膜生物反应器中膜污染问题的研究新进展

毋海燕

（上海同济环境工程科技有限公司，上海市200092）

0 引言

膜生物反应器 (Membrane Bioreactor,简称MBR)是集生物降解和膜的高效分离于一体，是膜技术和污水生物处理技术有机结合的高效污水生物处理工艺，20世纪60年代起源于美国。其工作原理是利用反应器的好氧微生物降解污水中的有机物，同时利用硝化细菌转化污水中的氨氮，随后利用中空纤维膜进行高效的固液分离出水。由于它具有较好的出水水质、较低的污泥产率、相对独立的污泥龄和水力停留时间、较高的污泥浓度，以及占地面积小等诸多优势，MBR在污水处理领域的应用范围和规模日益扩大，特别是对水质要求较高的污水回用等领域[1]。然而，由于膜种类繁杂，性质各异，膜污染依然是阻碍MBR大规模应用的重要因素之一。因此，对影响膜污染的因素进行研究，有助于了解膜污染的过程和机理，以便采取有效的措施控制膜污染，充分发挥膜法水处理的优势。

近年来，针对膜污染问题及控制有许多专家学者开展了相关的研究。针对膜污染的影响因素的研究主要集中在对污泥絮体尺寸及性质[2]、污水特征[3]、膜材料和工艺[4]、运行条件 (SRT（Solid Retention Time，污泥停留时间）、HRT（Hydraulic Retention Time，水力停留时间）、溶解氧和F/M比率（Food to Microorganism ratio）、曝气强度和膜清洗)等的调整优化方面[5]。另有研究发现，丝状菌的过度生长也是造成膜污染急剧恶化的原因之一[6]，可通过改变菌体性质及组成，实现对膜污染的控制。

随着污水处理出水水质标准的提高，尤其是回用水使用率的逐渐普及，系统化分析膜污染机理并有效控制对MBR的大规模应用至关重要。本文结合膜污染的发展现状，系统总结了膜污染的定义、机理、特点、影响因素，并且针对性地提出了膜污染的有效控制措施，对MBR膜污染研究及控制前景进行了展望。

1 膜污染

1.1 膜污染的定义及污染机理

膜污染是由于悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔隙和孔隙内壁，从而造成膜通量降低的过程。

膜表面存在以下过程：（1）溶质和胶体吸附于膜上或膜空隙内；（2）污泥絮体附着在膜表面；（3）膜表面形成凝胶层；（4）在剪切力作用下污染物的脱离；（5）长时间运行过程中污染物组分的改变。当污染物脱离的速度小于附着的速度时，膜表面的污染物就会越积越多，污染物覆盖在膜孔表面或内部，使水无法透过膜，造成膜通量的急剧下降。此时如果无法及时清洗或更换膜，将会造成膜污染并不断恶化。

1.2 膜污染物的类型

膜污染物的类型及各自特征[7]见表1所列。

表1 膜污染物的类型一览表

1.3 膜污染的新型表征

膜污染的表征对于判断膜污染的结构及形态进而控制膜污染非常重要，尤其是采用一些新型的表征方法[8]，见表2所列。

表2 膜污染的新型表征方法一览表

2 膜污染的影响因素

2.1 EPS（Extracellular Polymeric Substances,胞外聚合物）

EPS是造成膜污染的最主要原因，包括结合性和可溶性EPS。结合性EPS包括细胞表面或细胞外的蛋白质、多糖、核酸、脂肪和腐殖酸等。可溶性EPS和SMP本质上是相同的，都是基质新陈代谢和微生物腐败后产生的有机化合物[9]。

污泥负荷、HRT和有机负荷也是影响EPS产生的重要运行参数，提高HRT，即降低有机负荷和F/M，可以减少EPS的产生，有效地控制膜污染。另外，曝气强度、溶解氧和营养物质也会影响EPS的产生，保持一定的曝气强度、溶解氧浓度、充足的营养及控制丝状菌膨胀是控制EPS的重要条件。

2.2 SMP（Soluble Microbial Products，溶解性微生物产物）

SMP是基质新陈代谢和生物量腐败过程中产生并释放进入溶液中的一些有机化合物，它是造成膜污染的另一个重要原因，更容易在膜中积累，导致膜过水能力的下降。许多研究结果表明，污泥混合液、上清液中的溶解性及胶体物质对膜污染阻力的贡献占到20%～90%。SMP对膜污染的影响主要来自SMP浓度、膜材料和运行条件的变化。由于SMP与膜孔大小相当或小于孔隙，因此它既能在膜表面积累形成污染层，也能渗入膜孔内堵塞膜孔。

对SMP的控制可采取两种途径：优化运行参数（如SRT、HRT、DO浓度、温度和曝气强度等）和投加吸附剂或混凝剂。

2.3 水力条件

以淹没式MBR为例，讨论水力条件对膜污染的影响。

在淹没式MBR中，曝气强度及气泡大小、膜结构、悬浮污泥浓度和污泥黏性等都会对水力状态产生不同的影响，需要定时反冲洗以改善水力条件，缓解膜污染。保持较高水平的HRT、SRT和较低的悬浮物浓度、黏度、F/M、EPS、SMP是缓解膜污染的重要手段。

