膜生物反应器中膜污染机理研究

刘雅娟，赵建国

（山西大同大学化学与环境工程学院,山西大同037009）

膜生物反应器中膜污染机理研究

刘雅娟，赵建国

（山西大同大学化学与环境工程学院,山西大同037009）

膜生物反应器（MBR）结合了生物反应器有效去除有机物和膜分离组件高出水水质的优点，广泛应用于处理各种生活污水和工业废水,限制MBR进一步推广应用的主要因素是膜污染。膜污染造成水通量急剧下降和出水水质变差。MBR中膜污染的形成机理复杂，不仅与膜材料、膜孔大小、膜的疏水性和表面电荷等物理化学特性相关，而且和废水、污泥和上清液的特性有密切的关系。本综述从混合液悬浮固体浓度、污泥结构特点、上清液特征和组成成分及胞外聚合物等几方面对造成膜污染现象的机理进行分析总结，以找到制约和减少膜污染发生的具体方向。

膜生物反应器；膜污染；胞外聚合物；上清液；颗粒污泥

膜生物反应器（MBR）由生物处理系统和膜分离组件2部分组成。其中，生物处理系统主要进行有机物和营养物质的去除，而膜组件则是截留大于膜孔径的颗粒物质使之停留在反应器中增加微生物浓度。与传统的生物水处理系统相比较，MBR具有结构紧凑，污泥停留时间和水力停留时间可分别控制，污泥停留时间长和污泥浓度高等优点[1]。

由于MBR系统能实现在生物处理系统中高效去除废水中可降解有机物的同时由膜的拦截作用进一步去除有机物，从而达到高标准的出水水质。在运行条件一致的情况下MBR比传统活性污泥工艺具有更为稳定良好的出水水质,其平均出水化学需氧量浓度为55.5 mg/L,低于传统活性污泥工艺的79.7 mg/L[2]。利用MBR处理食品废水时总悬浮固体和浊度的去除率分别高达99.2%和99.3%[3]，总有机炭和氨氮的去除率分别高达99%和90%[4]，MBR出水的浊度能低至0.5 NTU[5]。MBR系统是公认的最有潜力实现污染物零排放的水处理系统，有广阔的应用前景。目前MBR已经替代传统生物水处理技术成为多种工业废水处理应用中的首选。

MBR面临的最大挑战是膜污染问题。膜污染由MBR中的污泥、胶体、有机物、胞外聚合物以及可溶性生物产品等在膜表面积累形成滤饼层或者在膜孔内部附着形成膜孔阻塞而形成。膜污染造成膜的开孔率减少，水通量急剧下降，出水水质变差。轻度污染的膜通过反冲洗和化学清洗恢复水通量，重度污染的膜则需更换新膜以保证过滤水质，由此增加了MBR的运营和维护成本。

MBR在运行中膜污染的形成机理非常复杂。本文着重从污泥的特性如浓度、形态、结构，上清液特性如颗粒大小、胶体含量，以及胞外聚合物等几方面对膜污染形成机理进行深入探讨，希望从中找出形成膜污染形成的内在原因，从而为减少膜污染、延长膜的运行周期、提高水通量提供理论指导。

1 污泥特性对膜污染的影响

MBR内的污泥浓度是造成膜污染的一个主要原因，污泥主要在膜表面形成滤饼层。由于MBR的污泥停留时间是单独控制的，污泥停留时间可高达40 d，长污泥停留时间以及膜对微生物的截留作用导致MBR中的污泥浓度偏高[6]。一般认为膜污染情况随着混合液悬浮固体浓度增加而加重[7-8]。在研究污泥浓度对超滤过程的影响中发现，当混合液悬浮固体浓度从0.09 g/L增加到3.7 g/L，滤饼层阻力增加2.62倍[9]。Wu和Xia在研究混合液悬浮固体特性对MBR膜污染的研究中指出，当混合液悬浮固体浓度大于10 g/L时膜污染情况严重，影响膜过滤效果，但是混合液悬浮固体浓度在10 g/L以下时，基本不影响膜过滤特性[10]。然而，由于污泥特性以及MBR的操作条件的不同导致污泥浓度对膜污染的影响不是单一的，科学家们观察并报道了不同的现象。如Wu报道混合液悬浮固体浓度从4.2 g/L增加到25 g/L时对MBR的膜污染没有影响[11]。Le-Clech等报道在混合液微滤过程中，混合液悬浮固体浓度在4 g/L和8 g/L之间变化时对膜污染没影响[12]。研究报道中的不同现象说明污泥的浓度并不是影响膜污染现象的唯一因素，污泥的复杂性和多变性在膜污染的形成中也起到重要的作用。

