膜生物反应器膜污染的研究进展

鄢光瑜 年跃刚 黄民生 李柏志

1华东师范大学资源与环境科学学院 （上海 200062）2中国环境科学研究院 （北京 100012）

膜生物反应器膜污染的研究进展

鄢光瑜1，2年跃刚2黄民生1李柏志2

1华东师范大学资源与环境科学学院 （上海 200062）2中国环境科学研究院 （北京 100012）

从膜的结构性质、反应器操作条件、处理液微生物性质三个方面介绍了膜生物反应器膜污染机理研究的进展，总结了优化膜生物反应器设计、调节膜生物反应器操作条件、在线超声控制、化学方法等膜污染控制的常用方法，对未来膜污染研究进行了展望。

膜生物反应器 膜污染 膜污染控制

膜生物反应器（Membrance Bioreactor，MBR）是一种新型、优质、高效的污水处理技术，相比其他污水处理技术具有污水处理效率高、负荷高、占地空间小等特点。目前膜生物反应器在城市污水和工业废水处理和回收领域已经有了非常广泛的应用，取得了很好的效果。

90年代初期，欧洲最早采用MBR工艺处理工业废水。此后十几年中，MBR在欧洲、美国、日本、韩国等大量投入使用。中国对MBR的应用与研究相对较晚，但发展迅速，目前，密云污水处理厂再生水厂、内蒙古金桥污水处理厂、北小河污水处理厂等都采用了MBR工艺。

对膜生物反应器的研究主要集中在膜污染机理、膜污染控制及新型膜工艺的开发应用上。膜污染会引起膜通量下降，缩短膜的使用寿命，增加膜生物反应器的运行成本，是限制膜生物反应器应用推广的重要因素。本文重点介绍了膜生物反应器膜污染机理及控制方面的研究进展。

1 膜污染定义

国际纯粹和应用化学协会（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC)定义的膜污染是指悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔隙和孔隙内壁，造成膜通量降低的过程[1]。在膜污染过程中，当污染物颗粒比膜孔小时，颗粒吸附在膜孔隙内部，从而可能导致膜孔的堵塞；当污染物颗粒比膜孔大时，颗粒吸附在膜的表面，形成一个滤饼层，引起膜通量的下降[2]。

对于膜生物反应器，有以下5种机制可导致膜污染的发生：（1）膜对溶液中溶质及胶体的吸附；（2）污泥絮体在膜表面的沉积；（3）膜表面滤饼层的形成；（4）剪切力导致的污染物的分离扩散；（5）长期运行过程中污染物在组成及性质上发生的变化[3]。

由于膜生物反应器中活性污泥的性状复杂多变，膜生物反应器的膜污染过程相对于其他类型的膜装置也更加复杂。

2 膜污染机理研究

影响膜污染的因素，归纳起来可分为三个方面：膜的结构性质、反应器操作条件、处理液微生物性质等。

2.1 膜的结构性质

膜的结构性质包括膜的材质、孔径尺寸、疏水性、孔隙率和粗糙度等。膜的结构性质在一定程度上决定了膜污染的种类、膜污染可能达到的程度及对膜污染进行修复的难易程度。

根据固体膜的形状，常用膜可分为中空纤维膜和平板膜等，优势特点各不相同。平板膜的抗污染性更强，能使系统长期、稳定地运行。在处理城市废水时，聚乙烯膜相比聚偏氟乙烯膜更容易发生不可逆污染[4]。厌氧膜生物反应器中聚偏氟乙烯膜比聚砜膜、纤维素膜的抗污染性能好，膜孔径在0.1μm时抗污染性能最好[5]。Shimizu等对膜生物反应器中膜孔径不同的一系列膜进行了研究，结果表明，孔径分布在0.05～0.20μm的膜抗污染性能最好[6]。Chang等发现，疏水性膜的膜阻力比亲水性膜大，其膜污染也更严重[7]。膜表面粗糙度的增大既增大膜表面对污染物的吸附，又增强膜表面的扰动，其对膜污染的影响是两方面的[8]。

