淺析MBR工藝中活性污泥性質(zhì)及其影響

伍曉洪

（中交廣州水運(yùn)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510221）

MBR（Membrane Bio-Reactor）又稱為膜生物反應(yīng)器，是將膜分離技術(shù)和活性污泥系統(tǒng)結(jié)合，形成的一種高效、新型的污水處理技術(shù)。20世紀(jì)60年末，美國的Dorr oliver公司首次在廢水處理中使用MBR取代二次池[1]。但由于當(dāng)時(shí)膜的成本高，MBR出水水質(zhì)不穩(wěn)定，該技術(shù)并沒有得到廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，Yamamoto等人將膜浸泡在生物反應(yīng)器，提高了MBR工藝的經(jīng)濟(jì)性和出水水質(zhì)的穩(wěn)定性，MBR工藝得到廣泛的應(yīng)用[2]。

與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，MBR工藝具有占地面積小、出水水質(zhì)穩(wěn)定、無需后續(xù)處理（如砂濾器）、易于自動控制等優(yōu)點(diǎn)[3]。但隨著時(shí)間增加，由于活性污泥與膜之間的相互作用以及運(yùn)行操作方面的原因，MBR膜會受到污染，膜通量下降，MBR處理效果降低[4]。本文介紹了MBR工藝及其影響因素，尤其是活性污泥性質(zhì)對MBR工藝的影響，論述了相關(guān)的MBR膜污染控制措施，旨在為減少M(fèi)BR膜污染和延長MBR的運(yùn)行周期提供參考。

1 MBR工藝

MBR主要由膜組件和生物反應(yīng)器兩部分組成。根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合方式不同，通常將MBR分為兩大類：分體式MBR和一體式MBR[5]。分體式MBR是指膜組件與生物反應(yīng)器分開設(shè)置。通過加壓泵將生物反應(yīng)器內(nèi)的混合液增壓后輸送至外置膜組件，在壓力作用下混合液通過膜實(shí)現(xiàn)泥水分離，過濾液為系統(tǒng)出水，固形物等大分子物質(zhì)回流到生物反應(yīng)器內(nèi)[6]。與分體式MBR不同，一體式MBR將膜組件浸沒于生物反應(yīng)器中，通過產(chǎn)水泵的抽吸，泵的出水為過濾液，即系統(tǒng)出水[7]。分體式MBR和一體式MBR的工藝示意圖如圖1所示。

分體式MBR的膜通量通常在50～120 L/（h·m2）之間變化，跨膜壓力（TMP）在1～4 bar的范圍內(nèi)；一體式MBR的膜通量從15～50 L/（h·m2）變化，TMP約為0.5 bar。一體式MBR的能耗低于分體式MBR，更具有經(jīng)濟(jì)性[8]。在全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的大背景下，大約有55%的膜生物反應(yīng)器采用的是一體式MBR系統(tǒng)[9]。本文選擇以一體式MBR工藝為主要闡述對象，介紹了影響MBR的主要因素，分析了MBR的膜污染控制方法。

圖1 分體式MBR和一體式MBR的工藝示意圖

2 MBR工藝處理效果的主要因素

隨著科技的發(fā)展，膜材料價(jià)格逐步下降，MBR工藝在廢水處理、中水回用等方面應(yīng)用廣泛，并進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段[10]。但是，MBR工藝隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，一些顆粒物質(zhì)和可溶性沉積物堆積在膜表面，形成一層膜污染，這層污染物被稱為“濾餅層”[11]。目前，對膜污染的影響因素主要?dú)w納為三方面，即活性污泥混合液性質(zhì)、膜的性能和操作條件等，具體情況如圖2所示[12]。MBR膜污染是MBR工藝的研究熱點(diǎn)和難題，同時(shí)也是限制MBR工藝應(yīng)用與發(fā)展的主要原因[13]。

圖2 MBR工藝膜污染的影響因素

3 活性污泥性質(zhì)對MBR工藝的影響

活性污泥混合液是MBR工藝中膜污染的物質(zhì)來源，直接影響MBR的出水效果及膜污染情況[14]。活性污泥的性質(zhì)包括污泥及成分、污泥顆粒大小、存在形態(tài)、沉降性、污泥表面電荷、SMP含量、EPS含量、混合液所含膠體粒子及溶解性有機(jī)物含量等，這些都會對膜污染產(chǎn)生不同程度的影響，而且這些性質(zhì)相互交叉影響[15-16]?；钚晕勰嗷旌弦旱男再|(zhì)與運(yùn)行操作條件密切相關(guān)，包括進(jìn)水水質(zhì)、曝氣量、溫度、操作壓力、產(chǎn)水抽吸時(shí)間等因素?；钚晕勰嘈再|(zhì)對MBR工藝的運(yùn)行及處理效果的影響是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，本文重點(diǎn)闡述污泥濃度、SMP含量以及EPS含量對MBR工藝的影響。