污泥的物理化学特性在膜污染形成中起到重要作用。悬浮式污泥在过滤过程中能在膜表面形成较厚的结构松散的滤饼层，极易被气液的冲涮而去除，因此在浸没式膜生物反应器中，悬浮式污泥比附着式污泥的水通量高。污泥大小直接影响形成滤饼层颗粒之间以及滤饼层和膜表面之间的相互作用。MBR中具有圆形或单一形状的较大的污泥能有效减少膜污染。颗粒污泥的结构紧密，体积大，在膜表面形成的滤饼层结构松散。由颗粒污泥引起的膜污染较絮状污泥轻，且水通量高。Liu和Sun发现混合液悬浮固体浓度均为5 g/L的平均直径为0.19 mm和0.22 mm的反硝化颗粒污泥在跨膜压力80 kPa下水通量分别是平均直径0.12 mm的絮状污泥的水通量的2.25倍和9倍[13]。

MBR中膜污染的形成是反应器中所有固体和液体部分共同作用的结果。较大直径的污泥在膜表面形成的松散结构的滤饼层在膜过滤过程中能起到缓解膜污染的作用。当颗粒污泥自身所引起的膜污染，胶体和可溶有机物造成的膜污染，以及颗粒污泥对胶体等的截留作用三者达到平衡时，过滤中水通量将不随污泥浓度的变化而变化。Liu和Sun在反硝化颗粒污泥微滤特性的研究中指出，当颗粒污泥浓度从5 g/L增加到13 g/L时，水通量、总阻力、特别滤饼层阻力均不变[14]。

2 上清液特性对膜污染的影响

上清液是指混合液中污泥沉淀后较清澈的部分,主要成分包括各种小直径颗粒物、胶体物质、有机物和溶解性胞外聚合物。上清液中的有机物包括可降解的残余物和进水中的难降解有机物、中间产物、最终产物或由于各种反应产生的复杂有机物。

与污泥相比，MBR中的上清液对膜污染的贡献非常显著。Chang和Kim在比较浸没式膜生物反应器和活性污泥二沉池出水的膜过滤三级处理效果时发现，尽管经过二沉池的沉淀，上清液中的混合液悬浮固体浓度只有浸没式膜生物反应器中活性污泥的1.5%，然而经过100 h的连续过滤，过滤二沉池出水引起的总膜阻力是浸没式膜生物反应器的2倍[9]。在研究设有孔径为0.1 μm纤维膜的MBR的过滤特性时，Bouhabila等报道了当MLSS浓度为20.7 g/L，SRT为20 d的MBR上清液对总膜阻力的贡献是76%[15]。相似的现象还包括：Iritani发现在活性污泥的过滤中，上清液对膜污染的贡献是100%[16]；Liu和Sun报道3种粒径不同的反硝化颗粒污泥上清液对混合液微滤过程中的总膜阻力的贡献为141% ～ 147%[14]。

需要指出的是上清液对膜污染的影响与MBR中微生物、污泥特性，以及上清液的成分等的整体特性有关。例如相同操作条件下，上清液在5 g/L反硝化物颗粒污泥在0.22 μm硝化纤维膜的过滤中对总膜阻力的贡献是68.9%，而在絮状反硝化污泥的混合液过滤中对总膜阻力的贡献则为17%[13]。在颗粒污泥形成过程中，由于微生物分泌的胞外聚合物对污泥和上清液中的胶体和有机物等有很强吸附粘合作用，因此颗粒污泥上清液中的含量比絮状污泥少，由此引发的膜污染程度也较轻。

上清液对膜污染的主要贡献有2部分：一是在膜表面形成致密的粘性较大的凝胶层，二是在膜孔中由吸附形成膜孔阻塞。过滤过程中膜污染程度和上清液中的微粒、胶体和溶解性胞外聚合物中的含量、浊度和粒径分布相关。反硝化颗粒污泥上清液滤过性的研究报道，总膜阻力随上清液中有机物、胶体和可溶性胞外聚合物含量的增加而增加。上清液中粒径在2.7 μm以上颗粒物对膜污染的主要贡献是凝胶层的形成；粒径在0.22 μm以下的颗粒物对对膜污染的主要贡献是膜孔阻塞；而介于0.22～2.7μm之间的颗粒对膜污染的主要贡献同时包括凝胶层的形成和和膜孔阻塞。

