操作条件与膜生物反应器中膜污染的关系

2024-02-28杨非，杨丽

冶金动力 2024年1期

杨非，杨丽

（马钢集团设计研究院有限责任公司，安徽马鞍山 243000）

引言

传统活性污泥法的出水因不能直接回用，往往需要进行深度处理。21 世纪的工业污水处理中，膜分离技术有重要的地位［1］。膜生物反应器（Membrane Bioreactor，MBR）是将膜分离技术与传统生物处理有机结合的新型高效污水处理技术，它取代了传统活性污泥法中的二沉池，具有出水水质好，容积负荷高，占地小，剩余污泥产量少的优点［2］，目前广泛应用于市政和工业废水处理中。但是膜生物反应器运行中产生的膜污染问题，会致使膜通量下降。频繁的清洗和换膜又会极大地增加基建和运行费用，同时影响其稳定性，是限制该技术进一步推广的瓶颈。膜污染的影响因素有很多，一般认为可分为3 类：操作条件、混合液形状和膜本身性质，其中操作条件对膜污染有着重要影响。

因此，结合国内外的相关研究，就MBR 膜污染机理及操作条件与膜污染关系做进一步综述，旨在为缓解膜污染提供可行途径，为推广该技术的工业化应用创造条件。

1 膜污染机理概述

1.1 膜污染概念

膜污染是指被处理料液中的微粒、胶体和溶质大分子在物理、化学或机械作用下吸附或堵塞在膜表面或膜孔内，从而使膜透过流量与分离特性下降的现象［3］。

1.2 膜污染分类及产生机理

一般来说，膜污染可以按可清洗程度、污染源的性质和膜污染成因来分类，具体分类见表1。

表1 膜污染的分类

1.3 膜污染的表征

膜污染程度一般可用总阻力来表征。总阻力R由膜阻力Rm、膜孔堵塞阻力Rb、凝胶层阻力Rg、泥饼层阻力Rc、浓差极化阻力Rcp共同组成［6］，膜过滤阻力分布示意图见图1。

图1 膜过滤阻力分布示意图

根据达西（Darcy）定律：

式中：J—膜通量，L∕（m2·h）；

P—跨膜压差，Pa；

μ—透过液粘度，Pa·s；

R—总阻力，m-1。

膜污染呈现的效果即总阻力R的不断增大。恒压过滤时，膜污染加剧反映为膜通量下降；恒通量过滤时，膜污染加剧反映为跨膜压差升高。

2 操作条件对膜污染的影响

影响膜污染操作条件的参数有很多，如膜通量、跨膜压差、曝气量、错流速率、水力停留时间、污泥龄、温度、pH、进水水质、间歇操作等。

2.1 膜通量对膜污染的影响

膜通量（membrane flux）是膜过程的基本参数，主要由驱动力和总阻力共同决定，其中驱动力主要为跨膜压差（transmembrane pressure，TMP）。MBR有恒通量和恒压力2 种操作模式。在恒通量操作下，通常认为存在一个临界通量，当实际通量高于临界通量时，膜污染速率迅速上升。Madaeni等［7］研究表明，临界通量在混合液悬浮固体浓度（MLSS）3～10 g∕L 范围内，随MLSS的升高而线性下降。俞开昌等［8］采用通量阶式递减法得出，曝气强度增加会提高气水二相流的紊动性，进而增大临界通量，次临界通量下系统运行稳定，膜污染速率减缓，但是，这只适用于短期运行。Wei 等［9］发现即使在次临界通量下运行，TMP 也只在较短时间内缓慢增加而后骤增，这是由于长期次临界通量下运行，虽然膜污染速率小但仍在发生，轻微的膜污染逐渐累积导致局部膜通量超出临界通量，从而使TMP 迅速增加。所以实际运行中，应尽量选择低的初始膜通量操作，这样才能保证系统运行稳定且能耗较小。

2.2 跨膜压差对膜污染的影响

跨膜压差是指施加在膜两侧过滤的压力差。同样，在恒压操作下，也存在一个临界压力，当实际压力高于临界压力时，膜污染速率迅速上升。Yamamoto 等［10］发现，在操作压力低于临界压力时，6 h 内，膜通量只下降10%；而在操作压力高于临界压力时，2.5 h 内，膜通量已下降40%。这是由于不同的操作条件下形成的滤饼层厚度不同，高压下的初始滤饼层较厚，膜通量相较于初始通量下降较大；而低压下，初始滤饼层不会很厚，膜通量相较于初始通量下降不明显。Hong等［11］发现，若初始TMP较低，可使膜通量下降速率变慢，膜污染速率减缓。Guo等［12］研究表明，超滤膜在低于0.1 MPa下的恒压运行时可避免不可逆污染。

