膜生物反应器的膜污染及防治措施

冯 霞

（无锡市博雅汇环保科技有限公司,江苏 无锡 214000）

膜生物反应器（MBR）,是生物降解技术与膜分离技术集于一体的生物化学反应系统。该系统利用超微滤膜组件作为分离单元,替代原污水过滤模式的二级沉淀池和砂滤池,不仅提高了污水处理系统的出水水质和处理效率,而且有效降低了处理水中的氨、磷和有机物的含量。当前,MBR在世界范围内应用广泛,但该项技术存在膜污染问题,对系统的稳定运行、膜的清洗周期和更换频率有重要影响,也决定着MBR系统的经济性。因此,有必要对膜污染的机理和防治措施进行研究,提升膜的使用寿命,保证MBR系统能够长期稳定的运行。

1 膜污染的形成机理和影响因素分析

1.1 膜污染的形成机理分析

MBR系统膜污染,是污水中的可溶性物质或悬浮物等,以堵塞、吸附、滤饼或沉淀等形式,在膜孔内部或表面形成沉积,影响膜的过滤能力。MBR系统在处理污水的过程中,导致膜污染的因素较多,分别会在膜过滤的不同阶段引起膜过滤压力（TMP）的变化,对膜污染产生重要影响,如图1所示。

图1 膜过滤压力与过滤时间

从图1中可以看出,第一阶段TMP随过滤时间快速上升,这是由于在负压抽吸作用下,污水中的胶体等小颗粒快速迁移,部分悬浮胶体颗粒堵塞膜孔,使膜过滤压力急剧上升；第二阶段,随着过滤时间的延长,污水中污泥絮凝体随水流贴附于膜表面。由于其粒径较大,迁移速度慢,沉积于膜表面也较慢,某种程度上,也阻挡了后续小颗粒胶体的移动,膜过滤压力随过滤时间缓慢增长；第三阶段,在负压抽吸作用下,膜表面附着的污泥层被逐渐压密,膜压力会急剧增加。

1.2 膜污染的影响因素分析

（1）膜自身属性影响。膜自身的属性包括膜材料的亲水性、表面粗糙度、孔隙率、电荷性质、孔径大小等。根据行业内人员研究发现：亲水性好的膜材料受吸附的影响较小,膜通量更大；表面粗糙度较高的膜,其表面周围水流的扰动性较大,进而影响膜面的凝胶层,吸附污染物的机率更高；污水混合液中的颗粒尺寸及其性质,对膜孔径有重要影响,孔径大的膜不一定会有高的膜通量。例如,在相同条件下,0.05μm孔径的膜要比0.4μm孔径的膜通量大。混合液的电荷与膜表面电荷相同时,膜通量会增加。而带负电荷的陶瓷膜,其膜通量要比带正电荷或不带电荷的膜大。

（2）混合液成分的影响。污染混合液含有的成分复杂,对膜的污染主要有以下几类：溶解性有机物质浓度、悬浮物固体浓度、胞外多聚物（EPS）浓度、粒度分布等。溶解性有机物质和固体悬浮物是膜污染的主要因素,据有关学者研究发现,可溶性物质、胶体和悬浮物对膜污染的影响可达5%、30%和65%,当混合液中这两种物质的浓度过高时,抽吸压力随之增加,会对固液分离产生不利影响,膜通量也会随其浓度的增加,呈线性降低；EPS是一种微生物细胞产出的高分子粘性物质,其主要成分是糖、蛋白质和核酸。研究发现,混合液中EPS的含量与膜污染呈线性关系,曝气池和膜上同时会积累EPS,增加过滤阻力和混合液粘度,降低膜的通量；混合液中粒度分布状态对膜污染也有较大影响,据研究发现,膜上沉积的较大粒子不会对膜造成较大影响,反而是与膜孔相近的粒子沉积,才会控制膜通量,引起严重的膜污染。颗粒尺寸与膜阻力的Carmen-Kozeny关系式表达为：Re=180（1-ε）/（ρ.dρ2.ε3）.ν.Cb,其中：Re—滤饼层阻力,m-1；ε—滤饼孔隙率；ρ—颗粒密度,g/L；dρ-颗粒直径,m；ν—渗透通量,L/m2；Cb—挥发性悬浮物固体质量浓度,g/L。由关系式可以看出,滤饼层阻力与絮体尺寸有直接关系,絮体尺寸越小,滤饼层的阻力越大。在过滤过程中,泵对混合液产生的剪切力,会破裂生物絮体而产生细小的细胞或胶体,最终在膜面形成致密的滤饼层。

