曝气冲刷对膜生物反应器膜污染的控制机理研究进展*

汪 婧 张 翔 黄 乐 黄焕林 冯华军#

(1.浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江 杭州 310012；2.西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 610039；3.杭州归源环保科技有限公司，浙江 杭州 310012)

膜生物反应器(MBR)是一种新型高效废水生物处理技术，具有污染物去除效率高、出水水质稳定、占地面积小及剩余污泥量少等优点[1]。据统计，截至2019年我国MBR废水处理能力约达2 800万m3/d[2]153。但膜污染问题成了该技术进一步推广应用的瓶颈[3]，因此膜污染控制是MBR领域的研究重点和热点。

目前，膜污染控制方法主要有曝气冲刷、化学清洗、生物控制及电辅助除垢等。其中，曝气冲刷相对其他控制方法具有操作简单、不产生二次污染物等优点，但运行能耗较大。在实验室和工程应用规模下，MBR的比曝气量(SADm)差异较大，从0.23 Nm3/(m2·h)到1.72 Nm3/(m2·h)不等，最大相差约7倍[2]160，说明MBR曝气冲刷中的曝气操作条件还有较大的空间可以优化。

曝气对膜污染控制机理研究的缺乏使得曝气冲刷的优化缺乏系统理论指导[4-5]。基于此，本研究综述了曝气对MBR膜污染控制的流体力学和生物化学机理，以期为优化曝气冲刷技术提供理论参考。

1 流体力学机理

1.1 污染物的受力分析

MBR曝气条件下，膜表面不同流体状态区域，污染物颗粒的受力情况不尽相同。膜表面依据流体状态可分为溶液主体区和黏滞亚层区，其中黏滞亚层又可根据对污染物颗粒的主导作用力不同分为近场和远场，一般以距离分离膜0.1 μm作为分界线[6]。污染物颗粒在膜表面不同流体状态区域内的受力情况如图1所示[7]93。在溶液主体区，流体呈湍流状态，使得污染物颗粒与液体的运动状态相似，因此未在图上进行受力分析。在黏滞亚层区内，流体主要呈层流状态，污染物颗粒主要受到随机布朗力、极性力、范德华力、静电力、过滤产生的拖曳力和曝气引起的剪切力等作用，其运动状态由各种作用力的合力决定。在黏滞亚层区远场中，极性力、范德华力和静电力等界面力较小，污染物颗粒受到的合力取决于剪切力、随机布朗力和拖曳力[7]95。MBR中，随机布朗力对颗粒的作用要远小于剪切力和拖曳力，故剪切力和拖曳力是主导作用力[8-9]。而拖曳力的大小主要由过滤通量决定，一般变化较小。因此控制黏滞亚层区远场中剪切力对缓解膜污染、降低运行能耗具有重要意义。在黏滞亚层区近场中，极性力、范德华力和静电力等界面力合力要远大于其他力，特别是极性力，是污染物颗粒受到的主导作用力[10]。

污染物颗粒表面极性及膜组件亲水性等物理特性决定了黏滞亚层区近场的污染潜势，曝气冲刷对近场内污染物颗粒的影响不显著。因此，黏滞亚层区远场中剪切力是决定曝气对冲刷膜表面的污染物颗粒、缓解膜污染的最主导的作用力。

1—剪切力；2—静电力；3—随机布朗力；4—极性力；5—范德华力；6—拖曳力

1.2 剪切力表征及其主要影响因素

1.2.1 剪切力的表征

剪切力(通常用剪切应力表征)主要由曝气引起的气液运动状态所决定。由于曝气引起的气泡运动是非稳态的，导致剪切力会在一定范围内波动，因此在评价曝气对膜污垢的冲刷能力时，瞬时剪切力和平均剪切力同等重要。瞬时剪切力可通过剪切力计及嵌入式电极等进行测量[11-12]，其大小直接决定了能否去除膜表面的污垢。BOHM等[13]的研究表明，瞬时剪切应力大于1.5 Pa时能有效去除膜表面污垢。但瞬时剪切力难以表征膜整体受力情况。

由于气泡对不同膜组件冲刷机理不同，因此平板膜和中空纤维膜表面的平均剪切应力的计算方法也不同，分别见式(1)[14]和式(2)[15]。对于平板膜而言，剪切应力主要来源于气泡在膜间通道内的流态转换。当气泡进入膜间通道时，运动范围变窄，气泡流态从泡状流转变为柱塞流，从而剪切应力变大[16]。由于平板膜以通道中心为轴对称，故其平均剪切应力可通过膜右侧的剪切应力和通道中间的剪切应力来计算。曝气对中空纤维膜表面的平均剪切应力包括3个部分：(1)气泡上升引起局部液体流态变化产生的剪切应力；(2)气泡横向运动引起液体流动产生的剪切应力；(3)气泡横向运动直接产生的剪切应力[17]。

i1=(ic+2ir)/3

(1)

i2=ib+ia+id

(2)