2.3 曝气量对膜污染的影响

在一体式膜生物反应器（SMBR）的运行过程中，曝气量决定了膜面流体的紊乱程度。进行曝气既可为微生物供氧，满足底物降解和细胞合成的需求；同时其形成的气水二相流流速增大，膜面流体湍流程度增加，形成大的水力剪切力，冲刷膜面，抑制浓差极化现象和滤饼层的形成。Ueda 等［13］发现，使用较大曝气量可有效增大膜通量，缓解膜污染。Shimizu等［14］发现，曝气强度增加使胶体及颗粒不易沉积在膜面。刘锐等［15］研究表明，对中空纤维膜进行曝气，可防止凝胶层厚度增加，极大延长膜清洗周期。但曝气量并非越大越好，过大的曝气量会破坏污泥絮体结构，加剧膜孔堵塞，增大膜污染速率。Hong等［11］指出存在一个临界曝气量，当实际曝气量超过其值时，通量增加不明显，且较大曝气量提供的过量溶解氧会抑制反硝化作用。因此，在实际运行中应将系统的曝气强度控制在最佳曝气量。

2.4 错流速率对膜污染的影响

对于外置式膜生物反应器（CMBR），错流速率（CFV）决定了膜面附近流体的流态。CFV 增大，湍流程度增大，水力剪切力变大，滤饼层厚度减小。Psoch 等［16］认为较大CFV 可有效减缓膜污染。Defrance等［17］发现，随CFV 增加，膜通量近似线性增大。刘浩亮等［18］采用自主研发的同心旋转平板膜组件实现主动错流式膜过滤，发现其比静态膜具有更大的CFV。膜面转动形成的强力湍流，能有效延缓膜污染速率。但CFV 并非越大越好，过大的CFV同样会出现反效果，且能耗更大。Thomas 等［19］发现当CFV 大于3 m∕s，污泥絮体破碎，形成主要由小颗粒构成的致密滤饼层，反而使膜通量减小，TMP增大。

2.5 水力停留时间对膜污染的影响

水力停留时间（HRT）通过影响活性污泥混合液形状而间接影响膜污染。若采用较短的HRT，则为微生物提供较多营养物质，加速微生物增殖，使混合液MLSS 和黏度上升，加快膜污染速率。Harada等［20］研究表明，过短的HRT 会导致溶解性微生物产物累积，使膜通量降低。Huang等［21］认为，HRT的降低使溶解性微生物产物中蛋白质类物质增加，吸附在膜面引起膜污染。

2.6 污泥龄对膜污染的影响

污泥龄（SRT）是活性污泥混合液形状的决定性因素，并以此间接影响膜污染。SRT与MLSS、黏度、胞外聚合物（EPS）、溶解性微生物产物（SMP）和污泥粒径息息相关。Meng 等［22］研究表明，适当增加SRT 可减少溶解性微生物产物含量，减缓膜污染。但SRT 并非越长越好，过长的SRT 会使污泥浓度增加，内源呼吸加剧，胶体物质增加使膜污染速率变大。Lee 等［23］发现，过长的SRT 会使总的膜污染增大。曹占平等［24］认为，通过控制SRT，可使由氧化还原电位（RH）、电动电位、悬浮固体浓度（SS）等主要膜污染影响因子引起的比阻维持在较低水平。因此，实际运行中需要对SRT 进行适当的控制，一般认为控制在20～50 d 时［25］有利于稳定溶解性微生物产物，从而较为有效地抑制膜污染。

2.7 温度和pH值对膜污染的影响

温度和pH 值属于环境条件参数，通过影响混合液性质间接影响膜污染。温度会影响污泥颗粒粒径和黏度等；pH 值则会影响RH、Zeta 电位，且可对膜面改性，进而改变膜和污染物之间的静电作用力，影响膜污染。Gao 等［26］发现，随着温度上升，EPS、SMP 和胶体物质含量逐渐增多，在高温下会产生更多不可逆污染。Ognier 等［27］发现存在一个pH值临界点，当大于此临界点时膜污染迅速增加，临界点随温度的升高而降低。

2.8 进水水质对膜污染的影响

进水水质会对系统内微生物代谢和膜分离过程产生影响。Lin 等［28］认为进水中无机污染物会和微生物发生作用共同沉积在膜面，形成致密的滤饼层。陈康等［29］研究表明，随着钙离子浓度的增加，TMP增长趋势减缓，膜污染减小。

2.9 间歇操作对膜污染的影响

间歇操作属于MBR 系统运行方式。间歇出水通过短暂停抽，使向膜面的附着力消失，附着在膜面的沉积物在错流剪切力的作用下从膜面剥离。Yamamoto 等［10］认为间歇操作可有效延缓膜污染发展。但并非停抽时间越长越好，过长的停抽时间会减弱其去除效果且减少系统的产水负荷，所以，实际运行中应合理控制一个最佳抽停比。