MBR膜污染机理及影响因素

张鹤怀，石 娟，刘玉洲，余 丹

(1.四川省生态环境科学研究院，四川 成都 610000；2.四川省环科院科技咨询有限责任公司，四川 成都 610046)

1 引言

随着污水排放标准的不断提高，MBR在污水处理中应用得越来越广泛，但是膜污染问题一直是影响MBR性能的关键因素，严重的可能导致MBR停止运行、不能出水。膜污染导致MBR工艺运行期间清理频率增加，运营成本增加，一直制约着MBR工艺的发展。因此，研究膜污染机理和影响因素非常必要。

2 膜污染机理

造成膜污染的机理主要有以下二方面：一方面，可能在运行过程中，活性污泥中的微小粒子、胶团或某些溶质分子吸附在模表面，或因为浓差级化使溶质在膜表面超过其溶解度，从而形成滤饼层，最终导致模孔堵塞造成膜污染；另一方面，可能因为物理作用而造成的膜的内外表面吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜通量减小造成膜污染。

3 膜污染的影响因素

膜污染的影响因素主要有：膜自身特性、活性污泥性质、饱外聚合物(EPS)、运行条件、进水水质。

3.1 膜自身特性对膜污染的影响

膜自身特性对膜污染的影响因素主要有：膜材料、亲疏水性、膜电荷和膜组件类型。

按照膜材料的不同，MBR膜可以分为有机膜、无机膜和生物膜。有机膜材料以聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等，价格较便宜，目前PVDF膜抗污染能力较强[1]；无机膜有陶瓷膜等，使用寿命长，能适应恶劣的工作环境，但价格较贵；生物膜是当前比较热门的膜技术，其抗污染能力强、价格便宜，或将成为未来的发展方向。

Chang等发现，疏水性膜表面更易吸附溶解性物质，更容易被污染[2]。但这仅针对运行初期，当膜表面形成滤饼层后，污染物化学性质相较于膜自身特性成为造成膜污染的主要因素。对于疏水性膜，可以通过涂覆、接枝、共混、交联等方法将其改性为亲水性膜[3]。

活性污泥中溶解性物质和胶体通常表现为负电，若MBR膜表面荷电性表现为正电，根据异性相吸的原理，活性污泥中的溶解性物质和胶体易吸附沉积在膜表面造成膜污染。有学者研究发现，同等条件下带负电的陶瓷微滤膜相较于带正电和不带电的其他膜具有更大的膜通量[4]。实际操作中，可以通过改变膜表面荷电性，利用同性相斥的原理缓解膜污染。

按膜组件类型分为帘式、板式和管式。其中帘式的成本最低，但是湍流促进性能较差，抗污染能力弱。板式的成本较高，湍流促进性能较好，抗污染能力较好。管式的成本最高，其湍流促进性能最好，抗污染力强。

3.2 活性污泥性质对膜污染的影响

活性污泥性质对膜污染的影响因素主要有：污泥浓度、泥粒径。

在MBR运行过程中，通过泵的抽吸作用将水分离出去，而污泥被截留并部分沉积在膜表面。若污泥浓度较高，污泥中含有更多的胶体和溶解性物质，污泥粘度也会更高，形成的滤饼层更厚，膜污染更严重。有学者认为MLSS 为8～12 g/L 时膜污染较小[5]。Zaloum等人对一体式好氧反应器中污泥浓度对膜通量的影响进行了研究，研究表明随着污泥浓度的升高，膜通量呈下降趋势[6]。说明污泥浓度越高膜污染越严重。

Aslam M等研究表明粒径越小越容易引起膜污染[7]。Shimizu等研究了活性污泥粒径分布对一体式MBR膜膜通量的影响，认为粒径范围在8～15 μm的颗粒对膜通量影响最大[8]。污泥粒径越大，滤饼层的空隙越大。污泥粒径越小，滤饼层空隙越小越密实，同时小粒径的污泥容易沉积到膜表面导致膜阻力上升明显。因此，污泥平均粒径越小越容易引起膜污染。

3.3 EPS对膜污染的影响

EPS是影响膜污染的重要因素，污泥中EPS的浓度越高膜污染越严重。由于蛋白质中大部分氨基酸表现为负电，因而容易和带正电荷的阳离子形成稳定的聚合体结构，形成凝胶层加速膜污染[9]。Mengchun Gao等在研究SMBR处理氨氮无机废水时发现：由于处理水为无机废水，EPS的增加主要来源于微生物的自溶。长时间运行后发现，微生物的形态越来越不清晰，微生物之间充满了黏稠的EPS，由于EPS的黏性和相对分子质量大难以通过膜孔过滤而沉积在膜表面[10]。前文已经介绍污泥浓度的增加会加快膜污染，而EPS的浓度的增加会导致污泥粘度的增加，进而导致膜污染加快。高浓度的EPS还会导致混合液黏度增大而不利于溶解氧的扩散，使污泥系统溶解氧降低，从而影响菌胶团的正常生理活动，加速膜污染程度[11]。

3.4 运行条件对膜污染的影响

运行条件对膜污染的影响因素主要有：水利停留时间(HRT)、出水方式、污泥龄(SRT)、有机负荷。

HRT是影响膜污染的重要因素。Mónica等研究表明EPS的浓度随着HRT的减小而增大，推测可能是较短的HRT导致剪切应力和冲刷条件较大；HRT的减小也促进了泥饼层的增长[12]。较长的HRT使得污泥与污染物质充分接触，水中的溶解性物质较少，从而减小膜污染。但是过长的HRT会导致系统中部分微生物进入内源呼吸阶段最终死亡，死亡后的微生物被水解导致污水中的溶解性有机物不断积累，吸附在膜表面形成凝胶层，造成膜通量较小，膜污染加剧[13]。

出水方式也是影响膜污染的重要因素。相比于连续出水MBR采用间歇出水方式更有利于减缓膜污染[13]。因为当MBR停止出水时，水流的扰动会引起膜上沉积的污泥脱落，减小过滤压力，从而减小膜污染。

SRT越高，活性污泥絮凝条件越好，膜过滤性能越好，膜污染越少[14]。Liang等[15]对10、20和40d污泥龄的膜污染情况进行了研究，发现随着污泥龄的增加溶解性物质浓度逐渐减少，膜污染减小。对污泥龄为3、5、10和20d的MBR系统进行研究，污泥龄3d和5d的MBR先后发现膜污染，而污泥龄10d和20d的MBR运行前期极少发现膜污染。

有机负荷与污泥浓度和EPS浓度存在正相关关系，较高的有机负荷容易造成膜污染。Trussell等对不同有机负荷时的膜污染情况进行了研究，发现有机负荷越高，膜污染越严重[16]。

4 膜清洗

MBR膜在使用过程中或多或少都会出现膜污染的情况，为延长膜的寿命，需要定时进行膜清洗。膜清洗方法主要有物理方法和化学方法。物理方法包括机械清洗和反冲洗，通常情况下反冲洗使用较多。化学清洗包括酸洗、碱洗、氧化剂清洗，主要是通过化学试剂溶解膜上的胶体、黏性物质等。

5 结语

MBR能高效处理污水，且出水水质较好，但膜污染问题阻碍膜生物反应器的大范围使用。因此膜污染问题是一个急需解决的问题，研究膜污染机理就是解决膜污染问题的基础。而选择合适的膜、改变活性污泥特性、改变运行条件或许是抑制膜污染的有效方法。