膜法水处理中膜污染的化学控制研究进展

郑智华 宗天宇

摘 要：膜生物反应器（MBR）结合了生物反应器有效去除有机物及膜组件优质出水的优点，广泛应用于城市污水和工业废水处理领域。膜污染问题是阻碍MBR技术进一步发展和应用的瓶颈。因此，对膜污染的分析研究尤为重要。为此，首先，简介了膜污染的定义、作用机理、特点、类型和表征。然后，对膜污染的影响因素，尤其是EPS、SMP、水力条件和膜材料进行了分析。接着，从水力、化学和生物三方面阐述了膜污染的控制措施。最后，展望了膜污染控制的研究方向与前景。

关键词：膜过滤;化学法;膜污染控制

引言

膜过滤是一种高效的水处理技术，然而膜污染限制了其推广应用。膜污染可降低膜的使用性能，并使处理成本增加，因此减轻和控制膜污染至关重要。目前，控制膜污染的方法一般分为物理法、生物法和化学法。物理法是利用膜同目标污染物的相对运动使污染物质从膜上去除，包括正冲洗、曝气和反冲洗等;生物法主要是借助杀菌剂去除膜表面或膜内附着的微生物。化学法包括化学改性、电化学辅助和化学清洗等，其对膜的不可逆污染具有良好的反馈表现。膜法水处理中，当膜内污染物逐渐累积后，可以使用化学方法对其进行有效控制。化学法可使膜通量恢复良好，使膜的化学结构保持完整，即不会因较高强度的机械运动造成膜结构的损坏。化学法控制膜污染是当前膜污染控制研究的热点。笔者介绍和概括了化学法控制膜污染的最新研究进展，总结了化学控制膜污染的主要技术手段，阐述了其主要技术原理及应用領域，并对该方法的研究重点和方向进行了展望。

1膜污染概念及污染机理

膜污染是指在MBR工艺运行过程中，废水中的微粒、微生物新陈代谢过程中产生的胞外聚合物（EPS）和溶解性产物（SMP）等在各操作条件下，通过相互作用在膜表面或膜内部沉积，改变膜孔径及膜面结构，通常利用单位时间单位面积产水量和膜两侧压力的差值（TMP）表征膜的污染状态。膜的污染机理比较复杂，依据目前对于MBR工艺在实际应用与实验过程中的研究，造成膜污染的主要原因有：（1）浓度极差：进行泥水分离过程中，靠近膜表面的截留物浓度远大于反应池中各物质的浓度，使两者之间形成浓度梯度，进而膜表面截留物质向原水中进行扩散，形成边界层，增加流体阻力，降低膜通量;（2）有机物污染：由于膜内部氧含量较低，膜表面吸附的有机物不能得到快速分解，长期在缺氧条件下，形成黑色物质;水中金属离子与水中大分子物质相互作用，黏附在膜表面，形成膜污染;微生物分泌的EPS具有一定的黏附性，在水力条件作用下，吸附在膜表面或内部，增强膜污染;（3）无机物污染：水中金属离子除了与大分子有机物的相互作用，其本身由于膜自身的高效截留作用，会在膜表面和内部吸附结垢，使膜孔径变窄，形成膜污染;（4）微生物污染：膜分离与污泥法的结合，不可避免的使微生物接触膜表面，进而吸附形成生物膜，产生膜污染，同时由于微生物的老化，分解出大分子物质，加剧了污染膜的程度。

2膜污染化学控制技术

2.1电化学抑制

电化学抑制法主要针对具有一定电导率的处理水。在进行膜过滤时，按一定时间间隔施加电场，膜表面及其附近的带电粒子或分子就会在电场辅助作用下沿电场方向发生迁移，由此可以去除在膜表面沉积的带电污染物，控制膜污染，提高膜过滤效果。利用2个浸没在膜模块周围的圆柱形穿孔电极可以将电化学过程整合到膜生物反应器（membranebioreactor，MBR）中，穿孔电极形成的电场在MBR系统中可起到一定辅助作用，使出水水质得到提高，膜污染受到抑制。相比于其他化学控制法，该方法的能耗相对较高，因此如何降低能耗是一个关键性问题。可以采用周期性施加电场及合理组合资源的方法降低能耗。以污水为基质制备了微生物燃料电池，该电池能够产生生物弱电场，而利用产生的电场可以控制松散胞外聚合物中多糖类的小分子污染物，从而在能耗较低的条件下有效地抑制了不可逆的膜污染。目前，关于利用电化学来控制膜污染的相关研究还较少，但是电化学抑制仍不失为控制膜污染的一种手段及研究方向，该方法的应用具有很大前景。

2.2组合处理

化学控制技术中的组合处理是利用多种工艺的有效组合来提升对膜污染的控制效果。单一的化学工艺常因方法的局限性造成膜污染去除得不彻底，导致出水水质不及预期和处理成本增加等问题。多种工艺组合能够强化对膜污染的控制，因此该方法具有非常广泛的应用前景。目前，化学控制膜污染中的组合处理主要采用氧化、混凝或超声分解之间的复合应用。采用高锰酸钾预氧化强化混凝的方法来控制膜除藻工艺的膜污染，结果表明，高锰酸钾可有效地与有机物反应，破坏了胶体表面的有机物涂层，起到了压缩双电层的作用，并且中间产物可以吸附藻细胞和有机物，使混凝效果得到大幅提升，该组合工艺有效控制了膜污染。采用高锰酸盐预氧化和铝盐混凝的组合工艺，也可有效控制由藻类细胞外有机物（EOM）引起的超滤膜污染。将臭氧氧化和超声分解进行组合作为膜生物反应器前的预处理工艺，可以有效去除双氯芬酸、磺胺甲恶唑和卡马西平等药物（去除效率68%～80%），并对MBR中的微生物代谢产物产生影响，从而可有效减少膜污染。在一定的条件下，使用紫外光辐射和混凝组合也可以有效抑制膜污染。

结语：

在膜污染的控制中，化学法操控良好，处理高效，在该领域被广泛应用。膜材料化学改性和电化学辅助可有效抑制膜污染，但需要考虑膜材料成本和运行能耗等问题。选择合适的药剂进行化学清洗，可使受污染膜再生。针对具体膜污染的特性，选用多种工艺组合往往较单一工艺具有更好的效果。在考虑化学控制膜污染的效果和实用性之外，今后在该领域还可以在以下几方面进行拓展和深入研究：（1）探究水处理过程中的膜污染机制及膜污染特征，为化学控制膜污染方法的合理选择提供依据;（2）加强对化学控制法中组合处理工艺的研究，合理有效地利用组合处理工艺提高膜污染控制效率;（3）建立化学控制膜污染中处理水的风险评价体系，实现对不同处理水风险评价的预测及分析，避免二次污染。

参考文献：

[1]岳鹏，丁昀，杨庆，等.超滤技术在城镇给水处理中的研究进展与应用[J].净水技术，2017，36（4）：36-42.

[2]李方，李佳峰，赵永军，等.亲水聚合物改性微滤膜在膜生物反应器中的膜污染研究[J].环境科学学报，2016，36（6）：2005-2012.

作者简介：

第一作者：郑智华（1998.7-）男，汉族，学生，浙江省舟山市，单位：郑州大学水利与环境学院，专业：给排水科学与工程

第二作者：宗天宇（1998.4-）男，汉族，学生，河南省杞县，单位：郑州大学水利与环境学院，专业：给排水科学与工程