文献中上清液对膜污染贡献的不同与上清液的分离方法有关，因为不同方法所分离出来的上清液的具体成分和各成分的含量不同。如由自然沉降15 min所得的上清液中所含的主要成分为细颗粒、胶体和可溶性胞外聚合物，对总膜阻力和特别滤饼层阻力的贡献为147%～312%[117]；用5 000 r/min离心20 min所得的上清液中的主要成分为胶体和可溶性胞外聚合物，过滤中对特别滤饼层阻力的贡献是100%[18];重力沉降24 h所得的上清液的主要成分为胶体和可溶性物质，对总膜阻力的贡献则为48%[19]。

3 胞外聚合物对膜污染的影响

胞外聚合物是微生物在新陈代谢过程中分泌出的成分复杂的聚合化合物质，其主要成分包括多聚糖、蛋白质、氨基酸和核酸等。黏着在微生物细胞壁外的聚合化合物称为附着性胞外聚合物，而溶解在上清液中的则称为可溶性胞外聚合物。胞外聚合物对膜生物反应器中膜污染的形成发挥重要作用，是影响膜生物反应器膜滤过性的重要因素之一。

附着性胞外聚合物中的蛋白质已经被证实可以增加微生物之间的黏着力，促进絮状污泥、甚至是颗粒污泥的形成，同时还有防止絮状污泥或颗粒污泥分散的作用。胞外蛋白质的增加有助于减少微生物表面所带的负电荷，使微生物表面呈电中性，有助于形成结构紧凑的絮状污泥或颗粒污泥。絮状污泥或颗粒污泥在膜表面形成的滤饼层结构松散，从而增加了滤饼层的可滤过性。这样的滤饼层有预过滤的作用，减少上清液在膜表面形成凝胶层，降低膜阻力。由絮状污泥或颗粒污泥形成的滤饼层和膜表面的附着力较小，容易被水力冲刷去除。

可溶性胞外聚合物与附着性胞外聚合物在膜污染的形成过程中起相反的作用。可溶性胞外聚合物是影响膜污染和膜孔阻塞的主要因素。可溶性胞外聚合物浓度的增加将造成上清液粘度的增加，这种高粘性的聚合物以吸附的形式在膜表面积累，形成薄而致密的黏膜状的凝胶膜，严重降低水通量。更重要的是，这种聚合物改变膜表面的吸附性，使之更容易被生物附着，更容易形成致密滤饼层，滤饼层的不断累积最终导致严重的膜污染[20]。

4 结论

膜生物反应器中膜污染的形成和水通量的变化与污泥浓度、污泥特性、胞外聚合物、上清液浓度，粒径分布相关，在研究膜污染机理时，不能只着重于其中的某一点，而应该全面地研究各种影响因素之间的相互关联，最终找到影响膜污染的真正原因，对膜生物反应器的运行起到指导作用。在利用膜生物反应器进行废水处理与回用时要充分考虑这些方面，在维持低膜污染的情况下，达到最佳处理效果。

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〔责任编辑 杨德兵〕

Investigation of Membrane Fouling Mechanisms in Membrane Bioreactors

LIU Ya-juan,ZHAO Jian-guo
(School of Chemitry and Environmental Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

Membrane bioreactor(MBR)is a combination system of a biological reactor and a membrane filtration module for municipal and industrial wastewater treatment.The major obstacle for the wider practical application of MBR systems is membrane fouling which causes the rapid declination of permeate flux and low permeate quality.In order to find the best way to control the membrane fouling，this article reviews the factors influencing membrane fouling.It shows that membrane fouling is related to the physicochemical properties of membrane,such as material,pore size,hydrophobicity and surface charge,whereas it is also controlled by the characteristics of feed solutions,mixed liquor suspended solids concentration,morphology of sludge,surface charge,characteristics and composition of supernatant and extracellular polymer substance，etc.

membrane bioreactor;biofouling;extracellular polymer substance;supernatant;granular sludge

X506

A

1674-0874(2016)03-0036-04

2016-04-08

山西大同大学博士科研启动经费[2014-B-14]

刘雅娟（1974-），女，山西大同人，博士，讲师，研究方向：环境工程。