2.2 反应器操作条件

反应器操作条件包括进水性质、曝气、污泥负荷、污泥龄、操作压力、温度以及抽吸时间等。

一般情况下，反应器负荷越高越容易形成膜污染，膜通量则下降的更快。曝气是影响膜过滤性能的最重要的操作条件。曝气影响膜生物反应器内的流体湍动程度，能够去除膜表面滤饼[9]。但过大强度的曝气会使污泥絮体破碎，可能加剧膜孔堵塞问题。膜生物反应器存在一个临界操作压力，当压力值小于临界操作压力时，膜通量随压力的增加而增加，当压力值高于临界值时，膜污染速度加快，膜通量变化不大。污泥负荷、污泥龄、水力停留时间等操作条件可通过改变活性污泥性质而间接影响膜污染过程。

2.3 处理液微生物性质

微生物既是膜生物反应器污水处理的主体，也是产生膜污染的重要因素。微生物活动产生的胞外聚合物（Extracelluar Polymers，EPS）和溶解性微生物产物（Soluble Microbial Product，SMP）是影响膜污染最主要的生物因素。

EPS是一定条件下微生物产生的高分子物质，普遍存在于活性污泥絮体内部和表面，成分为多糖、蛋白质及DNA等。EPS可分为两种形式，一种是附着于细胞壁上的胞囊聚合物，另一种是以胶体或溶解形态存在于处理液中的粘性聚合物。EPS能对微生物细胞产生一种架桥作用，使细胞聚集在膜表面，细胞也可通过EPS进行物质和能量的传递，EPS加剧了微生物的繁殖和群集，造成膜的堵塞，引起膜通量的下降。Su等发现膜污染与EPS中的多糖密切相关[10]。Nagaoka等研究发现反应器中EPS的积累能增加处理液的粘度，使膜过滤阻力增加[11]。EPS的存在对污泥沉降也造成影响，EPS的主要成分如蛋白质、糖类、DNA含量等都与污泥体积指数（SVI）成正比关系，EPS含量高，使污泥表面负电荷多，污泥絮体在负电荷间斥力影响下沉降效果变差[12]。

SMP是指微生物代谢过程中排出的物质，以腐殖质、多糖、蛋白质等为主要成分。膜生物反应器可以将反应液中的SMP等大分子物质截留于反应器内，从而降低出水的有机物含量，但同时也造成了SMP在膜生物反应器中的积累。SMP可生化性差，SMP的积累会抑制微生物的活性，影响出水水质，也会造成对膜的污染。SMP中的肽类有机物可吸附于膜孔内，造成膜孔堵塞；多糖、蛋白质类可吸附于膜表面，形成凝胶层。Lee等通过建立膜污染的计算模型，发现SMP是影响膜污染的最重要因素之一[13]。柳根勇等发现污泥内源呼吸和细胞解体过程中产生的SMP大分子有机物的含量较高，容易蓄积在反应器内，更有可能造成膜污染[14]。SMP在膜生物反应器中的积累是一个动态过程。在运行初期，SMP大多被截留于反应器内；随着微生物驯化作用的加强，SMP的降解速度加快，当大于其积累速度时，SMP浓度反而降低[15]。

3 膜污染控制

膜污染可分为可逆污染和不可逆污染。使用任何方法都不能去除的污染为不可逆污染。而通过适当的方法能够去除的污染为可逆污染。对不可逆污染要采取措施避免其发生，对于可逆污染需要定期采取措施进行修复。通常对膜污染的控制有以下几类方法：

3.1 优化膜生物反应器的设计，选用合适的膜材料

通过优化膜生物反应器的设计，改进膜生物反应器的内部结构，可以改善反应器内液体的流动状况，减轻膜的污染。在设计中，要注意避免在反应器中出现水流死角区域。应根据被处理污水的性质，选用合适的膜材料。膜组件的设计应充分考虑膜组件的放置方式与水力形态、曝气位置间的关系。

3.2 调节膜生物反应器的操作条件

（1）曝气量和曝气位置的设计都对膜污染有重要的影响。合理曝气能避免滤饼层的增厚和膜面堵塞物质的积累，延长膜清洗周期[16]。膜生物反应器的气水比一般为30∶1～100∶1，高于传统生物处理工艺。

（2）改变膜生物反应器的压力模式，采用间歇抽吸或压力递增模式，能延缓膜的污染。通常膜生物反应器在运行初期可以在较低的压力下运行，随着膜污染的加重需逐步提高过滤压力以稳定膜通量，操作压力应小于临界操作压力值。

