膜生物反应器系统中膜污染控制方法研究进展

＊王勇 贾如宾 李剑 唐迪 谢奇奇 王敏

（1.机械工业勘察设计研究院有限公司 陕西 710043 2.西安理工大学水利水电学院 陕西 710048）

水是人类赖以生存和发展的物质基础之一。随着社会经济的发展，人们在生产和生活中产生了大量工业废水和生活污水。这不仅危害人体健康，而且还对环境、生态造成破坏。对各种污/废水的高效处理是我国迫切需要解决的问题。我国水处理技术发展较早，传统工艺有序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR）工艺、氧化沟工艺及曝气生物滤池工艺等，这些工艺技术在污水处理过程中发挥了巨大作用，但随着污水排放量增大以及污染成份复杂化，传统工艺技术逐渐达不到现有的排放要求，导致水处理成本不断高增加，所以开发新的高效污水处理技术是解决水污染问题的重要途径之一[1]。

膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor，MBR）相较于传统污水处理工艺有混合液悬浮固体浓度（Mixed Liquor Suspended Solids，MLSS）高，污染物降解彻底，出水水质优，占地面积小且便于自动化管理，污泥停留时间长，剩余污泥产量少等优点，在水处理中的应用规模逐渐扩大[2]。但MBR工艺也被膜污染、高能耗等问题限制。如何有效降低膜污染速率，以提高MBR系统处理效率，保持水质稳定，降低经济成本，最终使出水能够被资源化利用，这一直是国内外水处理领域的研究重点。为此，本文着重介绍了膜污染机理和控制方法，旨在为日后解决膜污染提供参考。

1.膜污染机理

(1)膜污染原因

造成MBR膜污染的主要原因是由于污泥混合液中固体微粒、胶体颗粒、金属离子及微生物分解产物等与膜表面存在物理、化学及机械等作用。在膜分离过程中，一方面这些物质吸附沉积在膜表面及膜孔内，造成膜孔径变小，降低了膜通量；另一方面因浓差极化的作用膜表面溶质浓度升高，而逐渐形成凝胶层，长期运行则形成滤饼层，使膜的分离特性发生了改变[3]。

(2)膜污染影响因素

影响MBR膜污染的因素主要有操作条件、污泥混合液性质及膜材料三方面[4]（见图1）：操作条件，如膜运行通量和压力、膜池曝气量、系统水力停留时间（Hydraulic Retention Time，HRT）、污泥停留时间（Sludge Retention Time，SRT）及污泥负荷等，操作条件可改变生化池内水力条件，对微生物生长、膜丝表面的水力剪切、冲刷等均会产生影响；污泥混合液中含有大量胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）及微生物分泌的溶解性代谢产物（Soluble Microbial Products，SMP），这些物质使混合液黏度增加，附着在膜表面阻塞膜孔，是形成凝胶层和滤饼层的重要因素；膜的孔径大小、荷电性、孔隙率、亲疏水性及表面粗糙度的不同直接影响膜污染的形成和污染速率，不同材料膜对混合液中物质的作用不同，膜污染发生的情况也有较大差异[5]。

图1 MBR膜污染的主要原因和控制方法

2.膜污染控制方法

(1)物理法

①曝气冲刷。MBR正常产水过程中，在膜表面由于驱动力作用而产生浓差极化层，随运行时间延长，膜表面的料液浓度急剧上升，膜污染速率加快[6]。膜池曝气能够使污泥混合液混合均匀，且对膜表面吹扫的过程中使混合液产生较强的剪切力，降低浓差极化层，促使膜面污染物质脱落，减缓了膜污染，增强了膜通透性。

王运超等[7]采用固定曝气强度和动态曝气强度条件对MBR运行中跨膜压差（Trans Membrane Pressure，TMP）的上升速率进行考察。试验结果表明，增大曝气强度，膜污染速率降低，MBR运行更久，且对比固定曝气强度条件和动态曝气强度条件，发现后者具有更好的减缓膜污染效果。李静等[8]研究了不同曝气方法对MBR污染速率减缓的规律。研究表明，曝气管孔径越大，膜污染的阻力越小，原因可能为大孔径产生的气泡较大且在气泡上升的过程中与膜表面的接触面大，气泡在破裂时产生的冲刷作用强，并使污染物质不能沉积在膜表面，减缓了膜污染。张静等[9]优化MBR处理工艺及膜污染控制，发现在实际工程中膜池MLSS达12000mg/L时，将膜池膜吹扫量0.21m3/（m2·h）提高到0.25m3/（m2·h）后，膜污染速率得到有效控制，系统能稳定运行。

曝气对污泥混合液有良好的扰动效果，可以降低膜表面附着的污染物，但过高的曝气强度也能导致污泥絮体的破损，使EPS的含量增加，从而加大了膜污染的风险，因此在调控工艺参数时需将曝气量设置在一个合理的范围之内，才能达到良好的效果。

