MBR膜污染、影响因素及其控制策略研究进展

张梦园 , 卞晓峥,2 , 黄健平,2* , 吴永惠

(1.华北水利水电大学 , 河南 郑州 450046 ; 2.河南省水体污染与土壤损害修复工程技术研究中心 , 河南 郑州 450046)

膜生物反应器(MBR)是一种集生物处理技术和膜分离技术于一体的先进水处理技术,利用微生物降解污水中的有机物质,并通过膜分离过程将水和生物固体分离,达到生物反应和固液分离同时进行的目的,具有出水水质优、占地面积小、污泥产量少、水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)完全分离等优点[1]。然而,膜污染严重限制了MBR工艺的推广应用。膜污染不仅会导致膜的频繁清洗和更换,增加系统的运行和维护成本,还会影响膜的过滤和分离功能,导致系统的处理效果下降,最终影响出水水质。因此,对膜污染的形成过程和机制研究对于控制和减缓膜污染具有重要意义。

1 MBR工艺类型

按照膜组件的安放位置,MBR工艺可分为外置式和浸没式[2]。在外置式MBR工艺中,生物反应器和膜组件分开设置,通过循环泵实现泥水分流,浸没式MBR是指膜组件直接放置在生物反应器中,利用泵将水排出。外置式MBR的运行相对独立,便于调控,膜组件置于反应器外,方便清洗、更换和加膜。虽然浸没式MBR的可调控性相对较差,膜清洗较为复杂,但其大大降低了处理系统的能耗和占地面积。

目前实际的工程应用中也多采用浸没式MBR[3]。

2 MBR膜污染

膜污染是指在膜过滤过程中,水中的微粒、胶体粒子、溶质大分子或活性污泥絮体在膜表面或膜孔内吸附、沉积,导致膜孔径变小或堵塞,使膜通量下降、跨膜压差(TMP)上升的现象。根据膜污染物的成分,通常可将MBR膜污染分为有机污染、无机污染和生物污染[4]。

2.1 有机污染

有机污染是由有机大分子在膜孔或膜表面沉积所形成的污染。其中,溶解性微生物代谢产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)是最主要的膜污染物,这类物质与膜组件接触时会发生物理化学作用,吸附在膜表面或进入膜孔内部,从而造成不可逆污染[5]。WANG等[1]在研究C/N比对膜污染的影响实验中发现膜表面污染物的主要有机成分是蛋白质和多糖,与污泥絮体相结合黏附在膜表面,从而形成凝胶层造成膜污染,并且发现降低SMP和EPS在膜表面的积累可以减轻膜污染。有研究表明,SMP具有一定的抗过滤特性和极高的黏附能力,比其他物质更先吸附在膜上,影响膜的过滤性能[6-7]。EPS对污泥颗粒的表面电荷、疏水性或亲水性以及混合液的黏度有很大的影响。因此,在目前的研究中认为EPS是生物结垢的主要原因。

2.2 无机污染

2.3 生物污染

生物污染是指微生物及微生物的代谢产物吸附在膜孔及膜表面[5]。在膜污染初期,微生物会通过黏附作用在膜表面形成一层生物膜,随着生物膜层数的增多,老化的微生物分解为蛋白质、糖类等有机物,这些有机物吸附在膜表面或膜孔中造成膜污染[10]。微生物附着在膜表面形成污染,提高膜的截留作用的同时会导致膜通量下降[11]。有研究表明,泥饼层污泥和混合液污泥中的微生物群落分布有一定的差别,并且在MBR长期运行时,随着泥饼层的加厚,微生物群落分布也会发生变化[12]。污泥中的微生物群落对生物污染的形成和变化起到了重要作用。

有机污染、无机污染和生物污染并非单独发生,它们之间具有一定的协同作用,能够在膜孔以及膜的表面形成复杂的污染物。在膜的过滤初期,由于膜孔的阻塞及污染物的附着,引起膜的不可逆污染。此外,混合液中的胶体颗粒和微生物絮体黏附在膜的表面,使TMP快速升高。伴随着TMP升高的过程,有机污染物、胶体颗粒及污泥絮团会在膜表面继续沉积,而盐分等杂质则会在膜面生成沉淀,从而促进泥饼层的形成。随着泥饼层的积聚,TMP急剧升高,进一步加剧了膜污染。

3 膜污染产生的影响因素

理解并把握多种因素对膜污染的作用,是实现膜污染控制的关键。从膜表面特性、污泥混合液性质以及操作条件三个方面,对膜污染的形成机制进行了较为深入的研究。

3.1 膜表面特性

膜材料、亲水性/疏水性、表面电荷、粗糙度、孔径、孔隙率以及膜组件结构等因素对生物反应器中膜表面与混合液间的相互作用具有重要的影响。根据膜的材料进行分类,常用的膜主要分为陶瓷膜、金属膜和有机膜。其中,有机膜是一种成本较低,生产工艺较为成熟的材料;但其容易被污染,寿命较短[13]。常见的有机膜包括聚乙烯(PE)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)、聚丙烯腈(PAN)和聚偏二氟乙烯(PVDF)。JEON等[14]的研究采用了醋酸纤维素(CA)、PES和PVDF三种膜材料以及不同孔径的膜进行过滤实验,结果表明,在使用活性污泥时,超滤膜的表面亲水性和孔径对MBR运行中的污染性能有明显影响。人们认为亲水膜比疏水膜更能缓解膜污染,然而,存在相互矛盾的结果。例如,MATAR等[15]研究了MBR中疏水和亲水膜表面的影响,结果表明,MBR过程中的污染行为对亲水性的依赖程度远低于之前的研究。当膜表面电荷与废水中污染物的电荷相同时,相似电荷具有排斥作用,可以降低膜的表面污染,提高膜的渗透率[16]。膜孔径大会导致膜污染加重,通量快速降低,出水水质变差。在MBR运行过程中,微粒和溶质大分子容易堵塞膜孔,造成膜污染。通常情况下,随着孔隙率的增大,TMP减小。但是,当孔隙率发生变化时,表面粗糙程度也会发生改变,从而影响对污染物的吸附能力。膜表面的粗糙程度越高,膜污染越严重。

