膜分离技术中控制膜污染的研究进展

李天然 陈文请，2

（1四川大学建筑与环境学院 四川成都 6100652川大-日立环境应用技术研究中心 四川成都 610065）

膜生物反应器(M B R)的核心部分是膜组件，由于膜的孔隙非常小可以很好拦截反应器内的物质，使得反应器内的污泥浓度可以增长的很高。M B R工艺拥有优秀的处理效果，剩余污泥的排放周期长、排放量少、极小的占地面积等优点，得到了各方面的关注。目前，国内外对M B R的各项研究与推广应用日渐增加。虽然膜生物反应器在水处理方面具有各种优点，但是相比于传统活性污泥法其运行费用、投资成本较高，使得它的实际应用与推广受到了极大地限制。M B R的运行费用主要来自膜组件的购买价格高、膜的使用寿命段和系统能耗大。随着对膜的研究，膜的价格趋于商业化；膜的更换频率与M B R系统的稳定运行有关，但膜污染是影响M B R系统稳定运行的主要原因；M B R系统的高能耗由多方面的因素造成，其中膜污染会使膜通量降低，而为了保持膜通量不变必将增加能耗。可见，膜污染是限制M B R应用和与推广的主要原因。为了寻找有效的控制膜污染的方法，各国研究者们进行了大量的研究，减缓膜污染的主要方法有在进入M B R系统前对进水进行预处理；改变膜池的活性污泥；优化膜生物反应器的结构与操作条件；对现有的成品膜进行改性研究；开发抗污染能力强的新型膜材料。

1 膜污染

膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微利、交通离子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相符作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，膜通量变小的现象。膜污染产生后会使得膜组件的通量不断下降，同时跨膜压力会不断增大。膜污染可分为可逆污染和不可逆污染，也可分为生物污染、有机污染和无机污染。

2 膜污染的影响因素

MBR系统内的膜污染和随之发生的膜通量下降受膜池内活性污的影响很大。污泥黏度、污泥内的污染物种类与含量和胞外聚合物（E P S）等对此都有影响，而膜组件的结构形式、MBR系统的操作条件、膜组件的工作方式等决定了引起膜污染的主要因素。宏观上，膜污染的形成主要受三方面的影响：膜的性质、活性污泥的性质和MBR系统的操作条件，三个方面相互影响并相互制约。

2.1 膜性质

与膜污染有关的膜性质主要有：膜材料本身的性质、膜孔径的大小与分布、膜自身所带的电荷性质、粗糙度以及亲/疏水性质等。

在厌氧M B R系统中使用不同材质制成的膜组件，对其对其膜污染情况进行研究，发现膜污染以外部污染为主，即在无机物在膜面的沉积，微生物的粘附和对溶解性有机物的吸附。研究结果表明，在同样的条件下运行时，聚砜膜、纤维素膜的污染趋势明显大于聚偏氟乙烯膜。

Magara等[1]研究了不同膜孔径的膜对过滤水质的影响。研究发现当膜的截留分子量低于20000时，随着膜的截留分子量的增加，出水C O D的浓度也随之增加；而当截留分子量高于20000时，出水C O D的浓度不再随截留分子量变化而变化。Shimizu等[2]研究了膜孔分布在0.01μm～1.6μm的一系列膜的过滤性能，结果表明孔径分布在0.05～0.2μm的膜相比于其他孔径分布的膜具有更大的通量。

当膜池混合液与膜表面电荷电性相同时，能减缓膜污染，提高膜通量。水溶液中的胶体粒子一般带负电，所以选择膜表面带负电荷的膜组件，因为同性相斥的原因，可以减缓膜污染。

一般认为，膜的亲水化程度越高，越耐污染。有研究表明，亲水性膜的膜过滤阻力小于疏水性膜，在实际应用中疏水性膜膜污染程度会大于亲水性膜。但是，这一发现仅仅反应了膜材料亲疏水方面对膜污染影响的大致趋势，不能作为规律使用。而且要取得影响膜表面性质的所有微观参数仅凭水的接触角是不够的。除了膜表面性质影响污染源在膜表面的吸附自由能外，还需要考虑污染源的性质。

2.2 活性污泥性质

造成膜污染的物质都源自于活性污泥。活性污泥的性质包括：污泥浓度、污泥颗粒表面电荷和粒径、活性污泥所含胶体粒子种类以及污染物等。因此，活性污泥对膜污染的影响是各种因素的综合作用。

研究结果表明，污泥浓度在影响膜通量的同时还会影响对污染物的去除效果。膜组件的产水量与污泥浓度的对数值呈线性负相关，即污泥浓度越大，产水量越小，说明此时膜污染月严重。Lim[4]研究了两种不同粒径分布的活性污泥对膜污染的影响，发现颗粒粒径大的污泥对膜污染的影响程度远低于颗粒粒径小的污泥。