式中：i1、i2分别为平板膜和中空纤维膜表面的平均剪切应力，Pa；ic为平板膜通道中间的剪切应力，Pa；ir为平板膜右侧的剪切应力，Pa；ib为气泡上升引起局部液体流态变化对中孔纤维膜产生的剪切应力，Pa；ia为气泡横向运动引起液体流动对中孔纤维膜产生的剪切应力，Pa；id为气泡横向运动直接对中孔纤维膜产生的剪切应力，Pa。

1.2.2 气泡形貌对剪切力的影响

在MBR中，根据气泡形貌可将气泡分为球状、椭球状和球帽状。球状气泡直径一般为1.5～3.0 mm，沿直线上升，无尾流区域；椭球状气泡直径一般为3.0～10.0 mm，绕一竖直轴呈螺旋状上升，尾部有大小接近气泡尺寸的涡流区；球帽状气泡直径一般为10.0～20.0 mm，上升过程中摆动明显，尾部具有比气泡尺寸大两倍以上的涡流区[18]。

气泡形貌主要由曝气器孔径和曝气量决定[19]187。气泡尺寸较大的球帽状气泡可使膜间较多区域形成湍流，增大剪切力[20]。因此，合适的曝气器孔径和曝气量不仅能降低能耗，还能通过产生球帽状气泡增大剪切力，缓解膜污染。

1.2.3 气泡流态对剪切力的影响

在MBR中，气泡流态由气泡与膜的间距所决定，主要分为泡状流和柱塞流(见图2)。当气泡尺寸远小于膜间距时，气泡流态以泡状流为主；当气泡尺寸接近或大于膜间距时，气泡流态以柱塞流为主[21]。为了定量区分不同气泡流态，通常采用喷射因子(见式(3))进行判断，当喷射因子小于0.2时为气泡流，当喷射因子0.2～0.9时为柱塞流[22]。

(3)

式中：ξ为喷射因子；UGS、ULS分别为气体和液体的流动速度，m/s。

图2 气泡流态类型

气泡流态不同引起的剪切力也不同。相对于泡状流，柱塞流的降膜区域内因液体无翻转运动的空间而能产生更大的剪切力，有利于去除膜表面污垢[23-24]，但当柱塞的长度过长时，会减小剪切力。此外，柱塞流尾流区域剧烈的二次湍流也能增大剪切力，可对膜表面污垢进行二次冲刷[25]。但上部的液流区域对剪切力的影响较小，可忽略不计。CUI等[26]认为，这与传质系数有关，在相同流量下，降膜区域和尾流区域的传质系数分别为1.952×10-5、1.191×10-5m/s，而液流区域的传质系数仅为4.275×10-7m/s。总体而言，柱塞流能有效增大剪切力，主要来源于降膜区域和尾流区域。

1.2.4 曝气条件的优化

气泡形貌和流态主要由曝气量、曝气器孔径、气泡与膜的间距及曝气间距、气泡产生频率等多种因素共同决定。曝气量、曝气器孔径、气泡与膜的间距的影响前文已述及。JANKHAH等[27]研究发现，增加曝气间距、增大气泡产生频率也均能缓解膜污染程度。但当气泡产生频率过快时，由于液流区域限制了前驱气泡流动速度，而尾流区域加快了后驱气泡流动速度，会使得气泡发生融合[28]。气泡融合会将后驱气泡的液流区域与前驱气泡的二次尾流区域转化为共同的降膜区域，从而影响膜表面污垢的去除效果[29]。

因此，优化MBR曝气量、曝气器孔径、气泡与膜的间距及曝气间距、气泡产生频率等各种曝气操作条件对提高曝气冲刷效果至关重要[30-31]。调控曝气量的大小能大幅度改变系统的平均剪切力，有利于膜污染的缓解[19]190。选择合适的曝气器孔径产生球帽状气泡，可以增大涡流区，防止污染物颗粒向膜表面迁移；控制气泡与膜的间距使其接近气泡的尺寸，有利于形成柱塞流；调整曝气器间距能使柱塞流气泡均匀分布[32]。调节气泡的产生频率，可防止气泡融合，进而缓解膜污染；合理布设曝气器也有助于膜污染的控制，如将曝气孔布设在膜组件的正下方能增大剪切力[33]。综上，调控各类曝气参数形成均匀分布的柱塞流流态的球帽状气泡，能提高膜污垢的去除效率。

