致密的濾餅層。

（3）操作條件的影響。膜的臨界膜通量是決定膜污染的重要影響因素,MBR系統正常運行時,實際膜通量會低于臨界膜通量,即次臨界膜通量。據研究發現,當次臨界膜通量接近臨界通量時,操作壓力會迅速增加。當操作壓力小于臨界壓力時,膜通量提升明顯,達到或高于臨界壓力時,膜通量不再有較大變化,但此時會加劇膜污染；錯流流速（CFC）,所產生的剪切力會影響混合液中顆粒的擴散能力,對膜面形成的濾餅層厚度有重要影響。據研究發現,膜通量與CFC大小有直接關系,并隨之增加。當膜面流速達到臨界值時,膜的過濾能力不再隨CFC增大而顯著增加,過大的CFC產生的剪切力,將破碎混合液中的懸浮物顆粒,增加細小顆粒的數量,增加濾餅層的厚度,從而造成更嚴重的膜污染,降低系統運行的穩定性；水力停留時間的長短,會導致混合液懸浮固體濃度和有機負荷變化,間接引起膜污染。固體停留時間,將影響混合液中污泥的產量和成分,較長的固體停留時間,將會明顯增加污泥濃度,混合液的粘度也會增加,從而加劇膜污染。而較低的固體停留時間,將會增加混合液中顆粒的粒徑；提升操作溫度,會改變料液的粘度,有利于分離膜面上污染層和膜的通透性能。

2 膜污染的防治措施研究

2.1 改善膜的性能

MBR系統選用的膜材料,主要是依據混合液的酸、堿等特性,以及膜的親水性、膜通量、膜孔徑等,目前主要有聚乙烯、聚砜、聚丙烯、聚礬、聚偏氟乙烯等材料。改善膜的性能措施,主要包括：開發新型高通量的無機膜,通過使膜荷電或提高膜的親水性,以改善膜通量和抗污染性能等。在具體膜材料選用方面,行業內很多學者做過實驗研究發現：在生活污水處理方面,憎水性膜的壓力增速約為親水性膜的2倍,污染速率高于親水性膜,聚丙烯類膜的出水量和抗污染性能,優于聚砜膜；利用丙烯酸化學改性聚砜膜表面后,其膜通量提高兩倍,截留和抗污染性能也都有明顯提升；采用低溫等離子技術,可減少聚砜膜表面的凈電荷,其膜通量可增加約25%,污染機率降低約49%；氟化聚礬膜,使F和O元素添加到膜表面,可明顯改善膜表面的親水性,提高膜的抗污染能力；采用Al2O3燒結體作為支撐材料,尖晶石作涂層,再利用溶膠-凝膠方法制作的無機膜,其膜通量比有機膜高3～4倍,反沖周期約4～8個月；利用吐溫20的物理吸附技術,可明顯改善膜的親水性能,提高膜的抗污染能力。

2.2 混合液中投加填料

在污水處理工藝過程中,增加投放吸附劑、添加劑、絮凝劑等預處理措施,改善混合液特性,對膜污染的防治有很大的作用。常用的吸附劑包括活性炭、沸石等,通過向混合液中投放活性炭粉末,可吸附絕大部分的懸浮膠體顆粒和有機溶質,有效延長膜的使用壽命。但要根據實際情況,適當添加活性炭粉末量,否則,非但不會降低膜污染幾率,反而會以另一種污染物的形式加重膜污染；絮凝劑的作用是將混合液中大量的膠體顆粒等較小的顆粒物質,吸附于絮凝體內部或表面,改善污泥的絮凝性能,增大污泥粒徑,減緩膜污染。常用的絮凝劑分為有機和無機絮凝劑,有機絮凝劑如殼聚糖、聚丙烯酰胺等,可增大污泥顆粒的粒徑；無機絮凝劑如氯化鐵、硫酸鋁等,可改善污泥絮凝體表面的疏水性。但使用絮凝劑會產生副產物,有些副產物會對膜構成新的污染,因此,要根據混合液的具體情況,選擇不同的絮凝劑。

