操作条件与膜生物反应器中膜污染的关系

杨 非，杨 丽

（马钢集团设计研究院有限责任公司，安徽马鞍山 243000）

引言

传统活性污泥法的出水因不能直接回用，往往需要进行深度处理。21 世纪的工业污水处理中，膜分离技术有重要的地位［1］。膜生物反应器（Membrane Bioreactor，MBR）是将膜分离技术与传统生物处理有机结合的新型高效污水处理技术，它取代了传统活性污泥法中的二沉池，具有出水水质好，容积负荷高，占地小，剩余污泥产量少的优点［2］，目前广泛应用于市政和工业废水处理中。但是膜生物反应器运行中产生的膜污染问题，会致使膜通量下降。频繁的清洗和换膜又会极大地增加基建和运行费用，同时影响其稳定性，是限制该技术进一步推广的瓶颈。膜污染的影响因素有很多，一般认为可分为3 类：操作条件、混合液形状和膜本身性质，其中操作条件对膜污染有着重要影响。

因此，结合国内外的相关研究，就MBR 膜污染机理及操作条件与膜污染关系做进一步综述，旨在为缓解膜污染提供可行途径，为推广该技术的工业化应用创造条件。

1 膜污染机理概述

1.1 膜污染概念

膜污染是指被处理料液中的微粒、胶体和溶质大分子在物理、化学或机械作用下吸附或堵塞在膜表面或膜孔内，从而使膜透过流量与分离特性下降的现象［3］。

1.2 膜污染分类及产生机理

一般来说，膜污染可以按可清洗程度、污染源的性质和膜污染成因来分类，具体分类见表1。

表1 膜污染的分类

1.3 膜污染的表征

膜污染程度一般可用总阻力来表征。总阻力R由膜阻力Rm、膜孔堵塞阻力Rb、凝胶层阻力Rg、泥饼层阻力Rc、浓差极化阻力Rcp共同组成［6］，膜过滤阻力分布示意图见图1。

图1 膜过滤阻力分布示意图

根据达西（Darcy）定律：

式中：J—膜通量，L∕（m2·h）；

P—跨膜压差，Pa；

μ—透过液粘度，Pa·s；

R—总阻力，m-1。

膜污染呈现的效果即总阻力R的不断增大。恒压过滤时，膜污染加剧反映为膜通量下降；恒通量过滤时，膜污染加剧反映为跨膜压差升高。

2 操作条件对膜污染的影响

影响膜污染操作条件的参数有很多，如膜通量、跨膜压差、曝气量、错流速率、水力停留时间、污泥龄、温度、pH、进水水质、间歇操作等。

2.1 膜通量对膜污染的影响

膜通量（membrane flux）是膜过程的基本参数，主要由驱动力和总阻力共同决定，其中驱动力主要为跨膜压差（transmembrane pressure，TMP）。MBR有恒通量和恒压力2 种操作模式。在恒通量操作下，通常认为存在一个临界通量，当实际通量高于临界通量时，膜污染速率迅速上升。Madaeni等［7］研究表明，临界通量在混合液悬浮固体浓度（MLSS）3～10 g∕L 范围内，随MLSS的升高而线性下降。俞开昌等［8］采用通量阶式递减法得出，曝气强度增加会提高气水二相流的紊动性，进而增大临界通量，次临界通量下系统运行稳定，膜污染速率减缓，但是，这只适用于短期运行。Wei 等［9］发现即使在次临界通量下运行，TMP 也只在较短时间内缓慢增加而后骤增，这是由于长期次临界通量下运行，虽然膜污染速率小但仍在发生，轻微的膜污染逐渐累积导致局部膜通量超出临界通量，从而使TMP 迅速增加。所以实际运行中，应尽量选择低的初始膜通量操作，这样才能保证系统运行稳定且能耗较小。

2.2 跨膜压差对膜污染的影响

跨膜压差是指施加在膜两侧过滤的压力差。同样，在恒压操作下，也存在一个临界压力，当实际压力高于临界压力时，膜污染速率迅速上升。Yamamoto 等［10］发现，在操作压力低于临界压力时，6 h 内，膜通量只下降10%；而在操作压力高于临界压力时，2.5 h 内，膜通量已下降40%。这是由于不同的操作条件下形成的滤饼层厚度不同，高压下的初始滤饼层较厚，膜通量相较于初始通量下降较大；而低压下，初始滤饼层不会很厚，膜通量相较于初始通量下降不明显。Hong等［11］发现，若初始TMP较低，可使膜通量下降速率变慢，膜污染速率减缓。Guo等［12］研究表明，超滤膜在低于0.1 MPa下的恒压运行时可避免不可逆污染。

2.3 曝气量对膜污染的影响

在一体式膜生物反应器（SMBR）的运行过程中，曝气量决定了膜面流体的紊乱程度。进行曝气既可为微生物供氧，满足底物降解和细胞合成的需求；同时其形成的气水二相流流速增大，膜面流体湍流程度增加，形成大的水力剪切力，冲刷膜面，抑制浓差极化现象和滤饼层的形成。Ueda 等［13］发现，使用较大曝气量可有效增大膜通量，缓解膜污染。Shimizu等［14］发现，曝气强度增加使胶体及颗粒不易沉积在膜面。刘锐等［15］研究表明，对中空纤维膜进行曝气，可防止凝胶层厚度增加，极大延长膜清洗周期。但曝气量并非越大越好，过大的曝气量会破坏污泥絮体结构，加剧膜孔堵塞，增大膜污染速率。Hong等［11］指出存在一个临界曝气量，当实际曝气量超过其值时，通量增加不明显，且较大曝气量提供的过量溶解氧会抑制反硝化作用。因此，在实际运行中应将系统的曝气强度控制在最佳曝气量。

