膜生物反应器膜污染及其防治技术

贾印宏

0 引言

膜生物反应器(Membrane Bioreactors，MBRs)是一种新型的高效生物处理技术，由于它在废水资源化及中水回用方面的诱人潜力，现广泛应用于包括石油化工、食品、印染以及生活污水处理中。但是，膜污染依然是影响膜生物反应器运行稳定性和经济性的一个关键因素，同时也是影响膜技术推广应用的关键问题之一。

膜污染是指MBRs内混合液中的悬浮颗粒、胶体粒子或溶解性大分子有机物在膜表面和膜孔内吸附沉积，造成膜孔径减小或堵塞，使膜通量下降的现象。探析膜污染形成的现象及机理，确定减缓膜污染和膜清洗的方法成为该项技术研究开发的关键。

1 膜污染的表现

在膜生物反应器操作运行过程中，由于膜的状况不同、水力条件不同以及反应器内混合液性质的不同，其污染情况也不尽相同［1，2］。如 Defrance 等［3］对分置式好氧 MBRs 的研究认为，膜的污染主要由占绝对多数的生物絮体起主导作用;You等［4］在厌氧消化液对膜生物反应器的研究得出，对膜污染的主要贡献为以无机物(如CaCl2等)及有机物的结晶等沉积于膜表面而引起通量下降;Chang等［5］和 Lesjean 等［6］的研究表明，细胞外产生的胞外聚合物(EPS)如多聚糖、蛋白质等，既在曝气池中积累，又在膜上积累，从而引起混合液粘度和膜过滤阻力增加。

2 膜污染的影响因素

膜污染的影响因素主要包括3个方面:膜的性质、活性污泥混合液和膜组件的运行条件。

2.1 膜的性质

膜的性质包括膜的材质、膜孔径大小和膜表面特征等。膜的这些性质在不同的情况下对膜污染产生的效果是不同的。Choo等［7］在对聚砜膜、纤维素膜和聚偏氟乙烯(PVDF)膜污染的比较中得出，PVDF受到的污染较少。

2.2 活性污泥混合液

1)活性污泥浓度。膜生物反应器的最大特点是活性污泥浓度高。维持膜生物反应器内较高的污泥浓度，既降低了反应器的污泥复合，增加了污染物的去除效果，又减小了剩余污泥的产量，使污泥处理工艺得以简化。但研究表明［8］，过高的活性污泥浓度不仅不会促进污染物质的去除，反而会增强膜污染，从而影响去除效果。

2)胞外聚合物(EPS)。随着人们对膜生物反应器内微生物特性认识的深入，人们对膜污染的认识也逐步加深，人们发现胞外聚合物(EPS)对膜污染有较大的贡献。EPS是来自微生物细胞分泌到体外的高分子粘性物质，有较强的絮凝作用，其成分十分复杂，主要由多聚糖、蛋白质、核酸、类脂等物质组成。

3)活性污泥沉降性能。在污水生物处理中，活性污泥指数及污泥沉降比是反映污泥的沉降性能、判断污泥是否膨胀和衡量污泥好坏的重要因素。王勇等［9］在膜生物反应器运行过程中，考察活性污泥沉降性能的变化及其对膜污染的影响。结果表明，污泥沉降性能的变化对膜污染过程产生明显的影响。电镜观察表明，污泥沉降性能对膜过滤压差的影响与膜面污染层的结构和厚度有关。

4)污泥混合液悬浮颗粒。很多学者对不同粒径的悬浮颗粒在膜表面的沉积做了详细的研究，Shimizn等［10］建立了膜面沉淀模型，以此为依据对膜组件模拟计算的结论是:微小粒子容易在膜表面沉积，其中以10μm的悬浮粒子最易沉积。而Kwon等［11］认为只有尺寸与膜孔径差不多的粒子沉积才会引起严重的膜污染，而较大及较小粒子在膜上的沉积并不会影响其过滤特性。

2.3 运行操作条件

1)停留时间(HRT，SRT)。

水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)是生物处理较为关键的部分。在膜生物反应器中，它们的确定不仅关系到膜的污染［12］，最重要的是它们是膜生物反应器运行好坏的决定因素。