②附加电场。在混合液中，外加电场对MBR产生电泳和电渗透两种效果，能够使带电污染物或极性分子发生定向迁移，从而远离膜表面，减缓膜污染，而且不需要加入任何化学成份，无副作用。

毕芳华等[10]研究将微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）电场与MBR相耦合后与常规MBR系统对比分析膜污染特性。结果表明，在达到相同跨膜压差时，MFC-MBR比常规MBR运行周期延长35%～45%，且在MFC-MBR系统EPS含量要比常规MBR系统明显降低，原因可能在于附加电场后，微生物代谢中电子传递过程强化，新陈代谢作用加强。陈欣义等[11]使用电化学膜生物反应器（E-MBR）处理难生化降解有机废水，EMBR的运行周期比常规MBR延长了46%，并且经过物理清洗后膜通量的恢复性也比常规MBR要高，可见通过附加电场能有效减缓膜污染，减少膜的清洗频率。

电场对降低膜污染有良好的效果，但在实际工程中装置构建成本比较高，且附加电场增大了MBR系统的复杂程度。

(2)化学法

①化学清洗。当MBR运行TMP达到一定值，膜通量急剧下降，普通的物理条件不能有效缓解膜污染时，应当对膜进行化学清洗[12]。化学清洗能有效去除膜表面及膜孔内沉积、吸附的有机和无机污染物，对膜通量的恢复起到良好的作用。化学清洗分为原位在线清洗和异位离线清洗，目前工程上常规维护性清洗为低浓度药剂在线清洗，频率通常为一周一次；离线清洗主要是在膜发生严重污染的条件下进行（即在线清洗已无法提高膜通量），通常为一年两到三次高浓度药剂清洗。为防止膜受损，延长膜的使用寿命，会在膜严重污染前就进行离线清洗。

化学清洗时使用的药剂要根据膜污染类型进行选择，常用的包括酸、碱、金属螯合剂、表面活性剂、酶及氧化剂等[13]。市政污水因其结垢性离子含量较低，膜污染多为有机污染，清洗一般用次氯酸钠（NaClO）清洗；工业废水含各种无机盐离子，结垢污染发生概率较大，故清洗时还需结合酸洗，一般使用较多的为盐酸（HCl）。杨怡婷等[14]使用浓度为0.2×10-6的NaClO溶液清洗聚偏氟乙烯-聚对苯二甲酸乙二醇酯（PVDF-PET）复合膜，发现对膜污染有很好的恢复效果，清洗后并未破坏膜结构，膜运行周期显著延长。膜污染发生的过程较为复杂，污染物质也并不单一，为达到良好的膜恢复效果，有时还需使用组合药剂清洗。不同污染物类型对应的化学清洗药剂，见表1所示。

表1 膜清洗常采用的化学清洗药剂[13]

化学清洗虽对膜通量恢复有良好的效果，但化学药剂对膜面皮层的化学作用不可忽视此外清洗药剂的使用浓度、清洗浸泡时长、清洗时的温度和在线清洗时反洗的压力等都会影响膜的使用寿命，因此在化学清洗时，需要设置合理的清洗参数。

②投加絮凝剂。絮凝剂能改变MBR膜池内污泥混合液的性质，尤其是对溶解性微生物产物（SMP）及胞外聚合物（EPS）中对膜污染起关键作用的多糖和蛋白质有一定的影响。

马延强等[15]在缺氧/好氧-膜生物反应器（Anacrobic/Oxic-Membrane Bioreactor，AO-MBR）中投加氯化铁（FeCl3）、PFS及PAC等絮凝剂，探究膜污染速率和混合液中膜污染影响因素的变化，结果表明，投加絮凝剂能有效降低膜污染速率，混合液中SMP及EPS中蛋白质和多糖含量均有减少，且絮凝剂作用大小依次：PAC＞PFS＞FeCl3。冀世锋等[16]使用氯化镧作为添加剂考察膜污染效果，加入氯化镧后污泥过滤总阻力、污泥比阻均降低，是空白对照组的1/2和1/10，污泥压缩系数提高了34.7%，EPS和SMP的含量也降低20%以上，氯化镧能有效降低膜污染速率。胡环等[17]使用硫酸亚铁（FeSO4）和PFS投加在浸没式MBR反应器中，考察了系统运行效率和膜污染变化，研究结果表明，加入絮凝剂后污泥沉降性能明显改善，污泥体积指数（SVI）显著降低，膜上污染物多糖、蛋白质及胡敏酸累物质等均有所减少，膜污染速率大大降低。

投加絮凝剂不仅对改善膜污染效果明显，而且使用方便，但由于污泥混合液中成分复杂多变，絮凝剂对膜污染特性还要更加深入的研究。

(3)生物法

①悬浮填料。近几年，悬浮填料被广泛应用在MBR膜污染控制研究中，悬浮填料对MBR系统的作用一方面为填料能在水流的作用下冲刷膜表面，减少膜表面沉积的污染物，并且还能吸附混合液中的悬浮固体，降低膜污染的风险；另一方面，填料的加入会影响微生物新陈代谢，混合液中EPS和SMP的含量发生变化，导致膜污染速率发生改变[18]。

