膜生物反應(yīng)器（MBR）在污水處理過程中產(chǎn)生膜污染的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

高偉業(yè) 陳健彬 何亞鵬

（瀚藍(lán)環(huán)境股份有限公司 廣東佛山 528251）

隨著全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人口的增多，工業(yè)污水以及生活污水排放量的增加使得原本有限的淡水資源日益短缺，因此發(fā)展高效的污水處理技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。目前，膜生物反應(yīng)器在理論研究上已經(jīng)相對(duì)成熟，然而由于膜生物反應(yīng)器在污水處理過程中容易產(chǎn)生膜污染問題制約了其實(shí)際應(yīng)用，因此必須了解膜污染的形成過程并采取有效措施降低膜污染的影響。

1 膜污染對(duì)MBR在污水處理過程中的影響

由于膜組件在使用過程中被污染，會(huì)降低其膜通量，在沒有有效預(yù)防措施的情況下要想維持反應(yīng)器的繼續(xù)工作就必須在膜污染后更換膜組件，并對(duì)更換下來的膜組件進(jìn)行清洗工作，這就帶來了嚴(yán)重的問題，首先是更換膜組件的過程會(huì)暫時(shí)中斷膜反應(yīng)器的工作，使污水處理不能得以連續(xù)進(jìn)行，其次是更換和清洗過程本身就要耗費(fèi)大量的人力和物力，增加了運(yùn)行成本?；谝陨弦蛩?，由于膜污染的存在，同時(shí)目前膜污染防治工作的缺失使得在污水處理領(lǐng)域MBR無法得到大規(guī)模的應(yīng)用。

2 MBR在污水處理過程中膜污染的形成機(jī)理

在膜生物反應(yīng)器處理污水的過程中，導(dǎo)致膜污染的原因是多方面的，并在膜過濾壓力（TMP）的不同階段分別或共同起到主導(dǎo)的作用。

圖1 是膜過濾壓力隨膜過濾時(shí)間的變化曲線。從圖1 中可以看出，在膜生物反應(yīng)器開始運(yùn)行的一段時(shí)間內(nèi)（即圖1 中的第一階段），膜過濾壓力隨著過濾時(shí)間的增加呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是由于在負(fù)壓抽吸的作用下，由于膠體等小顆粒物的遷移速度較快，在污水通過膜組件時(shí)其中部分懸浮的膠體顆粒會(huì)堵塞膜孔，另外膜本身會(huì)吸附水溶液中的溶質(zhì)，而這些物質(zhì)本身由于粒徑較小，其反向擴(kuò)散遷移能力較弱，因此富集在膜孔之中，造成膜孔局部堵塞，使膜過濾的壓力急劇上升。隨著過濾時(shí)間的延長(zhǎng)，污水中的污泥絮凝體隨著水的流動(dòng)被貼附于膜表面，但這些絮凝體本身粒徑較大，遷移速度慢，并且其反向遷移的能力較強(qiáng)，因此沉積在膜表面的速度較慢，隨著這些絮凝體逐漸在膜表面形成污泥層，也從一定程度上阻擋了后續(xù)膠體顆粒向膜孔中移動(dòng)，因此表現(xiàn)為膜過濾壓力隨過濾時(shí)間增加而緩慢增長(zhǎng)（圖1 中所示的第二階段）；隨著過濾時(shí)間的進(jìn)一步增加，在負(fù)壓抽吸的作用下，附著在膜表面的污泥層會(huì)被逐漸壓密，而且越靠近膜面則污泥層的密度越高，在壓密到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致膜壓力的急劇上升（圖1 所示的第三階段）。另外，微生物代謝產(chǎn)物（SMP）在膜孔和膜面的不斷吸附也會(huì)導(dǎo)致TMP的上升。

圖1 膜過濾壓力隨過濾時(shí)間變化曲線圖

3 MBR中膜污染的防治措施研究概況

當(dāng)前防治膜污染的措施按性質(zhì)不同可分為物理方法和化學(xué)方法等，具體包括對(duì)進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理，投放吸附劑、絮凝劑等添加劑，優(yōu)化工藝參數(shù)，膜的改性處理以及膜的物理清洗和化學(xué)清洗等。