2.4 错流速率对膜污染的影响

对于外置式膜生物反应器（CMBR），错流速率（CFV）决定了膜面附近流体的流态。CFV 增大，湍流程度增大，水力剪切力变大，滤饼层厚度减小。Psoch 等［16］认为较大CFV 可有效减缓膜污染。Defrance等［17］发现，随CFV 增加，膜通量近似线性增大。刘浩亮等［18］采用自主研发的同心旋转平板膜组件实现主动错流式膜过滤，发现其比静态膜具有更大的CFV。膜面转动形成的强力湍流，能有效延缓膜污染速率。但CFV 并非越大越好，过大的CFV同样会出现反效果，且能耗更大。Thomas 等［19］发现当CFV 大于3 m∕s，污泥絮体破碎，形成主要由小颗粒构成的致密滤饼层，反而使膜通量减小，TMP增大。

2.5 水力停留时间对膜污染的影响

水力停留时间（HRT）通过影响活性污泥混合液形状而间接影响膜污染。若采用较短的HRT，则为微生物提供较多营养物质，加速微生物增殖，使混合液MLSS 和黏度上升，加快膜污染速率。Harada等［20］研究表明，过短的HRT 会导致溶解性微生物产物累积，使膜通量降低。Huang等［21］认为，HRT的降低使溶解性微生物产物中蛋白质类物质增加，吸附在膜面引起膜污染。

2.6 污泥龄对膜污染的影响

污泥龄（SRT）是活性污泥混合液形状的决定性因素，并以此间接影响膜污染。SRT与MLSS、黏度、胞外聚合物（EPS）、溶解性微生物产物（SMP）和污泥粒径息息相关。Meng 等［22］研究表明，适当增加SRT 可减少溶解性微生物产物含量，减缓膜污染。但SRT 并非越长越好，过长的SRT 会使污泥浓度增加，内源呼吸加剧，胶体物质增加使膜污染速率变大。Lee 等［23］发现，过长的SRT 会使总的膜污染增大。曹占平等［24］认为，通过控制SRT，可使由氧化还原电位（RH）、电动电位、悬浮固体浓度（SS）等主要膜污染影响因子引起的比阻维持在较低水平。因此，实际运行中需要对SRT 进行适当的控制，一般认为控制在20～50 d 时［25］有利于稳定溶解性微生物产物，从而较为有效地抑制膜污染。

2.7 温度和pH值对膜污染的影响

温度和pH 值属于环境条件参数，通过影响混合液性质间接影响膜污染。温度会影响污泥颗粒粒径和黏度等；pH 值则会影响RH、Zeta 电位，且可对膜面改性，进而改变膜和污染物之间的静电作用力，影响膜污染。Gao 等［26］发现，随着温度上升，EPS、SMP 和胶体物质含量逐渐增多，在高温下会产生更多不可逆污染。Ognier 等［27］发现存在一个pH值临界点，当大于此临界点时膜污染迅速增加，临界点随温度的升高而降低。

2.8 进水水质对膜污染的影响

进水水质会对系统内微生物代谢和膜分离过程产生影响。Lin 等［28］认为进水中无机污染物会和微生物发生作用共同沉积在膜面，形成致密的滤饼层。陈康等［29］研究表明，随着钙离子浓度的增加，TMP增长趋势减缓，膜污染减小。

2.9 间歇操作对膜污染的影响

间歇操作属于MBR 系统运行方式。间歇出水通过短暂停抽，使向膜面的附着力消失，附着在膜面的沉积物在错流剪切力的作用下从膜面剥离。Yamamoto 等［10］认为间歇操作可有效延缓膜污染发展。但并非停抽时间越长越好，过长的停抽时间会减弱其去除效果且减少系统的产水负荷，所以，实际运行中应合理控制一个最佳抽停比。

3 结语

综上所述，操作条件对膜污染有着重要的影响，但是现有的研究仍存在以下不足。

（1）各影响因素不是孤立的，而是有机的整体，共同对膜污染造成直接或间接的影响。现有的研究大多停留在某一项因素的研究上，忽略了各个因素的协同作用。

（2）现有研究基本停留在试验室的小试试验水平，如何采用中试试验等更为接近实际应用的条件为工程应用提供必要的指导，是今后要考虑的问题。

（3）现有研究大多以好氧MBR 为主，而关于厌氧MBR的研究不够深入。

今后的研究可以重点针对以上几点，逐步建立膜污染综合评价机制和联系紧密的模型网络，深化对厌氧MBR的研究，并更多运用到实际工程中。

将膜的选择、操作条件的优化、混合液特性的改善和膜的清洗联合运用，往往能够取得更为显著的膜污染控制效果。工程应用中应综合考虑，选择高效、节能、便于操作、管理简单的膜污染控制技术。