膜生物反應(yīng)器中膜污染問(wèn)題的研究新進(jìn)展

毋海燕

（上海同濟(jì)環(huán)境工程科技有限公司，上海市200092）

0 引言

膜生物反應(yīng)器 (Membrane Bioreactor,簡(jiǎn)稱MBR)是集生物降解和膜的高效分離于一體，是膜技術(shù)和污水生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合的高效污水生物處理工藝，20世紀(jì)60年代起源于美國(guó)。其工作原理是利用反應(yīng)器的好氧微生物降解污水中的有機(jī)物，同時(shí)利用硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化污水中的氨氮，隨后利用中空纖維膜進(jìn)行高效的固液分離出水。由于它具有較好的出水水質(zhì)、較低的污泥產(chǎn)率、相對(duì)獨(dú)立的污泥齡和水力停留時(shí)間、較高的污泥濃度，以及占地面積小等諸多優(yōu)勢(shì)，MBR在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用范圍和規(guī)模日益擴(kuò)大，特別是對(duì)水質(zhì)要求較高的污水回用等領(lǐng)域[1]。然而，由于膜種類繁雜，性質(zhì)各異，膜污染依然是阻礙MBR大規(guī)模應(yīng)用的重要因素之一。因此，對(duì)影響膜污染的因素進(jìn)行研究，有助于了解膜污染的過(guò)程和機(jī)理，以便采取有效的措施控制膜污染，充分發(fā)揮膜法水處理的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，針對(duì)膜污染問(wèn)題及控制有許多專家學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的研究。針對(duì)膜污染的影響因素的研究主要集中在對(duì)污泥絮體尺寸及性質(zhì)[2]、污水特征[3]、膜材料和工藝[4]、運(yùn)行條件 (SRT（Solid Retention Time，污泥停留時(shí)間）、HRT（Hydraulic Retention Time，水力停留時(shí)間）、溶解氧和F/M比率（Food to Microorganism ratio）、曝氣強(qiáng)度和膜清洗)等的調(diào)整優(yōu)化方面[5]。另有研究發(fā)現(xiàn)，絲狀菌的過(guò)度生長(zhǎng)也是造成膜污染急劇惡化的原因之一[6]，可通過(guò)改變菌體性質(zhì)及組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)膜污染的控制。

隨著污水處理出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，尤其是回用水使用率的逐漸普及，系統(tǒng)化分析膜污染機(jī)理并有效控制對(duì)MBR的大規(guī)模應(yīng)用至關(guān)重要。本文結(jié)合膜污染的發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)總結(jié)了膜污染的定義、機(jī)理、特點(diǎn)、影響因素，并且針對(duì)性地提出了膜污染的有效控制措施，對(duì)MBR膜污染研究及控制前景進(jìn)行了展望。

1 膜污染

1.1 膜污染的定義及污染機(jī)理

膜污染是由于懸浮物或可溶性物質(zhì)沉積在膜的表面、孔隙和孔隙內(nèi)壁，從而造成膜通量降低的過(guò)程。

膜表面存在以下過(guò)程：（1）溶質(zhì)和膠體吸附于膜上或膜空隙內(nèi)；（2）污泥絮體附著在膜表面；（3）膜表面形成凝膠層；（4）在剪切力作用下污染物的脫離；（5）長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中污染物組分的改變。當(dāng)污染物脫離的速度小于附著的速度時(shí)，膜表面的污染物就會(huì)越積越多，污染物覆蓋在膜孔表面或內(nèi)部，使水無(wú)法透過(guò)膜，造成膜通量的急劇下降。此時(shí)如果無(wú)法及時(shí)清洗或更換膜，將會(huì)造成膜污染并不斷惡化。

1.2 膜污染物的類型

膜污染物的類型及各自特征[7]見(jiàn)表1所列。

表1 膜污染物的類型一覽表

1.3 膜污染的新型表征

膜污染的表征對(duì)于判斷膜污染的結(jié)構(gòu)及形態(tài)進(jìn)而控制膜污染非常重要，尤其是采用一些新型的表征方法[8]，見(jiàn)表2所列。

表2 膜污染的新型表征方法一覽表

2 膜污染的影響因素

2.1 EPS（Extracellular Polymeric Substances,胞外聚合物）

EPS是造成膜污染的最主要原因，包括結(jié)合性和可溶性EPS。結(jié)合性EPS包括細(xì)胞表面或細(xì)胞外的蛋白質(zhì)、多糖、核酸、脂肪和腐殖酸等?？扇苄訣PS和SMP本質(zhì)上是相同的，都是基質(zhì)新陳代謝和微生物腐敗后產(chǎn)生的有機(jī)化合物[9]。