肖梓良等[19]使用柱状聚丙烯材料悬浮载体投加至一体式MBR反应器中，考察对膜污染和水处理效率的影响，研究结果表明，无论是在高污泥浓度还是低污泥浓度条件下，投加悬浮载体实验组较无载体实验组运行周期均有延长，悬浮载体能减缓膜污染速率，并且在高污泥浓度条件下悬浮填料的作用更明显。宋乐元等[20]研究投加悬浮填料对厌氧膜生物反应器（Anaerobic Membrane Bioreactor，AnMBR）运行处理效果和膜污染的影响，结果表明，投加悬浮填料后MBR运行TMP曲线上升斜率从不投加的6.69变成3.99，膜污染速率明显减缓，另对滤饼层阻力和总阻力测试发现分别比未投加填料时降低7.8%和6.5%，投加悬浮填料不仅能改善混合液性质还能对降低膜污染起积极作用。

填料对膜表面冲刷减少污染物沉积的同时，也有可能对膜丝产生摩擦碰撞而导致破损，另外填料表面生长生物膜对水质也有一定影响，日后研究中还需多方面结合考量。

②颗粒污泥。颗粒污泥一般为球形或椭球形，生物量大且沉降性好，是一个微型的生物膜，可以有效提高污泥的过滤性能，减缓膜污染速率。

邢锴等[21]研究了好氧颗粒污泥缓解MBR膜污染的特点，表明好氧颗粒污泥MBR在膜严重污染之前运行36d，而相同条件下普通MBR仅19d，并且前者TMP始终低于后者。白琳[22]研究发现颗粒污泥条件中膜生物反应器TMP上升速率缓慢，平均运行周期是普通活性污泥系统的2.43倍，颗粒污泥系统有效减缓了膜污染。

颗粒污泥膜生物反应器虽能减缓膜污染效果，但也并非完全没有污染，另外在MBR反应器中好氧颗粒污泥延缓膜污染的机理方面还需要深入研究。

(4)材料改性法

材料改性是从膜材料方面研究抗污染膜的技术，改性后的膜增大亲水性、减小接触角、可抑制微生物生长和吸附，也有研究人员将导电材料通过化学和电化学的方式聚合在有机膜表面，制成导电膜，利用电场产生的物理化学作用来减缓膜污染。

杜磊等[23]制备具有导电性的碳纳米管-聚偏氟乙烯（CNT-PVDF）复合中空纤维膜，并处理实际污水进行抗污染测试。结果表明，在改性膜上施加-2V槽压时，产生静电斥力能有效降低膜污染速率，膜通量衰减小于10%，而相同条件下未改性膜过滤通量衰减了72%，并且改性后污染的膜清洗时通量完全恢复。Shen等[24]通过化学接枝方法在PVDF膜表面接枝引入DMC（三甲基氯化铵），亲水性明显提高；改性膜应用废水处理中，膜表面蛋白质等吸附含量明显降低，清洗膜通量恢复率增大了3～4倍。Zhang等[25]用掺杂改性技术得到的碳纳米球-聚偏氟乙烯（CNSPVDF）混合基质膜应用在MBR废水处理中，改性后的膜亲水性提高，通量增大，膜污染速率大大降低且化学清洗的次数减少，改性后的膜抗污染性明显提升。膜材料改性后通量和抗污染性能都有明星的改善。

膜材料改性减缓膜污染不同于MBR工艺调控，改性膜需要更多的实践考验，随着科技进步，有越来越多新材料和制备工艺，未来在深入研发的过程中应多结合实际应用。

(5)运营管理

污水处理厂中控制膜污染不仅需要好的技术，更需要好的运营管理。目前，国内污水处理厂运行人员水平参差不齐，因此，加强对MBR系统运营人员管理、技术等方面的培训也是保障污水处理系统安全运行的关键。日常跟踪记录膜运行压力、水量水质等数据，并且依其变化趋势分析膜污染发生所对应运行条件，建立数据库及膜污染发生风险范围，当遇突发情况及时调整工艺参数及运行工况可有效防止膜污染；运行人员还需对设备定期检修，并加强日常监测监管，掌握系统运行状况。

3.展望

MBR技术不仅可以解决水脏、水污染等问题，更在资源化利用方面有很好的发展前景，但是MBR膜污染问题限制了该工艺发展和推广的速度，研究MBR膜污染机理与影响因素是控制膜污染的基础，也是未来的研究重点。膜污染过程复杂，需结合处理工艺优化运行操作条件及参数，延长MBR运行周期；针对活性污泥系统研究微生物种群及新陈代谢，降低混合液中如EPS、SMP等物质的含量；开发抗污染类型的新型膜材料，这些都是保障MBR系统经济、稳定运行的可靠保证。