缺氧—好氧MBR工艺运行中膜污染的研究①

骆 欣

(华北科技学院环境工程学院，北京 东燕郊 101601)

膜污染［1］是指处理物料中的微粒、胶体或溶质大分子由于与膜存在物理化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特征变化的现象。膜污染的存在影响膜的稳定运行，造成膜的清洗和更换，严重制约和影响膜生物反应器(MBR)在废水处理中的推广使用。因此，研究MBR工艺中膜污染的影响因素和减缓措施，是MBR技术的重要内容。本文研究缺氧－好氧MBR工艺连续运行中膜的污染情况，并对膜污染的影响因素进行分析。

1 试验装置和方法

本试验采用前置缺氧－好氧MBR组合工艺处理高氨氮废水，流程简图见图1。实验进水采用人工配制，向生活污水中加入硫酸铵，模拟高氨氮废水。同时，向缺氧反应器中加入甲醇来补充反硝化所需要的碳源。MBR的运行由PLC自动控制系统控制。膜组件为聚偏氟乙烯膜构成的U型膜组件，膜孔径为0.22μm，膜表面积为0.5m2。试验的运行参数如表1所示。

图1 缺氧－好氧MBR工艺流程示意图

表1 试验的运行参数

试验中对各项指标的监测均依照国家环保局颁布的标准方法［2］。混合液是经定性滤纸过滤后进行滤液的测定。主要的测定项目及方法如下:氨氮采用钠氏试剂分光光度法，CODCr采用重铬酸钾法，MLSS采用干燥减重法，微生物采用光学显微镜观察法。

2 结果与讨论

2.1 处理效果

表2为缺氧－好氧MBR工艺的处理效果。

表2 试验的处理效果

2.2 膜比通量的变化

膜比通量(SF)间接反映膜阻力的变化和膜污染情况，计算式如下。

式中，SF为膜比通量，L/(m2·m·h);Q为膜出水流量，L/h;A为膜表面积，m2;H为膜两侧压力差，m水柱。

试验连续监测了SF的变化情况，如图2所示。试验连续运行，期间未进行膜的清洗，共运行209 d，处理水 18050L。膜的初始清水 SF为56.6 L/(m2·m·h)，运行结束后，膜的 SF 为13.5 L/(m2·m·h)，为初始SF的24%。总体来看，膜的污染并不严重。SF的变化可以分为两个阶段:阶段Ⅰ的SF上下波动，下降趋势不显著，共处理水9220 L;阶段Ⅱ的SF明显呈下降趋势，下降速率较阶段Ⅰ快，此段处理水8830 L。

图2 膜比通量的变化情况

2.3 膜污染的影响因素分析

影响膜污染的主要因素有［3－4］:膜本身的性质、活性污泥混合液的性质和MBR运行操作条件。本文主要针对运行操作条件和活性污泥混合液的性质来讨论试验中的膜污染。

2.3.1 运行操作条件

1)出水方式:试验采用8 min出水、2 min空曝气的间歇操作方式。间歇性空曝气，可以使膜表面在上升气流的作用下得到冲刷，有利于降低膜表面浓差极化的形成，同时沉积在膜表面的污染物也会在气流的带动下脱离膜表面，利于减缓膜污染。

2)过滤方式:试验采用的膜过滤为错流过滤。错流过滤是指滤液沿着膜表面流动，对膜表面有一定的剪切作用，降低膜表面的层流层的厚度，防止污泥在膜表面的沉积，提高透水率，减缓膜污染［5］。

3)曝气量:在MBR中进行适当的曝气可以在反应器内形成气－液两相流，能抖落附着在膜上的泥饼层，有利于缓解泥饼层形成的膜污染。试验中的曝气量维持在0.4～0.7 m3/h，平均值为0.55 m3/h，较大的曝气将会带来良好的冲刷作用。

4)低压、恒流操作:MBR运行中，增加过滤压力在短时间内会使滤速加快，但过高的过滤压力会加剧膜污染的程度。试验中采用的过膜压力为1.3 m水柱，出水流量为4.5 L/h，属于低压、恒流操作。刘锐等［6］通过实验证明，采用低压恒流过滤方式，在正常稳定的运行条件下，可以在整个膜寿命期限内不用采取清洗措施。