污泥負(fù)荷、HRT和有機(jī)負(fù)荷也是影響EPS產(chǎn)生的重要運(yùn)行參數(shù)，提高HRT，即降低有機(jī)負(fù)荷和F/M，可以減少EPS的產(chǎn)生，有效地控制膜污染。另外，曝氣強(qiáng)度、溶解氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也會(huì)影響EPS的產(chǎn)生，保持一定的曝氣強(qiáng)度、溶解氧濃度、充足的營(yíng)養(yǎng)及控制絲狀菌膨脹是控制EPS的重要條件。

2.2 SMP（Soluble Microbial Products，溶解性微生物產(chǎn)物）

SMP是基質(zhì)新陳代謝和生物量腐敗過(guò)程中產(chǎn)生并釋放進(jìn)入溶液中的一些有機(jī)化合物，它是造成膜污染的另一個(gè)重要原因，更容易在膜中積累，導(dǎo)致膜過(guò)水能力的下降。許多研究結(jié)果表明，污泥混合液、上清液中的溶解性及膠體物質(zhì)對(duì)膜污染阻力的貢獻(xiàn)占到20%～90%。SMP對(duì)膜污染的影響主要來(lái)自SMP濃度、膜材料和運(yùn)行條件的變化。由于SMP與膜孔大小相當(dāng)或小于孔隙，因此它既能在膜表面積累形成污染層，也能滲入膜孔內(nèi)堵塞膜孔。

對(duì)SMP的控制可采取兩種途徑：優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)（如SRT、HRT、DO濃度、溫度和曝氣強(qiáng)度等）和投加吸附劑或混凝劑。

2.3 水力條件

以淹沒(méi)式MBR為例，討論水力條件對(duì)膜污染的影響。

在淹沒(méi)式MBR中，曝氣強(qiáng)度及氣泡大小、膜結(jié)構(gòu)、懸浮污泥濃度和污泥黏性等都會(huì)對(duì)水力狀態(tài)產(chǎn)生不同的影響，需要定時(shí)反沖洗以改善水力條件，緩解膜污染。保持較高水平的HRT、SRT和較低的懸浮物濃度、黏度、F/M、EPS、SMP是緩解膜污染的重要手段。

2.4 膜材料及組件

不同材料的膜由于具有不同的膜特征，如孔徑大小、孔隙率、表面電荷、粗糙程度，以及親水或疏水性等（見(jiàn)表3），膜的性能差別很大，膜組成的膜組件不同，從而使各種膜抗污染的程度各異，大大影響了膜污染的形成[10]。

一般認(rèn)為，孔徑大小、污染物和膜之間的親和力大小均會(huì)影響膜污染。另外，無(wú)機(jī)膜（如鋁、鋯和鈦的氧化物等）在對(duì)水力、高溫和化學(xué)作用等作用下也可能引起膜的無(wú)機(jī)污染。一些低價(jià)膜，如無(wú)紡布、篩孔材料等，可通過(guò)改進(jìn)它們的親水性、表面電荷等改善其抗污染能力。

總之，經(jīng)濟(jì)、高通量和抗污染的膜是今后MBR技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的必要條件，這就要求膜材料的發(fā)展必須具備較窄的膜孔大小分布、較強(qiáng)的親水性能及更多的空隙數(shù)量等。

表3 國(guó)內(nèi)外主要MBR膜組件及有關(guān)性能參數(shù)表

3 膜污染的控制措施

3.1 水力控制

水力控制即為通過(guò)調(diào)控處理過(guò)程中的水力條件到一定的值，以達(dá)到控制膜污染目的的一種控制措施。目前可控的水力條件主要包括HRT、曝氣強(qiáng)度、周期性反沖洗等。

過(guò)低的HRT會(huì)導(dǎo)致污泥黏度的增加，從而導(dǎo)致EPS上升，膜污染加劇，因此控制HRT在較高水平能有效控制EPS生成。但在實(shí)際工程中，HRT決定了反應(yīng)器的容積和占地面積，即它的經(jīng)濟(jì)性，因此，保證出水水質(zhì)前提下最短的HRT具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

曝氣強(qiáng)度也是影響膜污染的一個(gè)重要因素。合適的曝氣量是合理控制膜污染的重要前提。周期性反沖洗是延長(zhǎng)膜使用壽命的關(guān)鍵。在實(shí)際工程中，既要保證反沖次數(shù)，以延長(zhǎng)膜的使用壽命，又要考慮反沖洗造成的凈過(guò)流量的減少，即處理水量的降低。

3.2 化學(xué)控制

化學(xué)控制即通過(guò)采取化學(xué)手段，主要包括：投加粉末活性炭、絮凝劑或混凝劑，以及化學(xué)強(qiáng)化的反沖洗等達(dá)到控制膜污染的目的。