在MBRs中，提高HRT可以为反应器中微生物提供充分的营养物质，使污泥的增长率提高，保持较高的MLSS值，从而更好的去除污染物。但Hideke［13］等研究认为，如果水力停留时间过长会导致污水中溶解性有机物的过度积累，吸附在膜表面形成凝胶层，影响膜通量，造成膜污染。

较长的SRT有利于世代期较长的特殊菌种的生长(如硝化细菌)，并且能提高大分子的分解［3］，还会导致微生物的内源呼吸因而减少了剩余污泥产量，甚至可以达到无剩余污泥排放。但是随着SRT的延长，微生物处于内源呼吸期，大量微生物死亡，从上清液中溶解性代谢产物(SMP)积累，会比对数生长期产生更多的细胞碎片和胞外聚合物［6］。若大分子的SMP被截留在MBRs中，不但会污染膜，而且SMP会吸附在气—水两相的界面上导致氧传递的降低，而小分子的SMP则会穿过膜进入出水，导致出水水质变差。因此在进行有效的处理操作之前，必须考虑污水特征而确定最优污泥龄。

2)膜通量。

膜生物反应器运行时，当采用恒定压力的操作方式，则存在一个临界膜通量，当运行时的膜通量大于临界通量时，膜污染就会加重。因此在膜生物反应器运行时，应使运行时的膜通量低于临界通量［14］。同时，膜透过压力(TMP)也是一个重要的因素，当膜生物反应器运行采用恒定通量的操作方式，则存在一个临界压力，当运行时的压力大于临界压力时，膜污染就会加重。因此在膜生物反应器运行时，应使运行时的压力低于临界压力。近来，次临界通量［15］操作作为一个更为有效的概念而提上日程。次临界通量操作就是在一定的操作条件下，使膜通量维持在临界通量以下，来获得MBRs长期稳定运行。

Brookes等人［16］研究了有关四个长期运行的膜生物反应器的次临界通量，处理的水是与天然气场的含油(不包含悬浮油)有机废水类似的合成废水。数据显示，次临界通量运行时所产生的膜污染迹线形状与在临界通量运行时所产生的迹线形状有显著差异。

除了以上影响膜污染的主要条件之外，膜污染还与被处理的污水水质(特别是水中有机物的种类和浓度)、MBRs的特征尺寸、高度、曝气系统布置、反应器微生物种群之间的相互影响、膜本身对生物膜生长的影响等有关。

3 膜污染的防治

在膜生物反应器的运行中，膜污染是在随时随地的进行着，并随着操作运行的变化及活性污泥条件的变化而变化。因此，膜污染的防治工作自然是膜生物反应器正常运行的重点。

针对膜污染形成的因素，减少膜污染的措施主要为以下几方面:

3.1 改善混合液的理化特性

常规的做法是控制反应器中混合液悬浮固体(MLSS)浓度，防止混合液中的固体物质和SMP及EPS等在膜表面沉积。也可以通过改善MLSS的可滤性，即在混合液中加入PAC等絮凝剂，使混合液内的COD迅速降低，减轻膜的负担，提高混合液的可滤性，改善泥水分离性能和减缓滤饼层的形成，同时降低MLSS中EPS的含量，从而实现膜污染的控制［17］。

3.2 优化操作运行条件

优化操作运行条件的方法如错流过滤、合理(空)曝气、定期反冲或反吹、合理放置膜组件、间歇操作、选择合适的出水方式等可以通过对水力停留时间及泥龄控制，从而在膜的物理维护上起到改善膜污染的作用。

You等［4］运用一种改进的厌氧膜工艺处理控制膜结垢，结果显示厌氧膜处理结合产甲烷及好氧COD去除工艺在稳定运行两个月后，即使没有对膜进行化学清理，也没有发现严重结垢的现象。同时发现由于好氧反应器中CO2的吹脱剥离作用，反应器形成的无机沉淀物减少了，无机沉淀物被截留到兼性好氧菌的絮凝物中。

4 结语

膜生物反应器中膜污染的问题是不可避免的。探求新的有效的膜污染控制技术是膜生物反应器规模化应用的关键所在。几种技术的组合应用能够发挥各自的优势，如厌氧膜工艺、生物膜—膜生物反应器、填料—膜生物反应器、序批式膜生物反应器等也将是今后解决MBRs膜污染问题的方向之一。

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