A2/O-MBR 污水处理站MBR 膜污染及其控制技术研究

褚文玮，赵伟伟，赵倩倩

（天津渤海职业技术学院，天津300402）

传统的活性污泥法泥水分离是在二沉池中依靠重力完成的，其分离效率受诸多因素影响，必须严格控制曝气池的运行条件，才能保证污泥的沉降性能，运行管理难度较大。MBR 工艺是利用MBR 膜生物反应器代替传统生物处理系统的二沉池，利用膜组件的固液分离作用，将相对分子质量较大的物质截留在膜外，提高了生物反应器中微生物的浓度，从而提升了有机物和氮磷的去除率。因此MBR 工艺具有出水水质优，安全稳定，耐冲击负荷，剩余污泥量少等很多突出的技术特点[1,2]，在生活污水和高浓度有机废水的处理以及再生水回用方面有着天然的优势，具有广阔的发展前景[3～5]。

但是MBR 工艺同样具有一些不足之处，比如易造成膜污染、能耗高等，其中膜污染是难以攻破的难题。所谓膜污染是指在MBR 膜生物反应器长期运行中，污泥絮体、胶体颗粒等物质吸附沉积在MBR 膜的表面或孔内，从而造成膜孔径变小或堵塞，使膜的过滤阻力增加，过滤性能下降的现象。膜污染是不可避免的，如何减轻膜污染以及清洗措施一直是该领域的研究重点[6]。

1 MBR 膜污染形成机理与分类

1.1 膜污染机理

对膜污染的机理的研究是膜污染控制的基础，通过研究膜污染的成因和污染特性，采取有效控制措施，降低膜污染是MBR 膜能否长久使用的关键。膜污染的产生机理十分复杂，简要可以概括为两个方面：一方面是MBR 工艺在长期运行中，活性污泥中的胶团等物质与膜产生物理和化学反应，从而导致膜污染；另一方面是由于膜表面布满了细小的微孔，通过自吸泵的抽吸产水，污染物极易被附着沉积在膜的表面，造成膜堵塞，如图1。因此，膜污染不仅有膜堵塞引起的不可逆污染还有由胶团引起的可逆污染。

1.2 膜污染分类

膜污染的分类方法多种多样：按照膜污染的位置可以分为污染物吸附沉积在膜表面的外部污染和污染物吸附沉积在膜孔内的内部污染；按照污染形态可以分为膜面凝胶层、污泥层和膜孔堵塞三种污染类型；按照污染物来源可以分为物理污染（无机污染）、化学污染（有机污染）和微生物污染。

图1 膜污染模式图

1.3 膜污染特征

对膜污染特征的分析主要采用电镜扫描和能谱分析，分别截取新膜和污染后的一段膜丝，干燥后喷金进行电镜扫描，放大5000 倍后如图2所示。

图2a、2b 为电镜下新膜内外表面图片，图中可清晰看到膜表面呈网状结构且分布着细小的微孔。图2c、2d 为电镜下污染后膜内外表面图片，膜内表面有微生物和细菌分泌物残留，这说明膜内表面污染由微生物造成；膜外表面沉积着污泥絮体和胶体颗粒等物质，造成了膜堵塞。

图2 新膜和污染膜扫描电镜

此外，对污染后的膜采用EDX 对其表面污染物的化学成分及含量进行了定性和定量检测，结果如图3 和表1 所示。

图3 膜表面污染元素的分布图

由图3 和表1 可知，污染物中C、O 和N 所占比例较高，无机污染物主要主要以Ca、Mg 等阳离子难溶性无机盐为主，虽然含量不高，但是易形成难溶性无机盐，在膜表面沉积。

表1 膜面污染元素质量分数

2 膜污染控制

2.1 污泥龄SRT 调控

SRT 对MLSS、EPS、SMP、混合液过滤性能、污泥沉降性能有着显著的影响，随SRT 增大，MLSS、EPS、SMP 呈现稳定增加的特性，混合液过滤性能、污泥沉淀性能变差。由此，调控SRT 在合适的范围，对控制膜污染具有十分重要的作用。

试验期间水温为18.0～31.0 ℃，通过调整系统污泥龄SRT，考察膜污染情况。为排除其他干扰因素，每次调整SRT 后，都对膜组件进行充分化学清洗。

控 制SRT 在13 d，MLSS 稳定在3.0 ～5.0 g/L之间，系统膜污染速率为0.675 kPa/d 左右；控制SRT 在25 d，MLSS 稳定在6.5～8.0 g/L 之间，系统膜污染速率为1.104 kPa/d 左右；控制SRT 在35 d，MLSS 稳定在8.0～10.0 g/L 之间，系统膜污染速率为1.240 kPa/d 左右；控制SRT 为40 d，MLSS 提高到12～13 g/L，系统膜污染速率迅速加剧，达到2.067 kPa/d 以上。