2.3 系统的运行条件

膜生物反应器的操作条件主要包括：膜池曝气量、系统内的温度、膜池活性污泥负荷与产水泵的抽吸/停时间等。

通过增加膜池曝气量，可以增大膜面水力扰动程度，进而减缓膜面泥饼层的增长。其影响程度因膜面混合液流动速度的大小和水流状态而异。但是过大的膜面流速会使膜表面的污泥饼层变薄，可能会造成不可逆的污染。Magara等[5]的实验结果表明，每当温度升高1℃时，可以使膜通量获得2%的增长，主要是由温度升高使得混合液黏度变小，此时膜过滤压力减小所致。

肖荣恩等[6]通过五因素四水平正交实验考察了M L S S、膜通量、抽吸/ 停时间、曝气量、反应器升流区与降流区面积之比对膜污染的影响，发现这五种因素对产水时的抽吸压力上升速率的作用程度是不一样的，其影响程度由大到小依次为：膜通量>MLSS>抽吸/ 停时间> 曝气量> 反应器升流区与降流区面积之比。

3 减缓膜污染的技术

3.1 改变污泥混合液特性

通过在MBR中添加絮凝剂，一方面可以使活性污泥絮凝成团，膜表面生物膜的多孔性得到改变，提高了膜的过滤性；另一方面可以去除进水中难降解的大分子有机物，以达到减轻膜污染的目的，且絮凝剂的加入不影响生物活性。

Kim[7]通过在反应器内添加粉末活性炭(PAC)来与原有的活性污泥进行超滤膜的过滤特性研究。研究发现，加入PAC后，不仅减小污泥絮体的可压缩性，同时增大沉积层的孔隙率，而且使微生物分泌的胞外聚合物减少，提高了膜通量。Seo等[8]发现，向MBR添加适量（约5%）体积的PAC也能促进活性污泥颗粒化，从而减轻膜表面的滤饼层污染，提高膜的临界通量，但当PAC投入量过大时（超过40%），会使污泥黏结活性炭形成严重的滤饼层污染。

3.2 优化运行操作条件

3.2 .1合适的曝气量

曝气可以有效缓解膜表面的滤饼层的形成及浓差极化现象。合理的曝气避免了膜表面凝胶层增厚，减少污染物质的积累，减少了膜孔的堵塞，膜的运行周期也延长了。秦哲等[9]研究发现当曝气强度低于0.88 m。m·h-1时，水力剪切力主要作用是消除膜污染，不会对活性污泥的性质产生影响，因此膜污染速率随曝气强度增加而减缓随曝气强度增加而减缓；而当曝气强度高于0.88 m。·m·h-1时，水力剪切力过大，破坏了污泥絮体结构，使SVI增大，从而加速了膜污染，使膜污染速率随曝气强度的增加而增加。

3.2.2 合适的膜表面错流速度

一般认为膜表面的错流速度越大，膜的临界通量也越大。Defrance等[10]发现，当膜表面的循环流速达到4m/s后，继续增加循环流速对临界通量不再有影响。Chang等[11]在试验中发现膜表面的气流速度对膜的极限通量也有类似影响，当气流速度增加到3m/s后，膜的极限通量不再增大。

3.2.3 适宜的污泥浓度

由于膜生物反应器可以保持很高的污泥浓度，因此相对与传统活性污泥法其进水负荷越低。但污泥浓度过高，在反应器内会积累大量的溶解性有机物（SMP）和胞外聚合物（EPS），加速膜污染[12]。污泥质量浓度对膜透水量和过滤阻力有直接影响。污泥质量浓度增加，过滤阻力上升，透水量下降。目前，欧洲所使用的膜生物反应器中污泥浓度保持在12g/L～16g/L[13]。

3.2.4 反冲洗

反冲洗也可以很好的恢复膜污染。

3.2.5 间歇操作

对于浸没式MBR，间歇出水可以有效抑制膜污染，能有效膜污染速率大大减缓。

3.3 膜材料的改进及膜组件优化设计

有机聚合膜经常用于膜生物反应器中。聚偏氟乙烯、聚砜、聚烯烃类等是常用的有机聚合膜材料。吕晓龙等[16]进行的亲水改性研究中发现改性后膜的亲水性显著提高，加强了膜的抗污染能力，膜通量显著提高Muhammad考察了膜生物反应器中MnO2动态膜的形成对微滤膜过滤特性的影响，动态膜的形成在很大程度上减轻了颗粒物对膜孔的堵塞，膜通量显著提高，运行时间也相应延长。

在对膜组件进行优化设计时，应充分考虑膜组件安装型式与水力学的关系。目前常见的是外压型中空纤维膜组件，可在穿流(入流与中空纤维膜丝垂直)或轴流的条件下操作。

4 结语

膜生物反应器在水处理中的优良性能，而使其备受关注，所以控制膜污染对膜生物反应器的应用有着重要意义。通过对污泥混合液特性的改善，运行操作条件的改善以及对膜材料的不断改进和膜组件的优化设计，膜生物反应器在实际的污水处理中将会越来越广泛。

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