3.1 增加預(yù)處理工序

由于待處理污水成分的不確定性可能會(huì)影響膜的使用效果，如某些工業(yè)廢水中含有濃度較高的氨氮和金屬離子，如Fe3+、Al3+、Mg2+等，這些金屬離子容易與污水中其他有機(jī)大分子聚合物發(fā)生反應(yīng)，使膜表面污泥層過早的形成，從而降低了膜的一次使用壽命；除此之外，過高或過低的p H值也容易導(dǎo)致影響膜的性能，甚至可能對(duì)膜產(chǎn)生腐蝕作用，因此在實(shí)際工作中應(yīng)當(dāng)在MBR進(jìn)水增加預(yù)處理工序，具體措施有設(shè)置過濾、p H值調(diào)節(jié)工序等。如Kim等在2007年采用沸石/滲析器對(duì)進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)現(xiàn)氨氮的去除率可達(dá)90%以上。

3.2 向污水中投放添加劑

為了降低膠體、污泥絮凝體以及SMP等對(duì)膜孔的堵塞和對(duì)膜面的貼附，可向未經(jīng)處理的污水中投放添加劑的方式，從而改變污水的成分，降低膜污染程度，增加膜的使用時(shí)間，實(shí)際工作中，可用作添加劑的有吸附劑、絮凝劑和其他化學(xué)物質(zhì)。

3.2.1 添加吸附劑

常見的吸附劑有活性炭、沸石、分子篩、膨潤(rùn)土等，以活性炭為例，向污水中添加活性炭粉末可以吸附掉大部分懸浮的膠體顆粒以及有機(jī)溶質(zhì)等，實(shí)驗(yàn)證明通過添加活性炭可以有效降低膜污染的程度，并大大延長(zhǎng)了膜的使用壽命，然而Akram等在2008年研究發(fā)現(xiàn)過量添加活性炭非但不能降地膜污染，反而成為一種污染物加重了膜污染，因此必須要根據(jù)實(shí)際情況，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得出最佳的添加量，使膜污染降為最低。

3.2.2 添加絮凝劑

絮凝劑的添加可以增強(qiáng)污泥的絮凝性能，增大污泥粒徑，使大量的膠體顆粒、SMP等粒徑小的物質(zhì)被吸附在絮凝體的表面或內(nèi)部，從而減緩膜污染。常見的絮凝劑包括有機(jī)絮凝劑和無機(jī)絮凝劑兩種，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，無機(jī)絮凝劑如硫酸鋁、氯化鐵等可有效增強(qiáng)污泥絮凝體表面疏水性，而聚丙烯酰胺、殼聚糖等有機(jī)絮凝劑則可增大污泥的粒徑，因此可根據(jù)實(shí)際水質(zhì)情況選擇不同的絮凝劑。然而，無論是有機(jī)還是無機(jī)絮凝劑，都是屬于化學(xué)物質(zhì)，很難避免會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物可能會(huì)帶來新的膜污染問題。

3.3 通過改性處理增強(qiáng)膜的性能

提高膜的親水性是降低膜污染的重要手段之一，在實(shí)際工作中，可通過對(duì)膜進(jìn)行改性處理，將極性有機(jī)官能團(tuán)引入到膜表面以提高其親水性，常見的膜改性處理方法有涂覆、接枝、等離子體處理等。

3.4 采用科學(xué)的清洗方式

為使MBR工藝的不間斷進(jìn)行，在膜污染的情況下采用在線清洗的方式去除膜孔內(nèi)和膜表面的堵塞物和附著物是一種常被采用的方法，有著操作簡(jiǎn)便、便于控制等優(yōu)點(diǎn)，常用的在線清洗方式有傳統(tǒng)清洗方式、超聲波清洗以及化學(xué)清洗等。

3.4.1 傳統(tǒng)清洗方式

傳統(tǒng)的膜清洗方式包括壓力水沖洗、反沖洗、曝氣沖洗等，其中較常用的是曝氣沖洗。在MBR運(yùn)行過程中，增加曝氣強(qiáng)度一方面可以改善水力條件，另一方面有利于氣體上浮過程中帶動(dòng)水流對(duì)膜表面進(jìn)行沖刷，從而去除部分附著物，降低膜污染。