（3）操作条件的影响。膜的临界膜通量是决定膜污染的重要影响因素,MBR系统正常运行时,实际膜通量会低于临界膜通量,即次临界膜通量。据研究发现,当次临界膜通量接近临界通量时,操作压力会迅速增加。当操作压力小于临界压力时,膜通量提升明显,达到或高于临界压力时,膜通量不再有较大变化,但此时会加剧膜污染；错流流速（CFC）,所产生的剪切力会影响混合液中颗粒的扩散能力,对膜面形成的滤饼层厚度有重要影响。据研究发现,膜通量与CFC大小有直接关系,并随之增加。当膜面流速达到临界值时,膜的过滤能力不再随CFC增大而显著增加,过大的CFC产生的剪切力,将破碎混合液中的悬浮物颗粒,增加细小颗粒的数量,增加滤饼层的厚度,从而造成更严重的膜污染,降低系统运行的稳定性；水力停留时间的长短,会导致混合液悬浮固体浓度和有机负荷变化,间接引起膜污染。固体停留时间,将影响混合液中污泥的产量和成分,较长的固体停留时间,将会明显增加污泥浓度,混合液的粘度也会增加,从而加剧膜污染。而较低的固体停留时间,将会增加混合液中颗粒的粒径；提升操作温度,会改变料液的粘度,有利于分离膜面上污染层和膜的通透性能。

2 膜污染的防治措施研究

2.1 改善膜的性能

MBR系统选用的膜材料,主要是依据混合液的酸、碱等特性,以及膜的亲水性、膜通量、膜孔径等,目前主要有聚乙烯、聚砜、聚丙烯、聚矾、聚偏氟乙烯等材料。改善膜的性能措施,主要包括：开发新型高通量的无机膜,通过使膜荷电或提高膜的亲水性,以改善膜通量和抗污染性能等。在具体膜材料选用方面,行业内很多学者做过实验研究发现：在生活污水处理方面,憎水性膜的压力增速约为亲水性膜的2倍,污染速率高于亲水性膜,聚丙烯类膜的出水量和抗污染性能,优于聚砜膜；利用丙烯酸化学改性聚砜膜表面后,其膜通量提高两倍,截留和抗污染性能也都有明显提升；采用低温等离子技术,可减少聚砜膜表面的净电荷,其膜通量可增加约25%,污染机率降低约49%；氟化聚矾膜,使F和O元素添加到膜表面,可明显改善膜表面的亲水性,提高膜的抗污染能力；采用Al2O3烧结体作为支撑材料,尖晶石作涂层,再利用溶胶-凝胶方法制作的无机膜,其膜通量比有机膜高3～4倍,反冲周期约4～8个月；利用吐温20的物理吸附技术,可明显改善膜的亲水性能,提高膜的抗污染能力。

2.2 混合液中投加填料

在污水处理工艺过程中,增加投放吸附剂、添加剂、絮凝剂等预处理措施,改善混合液特性,对膜污染的防治有很大的作用。常用的吸附剂包括活性炭、沸石等,通过向混合液中投放活性炭粉末,可吸附绝大部分的悬浮胶体颗粒和有机溶质,有效延长膜的使用寿命。但要根据实际情况,适当添加活性炭粉末量,否则,非但不会降低膜污染几率,反而会以另一种污染物的形式加重膜污染；絮凝剂的作用是将混合液中大量的胶体颗粒等较小的颗粒物质,吸附于絮凝体内部或表面,改善污泥的絮凝性能,增大污泥粒径,减缓膜污染。常用的絮凝剂分为有机和无机絮凝剂,有机絮凝剂如壳聚糖、聚丙烯酰胺等,可增大污泥颗粒的粒径；无机絮凝剂如氯化铁、硫酸铝等,可改善污泥絮凝体表面的疏水性。但使用絮凝剂会产生副产物,有些副产物会对膜构成新的污染,因此,要根据混合液的具体情况,选择不同的絮凝剂。