2.3 優化操作條件

操作條件是影響膜污染的直接因素,主要包括膜通量和操作壓力、錯流流速、水力和固體停留時間、運行溫度等。據有關研究表明,在操作過程中,恒定的膜通量和操作壓力,能夠避免膜面被過度污染,有利于系統的穩定運行；MBR系統運行過程中,可利用（30～100）：1的氣水比,適當增加曝氣量紊動水流并產生大量氣泡,穿過中空纖維膜組件,可阻止污泥聚集并實現膜表面清洗；連續運行的MBR系統,膜面濾餅層和凝膠層將不斷加厚。采用間歇出水方式,利用停止抽吸時間內的上升氣液沖刷膜表面,使污染物脫離膜表面,可減輕膜污染；溫度每升高1℃,可改變膜孔徑和膜面污泥層厚度,膜通量增加約2%,但溫度不能太高,否則會影響壞微生物活性；有國內學者建立了污泥沉積速率影響公式：K=（8.933×107）·X0.532·J0.376·uLr-3.047,K-污泥沉積速率,X-污泥濃度,J-膜通量,uLr-膜間液體上升流速,由該公式可對膜污染情況進行分析和預測。

定期沖洗膜組件,可有效改善膜通量,沖洗方法包括物理、化學以及物化聯合法。物理清洗方法,是利用系統的正方向或變方向沖洗、振動、排氣沖水、空氣噴射等機械方法,將污染物從膜面或膜孔內清除；當膜面形成凝膠層或膜孔堵塞時,化學清洗方法效果顯著。但是,化學清洗會影響反應器內的微生物,造成二次污染。因此,在實際運用過程中,應盡量避免采用化學清洗；超聲波清洗,是利用超聲波脈沖所產生的高能量,破壞膜表面與吸附物質的連接,并松散吸附顆粒,去除膜表面沉積層的方法；在MBR系統膜組件上施加電場,可使混合液中的帶電粒子或分子沿電場方向移動,在不中斷系統運行的情況下,通過定期對膜組件施加電場形成電脈沖,能夠有效控制膜污染。例如,處理印鈔廢水的MBR系統膜組件,可采用0.7%的NaOH、0.8%的Na2EDTA、0.3%的磺化油和98.2%的去離子水混合液,以50～60℃且1.5m/s的速度循環沖洗20～30min后,即可清除膜表面污染物并恢復膜通量；定期對膜組件用高濃度檸檬酸或次氯酸鈉反沖洗,再用透過水沖洗,可降低膜表面滋生的微生物含量等。具體采用哪種反沖洗方式,需要結合混合液特性及操作環境決定。

但是,據有關行業研究顯示,單獨采用一種膜清洗方法,往往不能取得理想的清除效果。例如：采用酸或堿化學清洗法,雖然可以降低膜面或膜孔內濾餅或顆粒的粘附性,但無法徹底清除膜上的顆?；驗V餅。而采用物化聯合方法,膜的清洗效果更佳,例如：超聲波物理法反沖洗時,膜孔內的污染物不能徹底清除,但之后再采用化學法反沖洗,去污效果將明顯提高；間歇性（15～30min）出水,在反沖水中加入低于5mg/L的氯,反沖洗30～45s,每天反沖洗的時間控制在45min,可降低膜表面滋生的微生物含量；正反向沖洗法,只能恢復部分膜通量,無法完全控制膜污染,但在系統運行一段時間后,可利用化學清洗法,提高膜通量并延長膜的使用壽命。

優化MBR系統組件,合理設計MBR系統的內部結構,減少結構內部的縫隙和死角數量,可有效避免微生物變質。合理的系統流道結構,可使水流及時帶走被截留的物質,降低膜污染的幾率。據有關行業研究顯示,在膜組件的內部增加射流曝氣器,可以提高紊流條件,減小膜面沉積層,保持膜通量穩定；系統采用密度較高的中空纖維微濾膜組件,能夠有效提高對活性污泥混合液的過濾能力。

3 結束語

MBR具備很強的污水回用、廢水資源化的處理技術,但在其推廣應用過程中,深受膜污染問題困擾。若從改變膜的屬性、投加填料、優化操作條件等環節,對膜污染過程加以控制,可使膜污染程度降至最低。但隨著技術的進步以及膜污染技術的不斷深入研究,膜污染的控制方法也會不斷更新,因此,MBR的應用前景也將十分廣闊。