这就表明，随着系统污泥龄SRT 的增加，MLSS 会随之增加，膜污染速率逐步加剧。当SRT 达到40d 以上，膜污染显著；控制SRT 在25～35 d，能够使膜污染速率相对较小且稳定，并能够维持MLSS在6～10g/L，能够保证较好的污染物去除效果。

2.2 MBR 膜池曝气量调控

通过增加曝气量可以增强膜表面的气液流速，膜表面气液流速较快时，高速的水流可以对膜表面的污染物进行有效的冲刷，这是控制膜污染的有力手段之一。但是曝气量过高气体产生的剪切力会影响活性污泥性状，同时会使溶解氧过高，不利于反硝化作用。因此在混合液性质一定的条件下，调控好曝气强度可以在兼顾系统硝化效率的同时减轻膜污染，这对系统安全稳定运行，降低能耗有重要的意义。

试验期间水温为18.0～31.0 ℃，MBR 自吸泵起始抽吸压力为10.6 kPa，膜池MLSS 浓度在6.52～6.74 g/L 之间。设置自吸泵的运行方式为间歇运行，启动8 min 停止2 min，通过气水比分析曝气量对膜污染的影响。依次调节转子流量计阀门控制膜池的气水比为5∶1、10∶1、15∶1、18∶1、20∶1、25∶1、30∶1，运行一段时间后以每小时膜通量的下降率作为对照参数，膜通量下降率越大，说明污染越严重，反之则较轻。试验结果如图4 所示。

图4 曝气量的影响

由图4 可见，当气水比为5∶1 时，膜通量下降率为7.8%，污染情况较为严重；气水比为10∶1时，膜通量下降率为6.8%；气水比为15∶1 时，膜通量下降为5.0%；气水比为18∶1 时，膜通量下降率为4.8%。当气水比较小时，膜污染情况较严重，随着气水比的提高，膜通量下降率变化明显，这说明适当增加气水比有助于减轻膜污染。但当提高气水比为25∶1 和30∶1 时，膜通量下降率仍达4.4%和4.3%，这说明当达到最佳气水比后，增大曝气量对膜通量的改善作用不明显。因此通过图分析，MBR 膜池的气水比控制范围应为15∶1～20∶1，最佳的气水比为18∶1。

2.3 间歇出水抽停比的优化

MBR 自吸泵间歇出水能够有效减少污染物在膜表面的吸附沉积，有效控制膜污染。在间歇期，通过曝气作用使气泡均匀上升冲刷膜表面，能够减轻膜污染，但间歇期时间长会降低出水效率，因此控制好抽停比可以在保证出水效率的同时降低膜污染。

目前应用较广的抽停比有15∶5、13∶2、10∶2 和8∶2，出水效率的高低顺序为：13∶2＞10∶2＞8∶2＞15∶5。试验期间的运行条件为：水温25～27 ℃，污泥浓度6000～6300 mg/L，曝气强度1250 L/min，膜通量10.11 L/m2·h，运行2h 后，不同抽停比所对应的膜过滤压力的增加量如图5 所示。

图5 抽停比对过滤压差的影响

由图5 可见，膜压差增加值高低顺序为：13∶2＞15∶5＞10∶2＞8∶2。经过分析，在相同的时间内，膜过滤压力增加值越低，膜污染速率越低，反之越高。在抽停比为15∶5 时，出水效率最低，但膜污染速率并不理想，这可能是因为连续出水时间过长阻塞了膜孔且长时间空曝气也不能缓解，因此连续出水时间不宜超过15 min。在抽停比为13∶2时，出水效率最高，但会出现较严重的膜污染情况，同样不可取。在停抽比为8∶2 和10∶2 的条件下，出水效率相差3%，膜污染速率增加20%，综合来看该校A2/O-MBR 污水处理站出水抽停比为8∶2 时比较理想，既能保证出水效率又可相对降低膜污染速率。

3 MBR 膜组件的清洗

MBR 膜生物反应器在经过一定时间的运行后，污染物会附着在膜表面，使膜压差持续升高，当升高到一定数值时，需要进行药液清洗，否则附着物会固结在膜表面，严重影响系统的出水效果。因此，膜压差是判断膜污染状况的重要指标，及时做好清洗工作可以将膜压差控制在较低状态，有助于MBR 系统安全稳定运行同时延长膜组件的使用寿命，对MBR 工艺运行管理尤为重要。