2.3 优化操作条件

操作条件是影响膜污染的直接因素,主要包括膜通量和操作压力、错流流速、水力和固体停留时间、运行温度等。据有关研究表明,在操作过程中,恒定的膜通量和操作压力,能够避免膜面被过度污染,有利于系统的稳定运行；MBR系统运行过程中,可利用（30～100）：1的气水比,适当增加曝气量紊动水流并产生大量气泡,穿过中空纤维膜组件,可阻止污泥聚集并实现膜表面清洗；连续运行的MBR系统,膜面滤饼层和凝胶层将不断加厚。采用间歇出水方式,利用停止抽吸时间内的上升气液冲刷膜表面,使污染物脱离膜表面,可减轻膜污染；温度每升高1℃,可改变膜孔径和膜面污泥层厚度,膜通量增加约2%,但温度不能太高,否则会影响坏微生物活性；有国内学者建立了污泥沉积速率影响公式：K=（8.933×107）·X0.532·J0.376·uLr-3.047,K-污泥沉积速率,X-污泥浓度,J-膜通量,uLr-膜间液体上升流速,由该公式可对膜污染情况进行分析和预测。

定期冲洗膜组件,可有效改善膜通量,冲洗方法包括物理、化学以及物化联合法。物理清洗方法,是利用系统的正方向或变方向冲洗、振动、排气冲水、空气喷射等机械方法,将污染物从膜面或膜孔内清除；当膜面形成凝胶层或膜孔堵塞时,化学清洗方法效果显著。但是,化学清洗会影响反应器内的微生物,造成二次污染。因此,在实际运用过程中,应尽量避免采用化学清洗；超声波清洗,是利用超声波脉冲所产生的高能量,破坏膜表面与吸附物质的连接,并松散吸附颗粒,去除膜表面沉积层的方法；在MBR系统膜组件上施加电场,可使混合液中的带电粒子或分子沿电场方向移动,在不中断系统运行的情况下,通过定期对膜组件施加电场形成电脉冲,能够有效控制膜污染。例如,处理印钞废水的MBR系统膜组件,可采用0.7%的NaOH、0.8%的Na2EDTA、0.3%的磺化油和98.2%的去离子水混合液,以50～60℃且1.5m/s的速度循环冲洗20～30min后,即可清除膜表面污染物并恢复膜通量；定期对膜组件用高浓度柠檬酸或次氯酸钠反冲洗,再用透过水冲洗,可降低膜表面滋生的微生物含量等。具体采用哪种反冲洗方式,需要结合混合液特性及操作环境决定。

但是,据有关行业研究显示,单独采用一种膜清洗方法,往往不能取得理想的清除效果。例如：采用酸或碱化学清洗法,虽然可以降低膜面或膜孔内滤饼或颗粒的粘附性,但无法彻底清除膜上的颗粒或滤饼。而采用物化联合方法,膜的清洗效果更佳,例如：超声波物理法反冲洗时,膜孔内的污染物不能彻底清除,但之后再采用化学法反冲洗,去污效果将明显提高；间歇性（15～30min）出水,在反冲水中加入低于5mg/L的氯,反冲洗30～45s,每天反冲洗的时间控制在45min,可降低膜表面滋生的微生物含量；正反向冲洗法,只能恢复部分膜通量,无法完全控制膜污染,但在系统运行一段时间后,可利用化学清洗法,提高膜通量并延长膜的使用寿命。

优化MBR系统组件,合理设计MBR系统的内部结构,减少结构内部的缝隙和死角数量,可有效避免微生物变质。合理的系统流道结构,可使水流及时带走被截留的物质,降低膜污染的几率。据有关行业研究显示,在膜组件的内部增加射流曝气器,可以提高紊流条件,减小膜面沉积层,保持膜通量稳定；系统采用密度较高的中空纤维微滤膜组件,能够有效提高对活性污泥混合液的过滤能力。

3 结束语

MBR具备很强的污水回用、废水资源化的处理技术,但在其推广应用过程中,深受膜污染问题困扰。若从改变膜的属性、投加填料、优化操作条件等环节,对膜污染过程加以控制,可使膜污染程度降至最低。但随着技术的进步以及膜污染技术的不断深入研究,膜污染的控制方法也会不断更新,因此,MBR的应用前景也将十分广阔。