粉末活性炭具有其較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力，使得它能夠有效降低混合液中的EPS濃度，去除部分難溶性污染物，對(duì)膜污染的控制有顯著效果[11]。

投加絮凝劑或混凝劑能有效去除有機(jī)污染物[12]。與粉末活性炭不同的是，它主要通過(guò)吸附架橋或電中和作用來(lái)聚集并去除污染物，同樣也能有效控制污染的惡化。

化學(xué)強(qiáng)化的反沖洗能夠克服一般的物理反沖洗對(duì)污染物的去除效果的有限性，打斷污染物與膜之間形成的牢固化學(xué)鍵，去除那些物理反沖洗難以去除的物質(zhì)。通常用于化學(xué)清洗的試劑有次氯酸鈉、稀堿、稀酸、酶、表面活性劑、絡(luò)合劑和氧化劑等，不同種類的膜要選擇不同的清洗劑，如酸類清洗劑可以用于去除礦物質(zhì)及DNA；NaOH水溶液適宜去除蛋白質(zhì)等。

3.3 生物控制

生物控制主要是通過(guò)控制生物量、污泥特性或是某些微生物來(lái)達(dá)到控制膜污染的目的。本文主要介紹對(duì)SRT、MLSS、絲狀菌等的控制。

與前面討論的一樣，EPS和SMP是引起膜污染的主要原因，它們的產(chǎn)生與SRT密切相關(guān)，SRT的增加能降低EPS和SMP的產(chǎn)生，因此，在保證除磷效果的同時(shí)，可控制SRT在較高水平，以減緩膜的污染。

MLSS的減小能提高膜的過(guò)流能力，降低凝膠層的污染程度，因此在MBR系統(tǒng)中不宜采用過(guò)大的MLSS。

絲狀菌過(guò)度生長(zhǎng)是造成膜通量突然惡化的重要原因之一，其快速增殖時(shí)，抽吸壓力的增長(zhǎng)速率加快，膜的穩(wěn)定過(guò)濾時(shí)間大大縮短。因此，控制絲狀菌的增殖能有效地減輕膜的污染。在實(shí)踐中，控制絲狀菌膨脹的主要方法有增加生物選擇器、優(yōu)化運(yùn)行條件、投加絮凝劑和氯及提供充足的溶解氧等，而當(dāng)絲狀菌膨脹爆發(fā)時(shí)，最有效的控制措施是投加絮凝劑和氯。

此外，合理選擇膜組件、對(duì)混合液進(jìn)行預(yù)處理，以及開(kāi)發(fā)新型耐污染易重復(fù)利用膜材料等也是膜污染控制的一些有效措施。

4 MBR中膜污染問(wèn)題的研究方向及前景

雖然膜生物反應(yīng)器具有出水水質(zhì)好、污泥產(chǎn)率低、相對(duì)獨(dú)立的污泥齡和水力停留時(shí)間、污泥濃度高，以及占地面積小等諸多優(yōu)勢(shì)，但是膜污染問(wèn)題制約了膜生物反應(yīng)器的進(jìn)一步發(fā)展。膜污染問(wèn)題的突破是關(guān)系到MBR系統(tǒng)提升競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步拓展應(yīng)用的關(guān)鍵，但目前仍存在諸多研究和發(fā)展的挑戰(zhàn)，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）針對(duì)膜污染的不同類型，利用CFD及組合軟件模擬，以及分子生物學(xué)、顯微可視化等方法，分類探究不同廢水中膜污染復(fù)雜的形成機(jī)理，通過(guò)各種影響因素的聯(lián)合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)在線精確控制。

（2）開(kāi)發(fā)研制更經(jīng)濟(jì)、強(qiáng)度高、抗污能力更強(qiáng)、易清洗、能適應(yīng)高溫、高pH和抗溶劑、抗氧化、可重復(fù)使用、使用壽命更長(zhǎng)的新型復(fù)合材料作為MBR系統(tǒng)的膜組件。

（3）通過(guò)化學(xué)氧化處理、等離子體處理、經(jīng)典有機(jī)反應(yīng)、聚合物接枝等[13-16]膜材料的表面修飾方法提升膜的抗污染能力。

（4）從微觀角度出發(fā)，培養(yǎng)馴化抗污染的微生物種群，提升膜生物反應(yīng)器中膜的抗污染能力。

（5）對(duì)待處理廢水進(jìn)行預(yù)處理或?qū)BR工藝進(jìn)行優(yōu)化或開(kāi)發(fā)新型組合工藝緩解膜污染。

（6）采用機(jī)械防護(hù)、向MBR反應(yīng)器中投入物質(zhì)改善污泥特性等輔助措施降低膜污染。