2.4 膜材料及组件

不同材料的膜由于具有不同的膜特征，如孔径大小、孔隙率、表面电荷、粗糙程度，以及亲水或疏水性等（见表3），膜的性能差别很大，膜组成的膜组件不同，从而使各种膜抗污染的程度各异，大大影响了膜污染的形成[10]。

一般认为，孔径大小、污染物和膜之间的亲和力大小均会影响膜污染。另外，无机膜（如铝、锆和钛的氧化物等）在对水力、高温和化学作用等作用下也可能引起膜的无机污染。一些低价膜，如无纺布、筛孔材料等，可通过改进它们的亲水性、表面电荷等改善其抗污染能力。

总之，经济、高通量和抗污染的膜是今后MBR技术大规模应用的必要条件，这就要求膜材料的发展必须具备较窄的膜孔大小分布、较强的亲水性能及更多的空隙数量等。

表3 国内外主要MBR膜组件及有关性能参数表

3 膜污染的控制措施

3.1 水力控制

水力控制即为通过调控处理过程中的水力条件到一定的值，以达到控制膜污染目的的一种控制措施。目前可控的水力条件主要包括HRT、曝气强度、周期性反冲洗等。

过低的HRT会导致污泥黏度的增加，从而导致EPS上升，膜污染加剧，因此控制HRT在较高水平能有效控制EPS生成。但在实际工程中，HRT决定了反应器的容积和占地面积，即它的经济性，因此，保证出水水质前提下最短的HRT具有重要的现实意义。

曝气强度也是影响膜污染的一个重要因素。合适的曝气量是合理控制膜污染的重要前提。周期性反冲洗是延长膜使用寿命的关键。在实际工程中，既要保证反冲次数，以延长膜的使用寿命，又要考虑反冲洗造成的净过流量的减少，即处理水量的降低。

3.2 化学控制

化学控制即通过采取化学手段，主要包括：投加粉末活性炭、絮凝剂或混凝剂，以及化学强化的反冲洗等达到控制膜污染的目的。

粉末活性炭具有其较大的比表面积和较强的吸附能力，使得它能够有效降低混合液中的EPS浓度，去除部分难溶性污染物，对膜污染的控制有显著效果[11]。

投加絮凝剂或混凝剂能有效去除有机污染物[12]。与粉末活性炭不同的是，它主要通过吸附架桥或电中和作用来聚集并去除污染物，同样也能有效控制污染的恶化。

化学强化的反冲洗能够克服一般的物理反冲洗对污染物的去除效果的有限性，打断污染物与膜之间形成的牢固化学键，去除那些物理反冲洗难以去除的物质。通常用于化学清洗的试剂有次氯酸钠、稀碱、稀酸、酶、表面活性剂、络合剂和氧化剂等，不同种类的膜要选择不同的清洗剂，如酸类清洗剂可以用于去除矿物质及DNA；NaOH水溶液适宜去除蛋白质等。

3.3 生物控制

生物控制主要是通过控制生物量、污泥特性或是某些微生物来达到控制膜污染的目的。本文主要介绍对SRT、MLSS、丝状菌等的控制。

与前面讨论的一样，EPS和SMP是引起膜污染的主要原因，它们的产生与SRT密切相关，SRT的增加能降低EPS和SMP的产生，因此，在保证除磷效果的同时，可控制SRT在较高水平，以减缓膜的污染。

MLSS的减小能提高膜的过流能力，降低凝胶层的污染程度，因此在MBR系统中不宜采用过大的MLSS。

丝状菌过度生长是造成膜通量突然恶化的重要原因之一，其快速增殖时，抽吸压力的增长速率加快，膜的稳定过滤时间大大缩短。因此，控制丝状菌的增殖能有效地减轻膜的污染。在实践中，控制丝状菌膨胀的主要方法有增加生物选择器、优化运行条件、投加絮凝剂和氯及提供充足的溶解氧等，而当丝状菌膨胀爆发时，最有效的控制措施是投加絮凝剂和氯。

此外，合理选择膜组件、对混合液进行预处理，以及开发新型耐污染易重复利用膜材料等也是膜污染控制的一些有效措施。

4 MBR中膜污染问题的研究方向及前景

虽然膜生物反应器具有出水水质好、污泥产率低、相对独立的污泥龄和水力停留时间、污泥浓度高，以及占地面积小等诸多优势，但是膜污染问题制约了膜生物反应器的进一步发展。膜污染问题的突破是关系到MBR系统提升竞争力，进一步拓展应用的关键，但目前仍存在诸多研究和发展的挑战，主要有以下几点：

（1）针对膜污染的不同类型，利用CFD及组合软件模拟，以及分子生物学、显微可视化等方法，分类探究不同废水中膜污染复杂的形成机理，通过各种影响因素的联合调节，实现在线精确控制。

（2）开发研制更经济、强度高、抗污能力更强、易清洗、能适应高温、高pH和抗溶剂、抗氧化、可重复使用、使用寿命更长的新型复合材料作为MBR系统的膜组件。

（3）通过化学氧化处理、等离子体处理、经典有机反应、聚合物接枝等[13-16]膜材料的表面修饰方法提升膜的抗污染能力。

（4）从微观角度出发，培养驯化抗污染的微生物种群，提升膜生物反应器中膜的抗污染能力。

（5）对待处理废水进行预处理或对MBR工艺进行优化或开发新型组合工艺缓解膜污染。

（6）采用机械防护、向MBR反应器中投入物质改善污泥特性等辅助措施降低膜污染。