3.1 药洗方式的判断方法

MBR 膜组件的药洗方式有在线化学清洗和离线化学清洗两种。

药洗方式的判断方法为：P1+20 kPa=P2，其中P1为初始膜压差；20 kPa 是药洗的压力变化值（经验值）；P2为变化后总压力。

鉴于A2/O-MBR 校园污水处理站的处理量和运行状况，通常情况下药洗周期为3 个月，因此每运转3 个月根据膜压差与总压力P2的大小相比较，决定药洗方式。

1）初次运行或距离上次药液清洗结束并运行3 个月后，如果膜压差P＜P2，实施反冲洗（在线药洗）即可。在线药洗周期示意图如6 所示。

图6 在线药洗周期示意图

2）距离上次药液清洗结束后并运转的3 个月内，应及时关注膜压差变化，如果膜压差P 接近于P2，需要提前实施反冲洗。反冲洗结束后运转的3 个月内，如果再次达到相同的状态，应继续实施反冲洗。在接着的3 个月内，如果再次达到该状态，应实施离线化学清洗（系统外渍清洗）。相应药洗周期示意图如7 所示。

图7 膜压差接近P2 时药洗判断示意图

3）如果膜压差P＞P2时，需进行离线化学清洗。

3.2 MBR 在线化学清洗及流程

在线化学反冲洗是指在不移动MBR 膜组件的状态下，将化学清洗药液通过反冲洗管路反向注入中空纤维膜内部，并通过微孔渗透到原水侧，使沾染在膜表面的污染物分解，恢复膜通量的方法。

在线药液：有效氯含量为3000 mg/L 的次氯酸钠溶液。

在线反冲洗流程如下：

1）停止产水和曝气：关闭MBR 自吸泵，停止出水，同时关闭MBR 自吸泵产水阀门，防止药液流失。1～2 min 后关闭鼓风机，停止曝气。

2）注入药液：开启相关阀门保证加药管路通畅，运行反冲洗加药泵，将预先配制好的药液在30 min 内全部注入MBR 膜组件，并用清水冲洗1～2 次，防止药液腐蚀加药泵和管路。

3）静置浸泡：关闭反冲洗加药泵及加药管路阀门，静置90 min，保持药液与MBR 膜组件接触时间为120 min。

4）空曝气：开启鼓风机，不开启MBR 自吸泵，空曝气30 min。

5）正常运行：开启MBR 自吸泵及产水阀门，转入正常运行。

注意：不能使用固体次氯酸钠配制药液，以防溶解不完全进入MBR 膜组件造成膜堵塞。

3.3 MBR 离线化学清洗及流程

离线化学清洗是利用电葫芦等设备将MBR膜组件从MBR 膜池中吊出，置入预先配置好药液的离线清洗池，并浸泡一段时间，从而使膜表面附着的有机物分解，恢复膜通量的方法。

离线药液：有效氯含量为3000 mg/L 的次氯酸钠溶液或2%左右的柠檬酸溶液。

离线化学清洗流程如下：

1）将连接膜组件的出水管和曝气管从干管上拆下，并用电葫芦将MBR 膜组件从池中吊出。

2）用自来水冲洗MBR 膜组件，去除附着在膜表面的活性污泥，水压不宜过高以免损坏膜丝。

3）预先在离线清洗池中配制好指定的药剂，将膜组件吊入并完全浸没于池中，开启底部曝气，使药液与沾染在MBR 膜上的污染物充分反应。

4）最佳清洗温度为20～35 ℃，浸泡时间16～20 h。在水温较低时，应考虑预先加热清洗溶液，可提高清洗效果。

5）浸泡完毕后，将MBR 膜组件吊出并用自来水冲洗，去除附着在膜表面的药液。

6）将膜组件吊回MBR 膜池并接上出水管、曝气管等，开启鼓风机、关闭出水自吸泵，空曝气30min 以上

7）开启自吸泵，将流量设置为正常运行时的1/2 以下，并运转30min 以上。

8）以上操作完成后，转入正常运行。

4 结论

如何减轻膜污染是MBR 工艺运行中的一个难题，本章分析了膜污染的机理与特征，通过试验的方式得到了MBR 膜生物反应器操作参数的控制策略，以求在保证系统正常运行的情况下降低膜污染，并列出膜污染后的清洗方式，相关优化方案如下。

1）随着系统SRT 增加，MLSS、EPS、SMP 值等也随之升高。当SRT 控制在25～35 d，能够使膜污染速率相对较小且稳定。

2）以气水比作为曝气量参数，本车间最佳的气水比为18∶1，间歇出水抽停比为8∶2（产水泵运行8min，停止2 min），既可以有效控制膜污染又可以节约能耗。

3）通常情况下，MBR 膜组件清洗周期为3 个月，定期根据膜污染情况对MBR 膜组件进行在线化学清洗和离线化学清洗，能够使MBR 膜组件恢复较好的通量，保证出水水质的同时延长其使用寿命。