MBR污染影响因素分析及控制改善措施

孙玉清

（江苏省设备成套有限公司，江苏 南京210009）

0 引言

随着国民经济及人口的增长，资源消耗及生产、生活排放也急剧提高，人类面临着水资源短缺的严峻问题，已有不少国家越来越重视废水的回收利用。从生活污水、工业废水中提取回收淡水以循环利用，降低水资源用量，已成为大家的共识。近年来，膜生物反应器（Membrane Bio－Reactor）技术由于其优异的污水处理性能得到深入研究，广泛应用于生活污水、工业废水包括印染废水、啤酒废水、制药废水、食品加工废水、石化废水、粪便污水、垃圾渗滤液、医院废水等的处理中［1］。

MBR系统有很多优点，如出水水质好、占地小、运行控制灵活、脱氮效果好等。但是该技术也有一些问题限制了其广泛应用，如膜污染问题。下面介绍膜污染的机理、影响因素及控制措施，以期为MBR的应用提供借鉴。

1 膜污染机理

膜污染是指固体悬浮物或溶解性物质沉积吸附在膜表面、空隙和内壁，造成膜通量下降的现象。当污染物尺寸较小时，会吸附在膜空隙内壁，堵塞膜孔；尺寸较大时，会沉积在膜表面，形成滤饼层，降低膜的渗透性，导致通量下降。

按照污染物性质分，膜污染主要分为无机物污染、有机物污染和微生物污染，且相互作用相互影响。引起膜污染的机制有：浓差极化导致滤饼层，溶解性有机物吸附于表面或内孔造成堵塞，微生物在膜表面生成生物膜等。

2 膜污染影响因素

影响膜污染的因素很多，包括原材料（膜、混合液性质）、操作条件、工艺选择等。确定各因素与膜污染的关系，对于减缓或控制膜污染具有一定的指导意义。一般来说，研究其影响要从3个方面展开，即膜本身性质、活性污泥混合液性质以及操作运行条件（表1）。

表1 膜污染影响因素

2.1 膜组件性质的影响

膜是MBR系统的核心部件，主要作用是分离固相杂质和液相水。膜按材料可以分为有机膜和无机膜两类，一般来说无机膜的通量大于有机膜，但无机膜的高价限制了其应用，目前广泛应用的是有机膜，其成本相对较低，制造工艺成熟。常用的有机膜有聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚四氟乙烯等，聚丙烯膜的污染主要是膜面形成厚滤饼层。一般来说，亲水性膜的膜通量更大，相较疏水性膜有较好的抗污染性能，但这只在过滤初期影响较明显，之后污染物的影响将成为主要因素；采用与溶液中杂质粒子相同电荷的膜材料，可以一定程度上起到防止膜污染的作用；膜孔径存在一个最佳范围，太小会限制膜通量，太大易受污染；孔隙率和粗糙度的影响主要在于改变膜面吸附污染物性能，粗糙度较大易受污染。

2.2 污泥浓度（MLSS）

污泥浓度是早期MBR膜污染研究的重点。据Rosenberger等人研究［2］，当污泥浓度高于15g／L时会影响膜通量；当浓度低于6g／L时，污染随着污泥浓度的增高而降低；当污泥浓度处于8～12g／L时，污泥浓度的影响较小。污泥浓度对动态层的厚度和黏度都有影响。黏度对膜通量的影响在于，其增大时可以减弱反应器中中空纤维膜束向侧向运动。污泥浓度较高时会形成滤饼层，可以保护膜不受污染，而浓度低时，膜孔易堵塞。

2.3 膜通量和曝气

MBR中存在临界通量，即在该值以下，跨膜压差不会随过滤时间的延长而增加，其与通量呈较好的线性关系。低于此临界值操作，可以避免MBR膜过度污染，而且恒定通量操作下膜污染发展得较为缓慢。

曝气不仅可以为混合液提供氧，也可以改善膜污染情况。研究表明，增加曝气强度可以提高膜的渗透性，缓解膜污染，反之可能污染物沉积较为严重。但是过大曝气强度可能破坏混合液中絮体，进而提高EPS和SMP等的含量，加剧污染，且此时能量消耗也大。陶中兰［3］采用流动动力学软件Fluent对沉浸式MBR中气液两相流动进行了三维数值模拟研究，分析了曝气条件对膜表面气液速度场及气含率分布的影响。结果表明，1mm曝气孔径下膜面气含率高且分布均匀，膜面冲刷效果好；孔径一定时，曝气量为5.5m3／h时漩涡区较大，效果更好。