3.2 污泥混合液性质

膜污染与污泥混合液特性包括污泥浓度(MLSS)、污泥黏度、污泥粒径、EPS、SMP、微生物群落等密切相关。MLSS是膜分离过程中的一个关键参数,对膜的性能有很大的影响。研究结果表明,高浓度的MLSS能有效地减少污泥的负荷,提高处理效果,并能增大混合液的黏度;但同时也会使膜的过滤阻力增大[16]。混合液的黏性越大,污泥絮体就更容易黏附在膜表面加速膜污染。不同粒径的污泥颗粒在膜表面的附着能力有较大的差别,从而对膜的污染程度产生不同的影响。在膜分离过程中,较大粒径的污泥颗粒会产生较好的膜过滤效果;细小的污泥颗粒会被优先吸附在膜上,从而导致膜污染,而且这些小颗粒污泥所形成的泥饼层会变得更加致密,具有更高的比阻。

SMP和EPS的主要成分是蛋白质和多糖,浓度越高,泥饼层结构越紧密,膜污染越严重。在MBR中,微生物会引起污泥形态、粒径分布、EPS、黏度等因素的变化,从而对膜污染产生一定的影响。丝状菌是影响膜污染的主要微生物。丝状菌数量太多或太少都会引起严重的膜污染。在活性污泥中,丝状菌数量过少,污泥絮体较细,容易堵塞在膜孔,而丝状菌数量过多则会在膜表面形成厚实、坚固的泥饼层,从而增加了过滤阻力,降低了膜通量[17]。

3.3 系统操作条件

膜通量、TMP、曝气强度、SRT、HRT和温度等操作条件都会对膜污染产生影响。在膜过滤过程中,膜通量和TMP存在一定的相关性[5]。在其他条件相同时,要得到较大的膜通量,就需要增大TMP。MBR有两种运行模式:恒通量过滤和恒压过滤。恒通量过滤比恒压过滤下的膜污染速率低,但是在清洗后的膜通量恢复效果却很差,这主要是因为在恒流量过滤过程中,膜面上的泥饼层会变得更加致密。高压过滤,会使膜表面快速形成紧密的泥饼层,膜通量迅速下降。在恒定低压条件下运行,形成的泥饼层较薄或只具有可逆浓差极化层,膜污染不显著。曝气不仅能提供微生物代谢所需的氧气,还能冲洗膜表面,避免污染物沉积,减缓膜的污染[18]。当曝气强度变化时,会影响EPS和SMP的浓度和成分[19]。SRT对MLSS、污泥成分、EPS和其他参数的影响很大。SRT越长,污泥絮凝效果越好,可以缓解膜污染,然而,过长的SRT会引起污泥老化,从而降低出水质量[20]。HRT对膜污染也有重要影响。HRT的变化会直接导致膜通量的变化,HRT越低,单位面积过滤压力越大,膜污染越严重[21]。而温度对微生物的代谢影响较大,不同温度下,EPS的分泌量也会有所不同。较高的温度会降低混合液的黏度,从而提高水流速度,增加膜通量。当温度较低时,微生物会进行自我保护,分泌更多的多糖和蛋白质,从而使混合液中的EPS浓度升高[22]。

4 膜污染控制方法

结合影响膜污染产生的因素,提出了相应的MBR膜污染控制方法,主要方法有:改善膜特性、调控污泥混合液性质和优化MBR系统操作条件。

膜污染控制方法总结如表1所示。

在改性材料方面,开发具有抗污染性能的膜材料,通过改善膜表面的亲疏水性来提高膜组件的抗污染性能[26]。还可以通过在膜表面进行涂层、接枝、功能化、等离子处理和图案化对膜进行改性[27]。在改善污泥混合液特性方面,通过投加絮凝剂、吸附剂和生物载体可减缓膜污染。在MBR中添加常用的吸附剂如粉末活性炭(PAC),PAC的吸附能力很强,可以吸附混合液中溶解的有机物和微粒等,能有效控制膜污染的发展,减缓TMP的增加速度,延长膜的运行周期[23]。在系统操作条件优化方面,通过调整HRT、SRT和膜通量等运行参数,并结合工艺与运行成本等指标,控制膜污染。

5 结论

MBR是一种先进的水处理技术,然而膜污染仍是制约膜技术广泛应用的主要问题。根据污染物的成分进行分类,其中有机污染和生物污染占据膜污染的主导地位。从改善膜性能、调控污泥混合液特性以及优化系统操作条件三个方面,总结控制膜污染的有效方法。研究MBR膜污染机制和膜污染的控制方法对于MBR技术的可持续应用具有重要的理论和实际意义。