3.4.2 超聲波清洗

超聲波清洗在降低膜污染中被認(rèn)為是切實(shí)可行且行之有效的方法，主要利用超聲波的高頻振動(dòng)沖擊作用對(duì)膜表面及膜孔內(nèi)部吸附的污染物剝離，劉昕等通過在線超聲波清洗的方式成功降低了MBR運(yùn)行過程中產(chǎn)生的膜污染，然而與曝氣沖刷相類似的是，超聲波的強(qiáng)度也不是越大越好，過大的超聲波強(qiáng)度會(huì)打散污泥顆粒，并且可能會(huì)直接對(duì)膜組件構(gòu)成物理破壞，因此在實(shí)際工作中一定要控制好超聲波強(qiáng)度。

3.4.3 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗就是利用化學(xué)藥劑去除膜表面及膜孔內(nèi)的污染物，一般去除效率較高，常用的化學(xué)清洗劑包括酸性、堿性、氧化性以及配位清洗劑等，針對(duì)不同的污染要選擇適合的化學(xué)清洗劑?；瘜W(xué)清洗方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并存，優(yōu)點(diǎn)是可以很方便地清洗掉相應(yīng)污染物，缺點(diǎn)就是化學(xué)清洗過程中可能發(fā)生副反應(yīng)以對(duì)膜造成新的污染，另外化學(xué)藥劑本身對(duì)膜可能也會(huì)造成不同程度的損害，不利于延長(zhǎng)膜的使用壽命。

4 展望

4.1 當(dāng)前對(duì)于MBR在污水處理過程中膜污染的產(chǎn)生機(jī)理雖然進(jìn)行了一定的研究，然而還有很多問題亟待解決，如在圖1 中的第三階段膜壓力上升的原因還沒有定論，對(duì)SMP的作用機(jī)理等還有待研究。

4.2 目前對(duì)膜污染的研究多為定性分析，而缺少科學(xué)的定量計(jì)算，因此建立科學(xué)的數(shù)學(xué)模型來分析膜污染問題應(yīng)當(dāng)是未來的一個(gè)研究方向。

4.3 當(dāng)前對(duì)MBR的膜污染防治措施的研究只是建立在實(shí)驗(yàn)室的條件下，并且理論研究多過實(shí)踐，因此在未來的工作中應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)之上增加小試、中試規(guī)模的實(shí)踐探索，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，使膜污染的防治措施為工業(yè)化膜生物反應(yīng)器污水處理服務(wù)。

4.4 隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的膜生物反應(yīng)器以及膜組件，在實(shí)驗(yàn)室條件下證實(shí)其膜污染程度比傳統(tǒng)MBR中的膜組件低很多，可以看到目前科研工作者們更多的是致力于開發(fā)新型MBR和膜組件，而對(duì)于其膜污染程度為何降低研究不夠，往往只是停留在猜想階段，缺少相應(yīng)的理論支持，因此對(duì)于這方面的研究也將是科研工作者未來的一項(xiàng)重要工作。

5 結(jié)語

膜生物反應(yīng)器是一種前景極為廣闊的新型水處理技術(shù)，需要科研人員更加深入地研究膜生物反應(yīng)器的相關(guān)理論知識(shí)，并結(jié)合材料學(xué)、化學(xué)等其他學(xué)科的知識(shí)，研發(fā)出更先進(jìn)的膜生物反應(yīng)器污水處理工藝，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，推陳出新，充分發(fā)揮創(chuàng)造性，為使膜生物反應(yīng)器在未來污水處理中得到廣泛的應(yīng)用。

[1]周小玲,陳建榮,余根英,等.膜生物反應(yīng)器中膜污染機(jī)理和控制研究新進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2012,（10）.

[2]王英健.膜生物反應(yīng)器的膜污染機(jī)理及其防治[J].電力環(huán)境保護(hù),2008，（5）.

[3]張領(lǐng),顧平,鄧曉欽.膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)給水排水，2002，（4）.

[4]孫振龍,陳紹偉,昊志超.一體式平片膜-生物反應(yīng)器運(yùn)行過程中膜性能的研究[J].環(huán)境工程,2003,（2）.

[5]許堅(jiān),許振良.膜生物反應(yīng)器污水處理過程中膜生物污染的研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù)，2002，（3）.

[6]陳俊平,楊昌柱,葛守飛,熊麗.膜生物反應(yīng)器在污水處理過程中的膜污染控制[J].凈水技術(shù)2005,(5).