通过上面的分析可知，本试验的运行操作条件都是有利于减缓膜污染，可以维持膜长时间的正常运行。

2.3.2 活性污泥混合液的性质

活性污泥混合液中含有废水中的污染物、活性污泥中的微生物及其代谢产物，对膜污染会产生不同程度的影响［7］。

1)污泥浓度:污泥浓度(MLSS)一直被认为与膜污染直接有关。阶段Ⅰ的MBR中污泥浓度为4640～8040mg/L，平均值为5970mg/L，氨氮的平均去除率为90.65%。阶段Ⅱ的MBR中污泥浓度为6650～9680mg/L，平均为8100mg/L，氨氮的平均去除率为79.86%。阶段Ⅱ中氨氮去除率的降低是由于人为调节反硝化致使缺氧段亚硝酸盐积累。高浓度的污泥浓度会导致更多的污泥在膜表面形成污泥层，加剧膜污染。因而阶段Ⅱ的SF下降速率比阶段Ⅰ快。从整体运行来看，MBR中污泥浓度始终低于10000 mg/L。当MLSS处于高浓度范围(＞15000～20000 mg/L)，膜污染显著加剧［8］。因此，本试验中维持相对低的污泥浓度是减缓膜污染的一个重要因素。

2)污泥沉降性:任南琪等［9］研究发现，污泥膨胀将会导致膜污染的加剧。原因是，丝状菌比菌胶团细菌产生更多的胞外聚合物(EPS)。此外，也有人认为丝状菌较大的比表面积也会造成膜污染的加剧。试验中，阶段Ⅰ中活性污泥的SVI在103～195 mL/g之间变化，平均为153 mL/g。阶段Ⅱ中活性污泥的SVI在95～129 mL/g之间变化，平均为113 mL/g。同时，镜检的结果显示在反应器运行过程中，丝状菌的数量较少。良好的污泥沉降性会有助于缓解膜污染。

3)泥水混合物的溶解性有机物:泥水混合液中溶解性有机物是造成膜污染的主要物质之一。其中，溶解性微生物产物(SMP)是溶解性有机物的主要成分。SMP含有大量的高分子物质［8］，生化性较差，因此会在MBR中出现累积，造成膜污染的加重。MBR中混合液CODCr浓度的变化可以在一定程度上反映SMP的累积程度。经监测，混合液中CODCr的浓度比较稳定，平均浓度为107 mg/L，没有出现明显的有机物积累升高的现象。分析原因为，MBR中污泥回流至缺氧段，缺氧段的反硝化和水解进一步降解混合液中大分子有机物，使得MBR中SMP浓度稳定且相对不高，因此本试验中膜污染现象不严重。

4)营养物质:氮等营养物质的含量对污泥影响很大，同样也会影响到膜污染的程度。对于氮营养源的有效控制将减轻膜的堵塞，如果污水中的N、P含量不足，会导致EPS产物增多［10］。EPS可以吸附在膜表面形成凝胶层，增加膜面的污染［5］。因此，在实际应用中，处理氮等营养成分不足的废水可适当补充这类营养元素。本试验是处理高氨氮废水，因此氮量充足。然而，当处理9220 L水后，氨氮的去除效果持续不好，平均去除率不到80%;而有机物去除效率依旧很高，平均去除率为94%。这表明混合液中异氧微生物占据优势。有研究显示，含有较多异氧菌的污泥粘度高于以硝化菌为主的污泥粘度，主要原因可能和微生物产生的胞外代谢物的组成和浓度有关。污泥粘度的增高将会加剧膜的污染，所以本试验后期膜污染速率加快。

5)微生物的生长:Mukai［11］的研究发现，当反应器内的微生物处在不同的生长阶段时，微生物会对膜通量的衰减产生不同的影响。当反应器内的微生物处在对数生长期时，膜通量的衰减相对平缓。而当微生物处于内源呼吸期时，大量微生物死亡，上清液中可溶性代谢产物积累，加剧膜的生物污染。Han［12］也发现污泥活性与混合液过滤性有良好的相关性。通过镜检发现，在试验运行的多数时间内，混合液中的微生物状况良好。相对较好的微生物生长状态也对减缓膜污染起到积极的作用。

2.4 膜的清洗

膜污染的直接后果是膜渗透通量的下降。当膜的通量低于设计值时，需要对膜进行清洗。膜组件的清洗方法可以分为物理清洗和化学清洗。MBR处理高浓度氨氮废水，生物污染是膜污染的主要原因。可以先采用水洗方式的物理清洗，然后采用化学清洗，即用0.5%的NaClO浸泡15～20 h，再用0.5%的HCl浸泡5～7 h，最后用清水冲洗，可恢复90%以上的通量。

3 结论

MBR在对含氮废水的处理过程中产生了膜污染，但污染现象总体不严重。试验连续运行209 d，处理废水18050 L，膜的SF下降到原来的23.8%。SF下降速率呈现先缓慢后增快的趋势。试验采用8min/2 min的出水方式、错流过滤、较大的曝气量和低压恒流操作方式，有利于减缓膜污染。维持MBR中较低的污泥浓度和溶解性有机物浓度、良好的污泥沉降性、适当的营养物质和合适的微生物生长条件，也是减缓膜污染的有效措施。

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