（3）用水反冲洗或空气反吹可以将膜面的滤饼层吹脱，清洗掉膜孔中的污染物。对膜的反冲洗一般在固定的周期中进行。要避免使膜污染发展到“临界膜污染”水平，因为此时膜清洗对膜污染的去除已难以发挥作用[17]。使用反冲洗方法时，应考虑到膜所能承受的压力，避免对膜的结构功能产生影响。

（4） 对污泥龄（SRT）、水力停留时间（HRT）、有机负荷率（F/M）等操作参数进行优化，可以改善活性污泥的性状，从而减轻污泥对膜产生的污染。应控制MBR系统内活性污泥SVI指数在较低水平[18]。

3.3 在线超声控制

将在线超声清洗装置置于膜生物反应器中，利用超声波在水中产生的机械振动和微湍流作用，可使污染物质从膜表面脱离。在线超声清洗是一种比较新的膜污染控制方法，其优点是效果明显、操作方便、不需要中断膜过滤过程，对膜本身没有伤害。

3.4 化学方法

化学清洗是对膜污染进行控制的比较常用的方法。使用碱性清洗剂，可去除膜上蛋白质等有机污染物，能破坏滤饼层，使其从膜表面脱落，常用的有氢氧化钠、氢氧化钾等。使用酸性清洗剂可以溶解并去除膜上积累的矿物质，常用的有硝酸、柠檬酸、盐酸等。可通过适当加入化学杀菌剂来控制膜的生物污染。进入膜生物反应器的混合液常含有各种杂质，可以通过调节pH值、添加抗氧化剂、添加防垢剂、絮凝剂等对其进行预处理，减少对膜产生的污染。Shona等试验了4种不同预处理方法：FeCl3絮凝、粉末活性炭吸附、絮凝加吸附、粒状活性炭过滤，发现采用絮凝加吸附方法可有效防止膜污染[19]。单独的化学清洗只能减少污染物对膜的粘滞性，不能将污染物直接去除。将化学清洗与水清洗、超声波法清洗联合使用，可明显提高对膜污染的去除效果[20]。

4 结论与展望

（1）对膜生物反应器膜污染机理的研究一般从膜的结构性质、反应器操作条件、处理液微生物性质等三个方面进行。在今后一段时间内，对处理液中各种污染物如ESP、SMP等的生成过程和影响因素的研究将是膜污染研究的重要内容。

（2）对膜生物反应器膜污染的控制需在多方面同时进行。在膜生物反应器的选用中，应根据所需处理污水的性质，选择合适的膜材料。膜生物反应器的设计要考虑周全。对于正在运行中的膜生物反应器，可以通过调节水力操作条件和利用化学方法等控制膜污染。开发抗污染能力更强的膜材料和膜组件，也是膜污染控制的重要途径。

（3）目前一些研究已经采用了荧光原位杂交（FISH）、变性梯度凝胶电泳（DGGE）等分子生物技术方法，研究膜污染中微生物群落作用。利用新技术手段在微观层面对膜污染过程进行研究是将来研究的热点。

（4）目前人们对膜污染机理的了解还不全面，膜污染过程的许多方面还需进一步研究。市场对污水处理技术及其设备不断扩大的需求，使用者对于污水处理的成本控制的需要，是推动膜污染研究的动力。随着膜生物反应器的膜污染问题的逐步解决，经济高效的膜材料的陆续发明，膜生物反应器的运用也会更加广泛。

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Progress of Studies on the Fouling of M embrane in M embrane Bioreactor

Yan Guangyu Nian Yuegang Huang Minsheng Li Baizhi

Progress of studies in the mechanism of the membrane fouling of Membrane Bioreactor was introduced from aspects of membrane characteristics,the operating conditions and the properties of microorganisms in the feedwater.The usual control strategies of the membrane fouling were summarized such as optimizing membrane module design,adjusting operating conditions,on-line ultrasound and chemical cleaning.The further research in menbrane fouling is prospected.

Membrane bioreactor;Membrane fouling;Membrane fouling control

X 703.1

国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目（2009ZX 07208-006-02）；国家863计划资助项目（2006AA06Z343)

鄢光瑜 男 1987年生 硕士 主要研究方向为废水生化处理

2010年3月