3 MBR中膜污染控制与改善

（1）清洗技术：清洗是一种事后控制方式。膜污染有物理清洗、化学清洗等方式，不同的污染情况应采用不同的方式。物理清洗包括水反冲洗、海绵球清洗、空气反吹清洗、空曝气清洗、超声波清洗、电清洗等，主要取出膜的外部截留污染物。化学清洗可以采用次氯酸钠、盐酸、氢氧化钠、络合剂、表面活性剂等。不同的清洗液对不同物质清洗效果不一样，要针对实际情况进行选择。

（2）控制运行条件：目前MBR工艺基本采用恒通量运行，且尽量保持在临界通量以下。如超过临界通量，就会造成跨膜压差增大趋势变大，加速膜污染。控制曝气强度也是控制膜污染的有效手段之一，如前述陶中兰等的研究［3］。不过曝气需要消耗能源且增加成本，如何在提高膜污染控制效果的前提下尽量降低曝气成本仍然需要研究，间接曝气是目前广泛采用的方式。另外需要注意的是，曝气方式与反应器内生物过程、膜渗透过程都是耦合的，其对混合液浓度、黏度、组分输运等有着直接影响。

（3）使用添加剂：郭小马等［4］研究分析了投放活性炭对于膜阻力的影响。当投放量小于0.5g／L时，运行到第7天时跨膜压力升高到25kPa，膜通量降低，且附着物呈黑色，无法通过反冲洗清洗掉，需要用次氯酸钠溶液浸泡48h才能基本消除。当投放量为0.8g／L时，跨膜压力在前7天缓慢升高，到第26天才达到25kPa。活性炭降低膜污染的原因可能为活性炭颗粒和污泥絮体相结合变成尺寸大但黏度小的颗粒，此种颗粒可以吸附周围的溶解性微生物产物，另一方面由于炭粒具有吸附性可以吸附胞外多聚物和微生物代谢产物。这三者对膜污染都有很大的影响，故而投放活性炭可以减缓膜污染。赵丽霞等［5］向以聚丙烯无纺布为膜组件的反应器中投入聚乙烯醇微球，分析其对膜污染的减缓作用。实验发现，添加PVA微球的膜污染阻力明显低于对照组，说明PVA微球对膜污染具有延缓作用。实验期间，添加PVA微球的膜污染速度一直保持较低状态，膜通量也较高。

（4）复合MBR工艺：单一的 MBR工艺对氮、磷去除效果不是很理想，且膜污染问题严重，限制了MBR的广泛应用。郭小马等［4］比较了序列式膜生物反应器（SMBR）和 MBR的膜污染情况，实验发现，MBR膜组件需要每隔7天进行处理以恢复其通量，而采用SMBR工艺时，跨膜压差增加缓慢，到15天时跨膜压差才达到20kPa，说明SMBR能减缓污染进程。

（5）其他措施：除以上措施外，还可通过采用新型性能优异的膜材料、进行混合液预处理等手段控制与改善MBR工艺中的膜污染情况。

4 结语

MBR由于其众多优良特性在污水处理方面有着广阔的应用前景，而膜污染是限制其进一步发展的重要因素，深入研究膜污染的机理、影响因素及防治措施是推动其研究、应用的关键点。

［1］房蕾，郑骥.MBR技术的发展及应用［J］.中国环保产业，2010（11）：42～47

［2］Rosenberger S，Laabs C，Lesjean B，et al.Impact of colloidal and soluble organic material on membrane performance in membrane bioreactors for municipal wastewater treatment［J］.Water Research，2006，40（4）：710～720

［3］陶中兰，邢世禄，李春丽，等.曝气条件对沉浸式膜生物反应器内流场的影响［J］.环境工程学报，2015，9（2）：692～698

［4］郭小马，赵焱，王开演，等.MBR与SMBR脱氮除磷特性及膜污染控制［J］.环境科学，2015，36（3）：1 013～1 020

［5］赵丽霞，朱奕蓉，黄建国，等.PVA微球填料控制 MBR膜污染性能研究［J］.绿色科技，2014（10）：163～164