2 生物化学机理

污泥混合液内的微生物与膜组件之间存在复杂的生物化学反应过程，微生物代谢产物也是膜污垢的主要来源，故污泥混合液的生物化学特性也是影响膜污染的重要因素[34]。SHEN等[35]提出利用污泥混合液来判断膜污染潜势，即计算30 min内过滤等量污泥混合液时过滤阻力随时间的变化斜率来表征膜污染潜势，斜率越大污染潜势越高，膜过滤性能越差。污泥混合液的生物化学特性影响因素与膜污染密切相关[36-37]。

2.1 曝气强度对污泥混合液生物化学特性的影响

曝气强度会影响污泥混合液的粒径大小。当污泥混合液粒径较小时，膜面滤饼层更致密，膜阻力更大。小粒径颗粒由于布朗扩散、剪切力诱导扩散和惯性提升等引起的净反向传输较小，在膜面上的沉积速率较快[38]。高强度曝气会导致污泥裂解，降低污泥絮体粒径，进而加剧膜污染。

曝气强度还会影响胞外聚合物(EPS)含量。EPS是微生物细胞分泌的一种黏性物质，对污泥絮体的形成起重要作用。高强度曝气的反应器内EPS总量相对较高[39]，高含量的EPS会与膜以化学键的形式紧密结合，从而改变膜的渗透特性，降低膜的过滤通量[40]。特别是，EPS内蛋白质含量会随着曝气强度的增强而增加[41]33，而蛋白质相较于多糖更容易被膜表面吸附。因此，高强度曝气会增加EPS总量和EPS中蛋白质含量，加剧膜污染。

此外，曝气强度对溶解性微生物产物(SMP)的影响也不容忽视。不同的曝气强度下，MBR中SMP一般都是先增加后减少，最后趋于稳定。这可能是因为MBR前期微生物分解基质，呼吸代谢作用增强，释放大量SMP；而后SMP的降解微生物得到驯化，SMP快速降解，从而SMP逐渐减少，最终达到平衡[42-43]。KUO等[44]进一步研究发现，MBR长期运行会导致中低相对分子量(小于1 000)的SMP向高相对分子量(大于10 000)转变。SMP的相对分子量与膜阻力之间具有显著正相关性，因此过高的曝气强度会增加高相对分子量的SMP含量，从而加剧膜污染[45]。

2.2 溶解氧对污泥混合液生物化学特性的影响

溶解氧是影响污泥混合液生物化学特性的重要因素。当溶解氧含量较低时，污泥混合液粒径减小，高相对分子量的SMP增加，进而增大过滤阻力[46-47]。

溶解氧含量还会影响EPS含量。当溶解氧小于1.0 mg/L时，MBR由好氧状态转为缺氧状态，产生大量EPS[48]。而当溶解氧大于6.0 mg/L时，微生物加速生长也会分泌大量的EPS[49]。因此，溶解氧过高或过低都会增加EPS含量，加剧膜污染。而且溶解氧较高时，EPS中多糖的含量会下降，这是由于微生物代谢活动增强，EPS中的多糖作为碳源被微生物首先降解[41]32。

但上述研究中，大多都是通过控制曝气强度来改变溶解氧含量的，这种操作条件无法排除剪切力对膜污染的影响[50]。虽有学者在保持剪切力一致的前提下研究了活性污泥在好氧和缺氧条件下对膜污染的影响[51-52]，但尚缺乏不同溶解氧浓度梯度对污泥混合液生物化学特性影响的系统研究。

3 总结与展望

通过分析流体力学机理发现，剪切力的增大有助于曝气冲刷MBR膜表面污垢。剪切力主要与气泡形貌、气泡流态等有关。均匀分布的柱塞流流态的球帽状气泡能增大降膜区域和尾流区域的剪切力，有利于去除膜表面污垢。但高强度曝气会减小污泥混合液粒径，增加EPS总量及其中的蛋白质含量和高相对分子量的SMP含量，加剧膜污染。因此，曝气冲刷对MBR膜污染的控制效果是由多方面因素综合决定的，应综合考虑优化条件，以提高膜污染控制效果。

基于以上综述，在曝气冲刷控制MBR膜污染领域，未来可在以下方向进一步展开研究：(1)控制和优化柱塞流的球帽状气泡产生方式，使这种气泡能稳定均匀的分布在反应器内；(2)通过生物化学机理深入研究曝气引起的剪切力和溶解氧浓度对污泥混合液特性的影响，确定临界曝气强度；(3)结合流体力学和生物化学机理，综合确定合适的曝气操作条件，以降低能耗、提高效率。