3.1 污泥濃度（MLSS濃度）

在MBR工藝運(yùn)行的過程中，混合液中的活性污泥直接與MBR膜接觸，其質(zhì)量濃度（MLSS）的大小反映了混合液中微生物的數(shù)量，直接影響MBR系統(tǒng)的生物處理效果，與MBR膜污染之間具有復(fù)雜的相互作用。MLSS濃度是MBR膜污染相關(guān)的重要參數(shù)，在一定范圍內(nèi)，MLSS濃度升高能適當(dāng)?shù)販p少膜污染程度[17]。但由于MLSS濃度和膜過濾阻力之間存在一定的相關(guān)性，隨著MLSS濃度的增大，高污泥濃度下污泥混合液中微生物數(shù)量多、胞外聚合物及溶解性微生物濃度高，膜過濾阻力增大，造成膜堵塞[18-19]。不同的MLSS濃度對膜的濾餅層阻力（Rc）、膜堵塞阻力（Rp）、膜臨界通量（Jc）的影響不同，如表1所示[20]。因此，在實(shí)際工程中采用MBR工藝時(shí)，需要根據(jù)廢水性質(zhì)，對MLSS濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以期達(dá)到最適應(yīng)MBR運(yùn)行的最佳條件。

表1 MLSS濃度變化對MBR膜污染的影響

3.2 SMP含量

SMP（Soluble Microbial Products）是指溶解性微生物產(chǎn)物，主要是微生物在降解原始基質(zhì)、進(jìn)行內(nèi)源呼吸或者應(yīng)對環(huán)境干擾過程中產(chǎn)生的溶解性有機(jī)物，這部分有機(jī)物絕大多數(shù)很難被微生物分解利用[21]。

SMP主要有以下產(chǎn)生途徑[22]。一是生長過程：微生物的正常生長代謝過程、維持細(xì)胞膜內(nèi)外濃度平衡產(chǎn)生SMP；二是內(nèi)源呼吸：微生物在饑餓狀態(tài)時(shí)因?yàn)樘荚床蛔?，進(jìn)行內(nèi)源呼吸，或給處于饑餓狀態(tài)的細(xì)菌突然添加碳源和能源物質(zhì)可加速細(xì)菌的死亡，產(chǎn)生大量SMP；三是環(huán)境刺激：微生物在面臨環(huán)境壓力（如高濃度外在能源、溫度變化、滲透壓的沖擊和毒性物質(zhì)的加入）時(shí)，會產(chǎn)生SMP以解除環(huán)境壓力。

研究表明，SMP對MBR膜污染影響顯著。SMP造成的MBR膜污染主要分為兩個(gè)階段：第一階段，隨著SMP濃度的增加，膜孔的堵塞與吸附會加重，引起膜阻力的上升，因此過濾壓差增大；第二階段，SMP會造成沉積層孔隙率的減小，沉積層比隨SMP濃度的增加而升高[23]。同時(shí)，SMP的積累會降低單位質(zhì)量污泥去除污染物的能力和污泥耗氧速率[24]。由于SMP含有各種親電取代基（如-OH、-SH和-NH2等），會抑制微生物的生長，降低微生物去除污染物的能力，具有一定的毒性，因此減少M(fèi)BR反應(yīng)器中SMP的濃度有利于提高M(jìn)BR活性污泥的降解效率[25]。

3.3 EPS含量

EPS（Extracellular Polymeric Substances，胞外聚合物）是在一定環(huán)境條件下由微生物代謝產(chǎn)生的高分子聚合物，其成分復(fù)雜，主要成分為多糖、蛋白質(zhì)、核酸、（磷）脂質(zhì)、腐殖質(zhì)以及在細(xì)胞表面或細(xì)胞外發(fā)現(xiàn)的其他聚合物等物質(zhì)，其中多糖和蛋白質(zhì)占其總質(zhì)量的75%～89%[26-27]。EPS帶負(fù)電荷、含水量高，是一種凝膠狀基質(zhì)，作為微生物細(xì)胞與細(xì)胞之間進(jìn)行物質(zhì)交換和能量交換的“橋梁”，是微生物細(xì)胞抵抗外界不良環(huán)境的保護(hù)層和營養(yǎng)吸收層，同時(shí)也是微生物生長繁殖過程中重要的碳源和能源，對微生物的生長和繁殖具有重要的作用[28-29]。EPS按照存在形式可分為兩種，即附著性EPS和溶解性EPS；按照胞外聚合物的結(jié)構(gòu)可分為，緊密附著型EPS和松散附著型EPS。

研究表明，EPS濃度會對MBR工藝的過濾效果產(chǎn)生影響，通常被認(rèn)為是MBR膜污染最重要的因素，多年來一直是MBR污染方面的研究熱點(diǎn)[30]。研究EPS對MBR污染的影響依賴于從活性污泥混合液中提取的EPS，但是目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)的提取方法，這增加了EPS的各項(xiàng)研究成果之間的比較難度。Wang等人通過傅里葉變換紅外光譜法、三維EEM熒光光譜法和凝膠過濾譜技術(shù)，發(fā)現(xiàn)EPS溶液具有較強(qiáng)的結(jié)垢潛力；MBR長期運(yùn)行的情況下，EPS與膜污染具有正相關(guān)性，而LB-EPS與膜污染的正相關(guān)性比TBEPS高[31]。EPS黏附性能主要受多糖影響，多糖含量比較高時(shí)，在較短的SRT中，SEPS的濃度增加會導(dǎo)致MBR膜結(jié)垢；增加SRT、降低SEPS含量，可使膜過濾阻力降低[32-33]。

4 MBR膜污染控制措施

在使用MBR工藝的過程中，MBR膜污染、出水水質(zhì)變差是由多方面的因素造成的，主要包括膜材料的選擇、膜組件安裝方式、進(jìn)水水質(zhì)、污泥混合液特性以及操作控制系統(tǒng)等。

對于膜材料，一體式MBR工藝中應(yīng)用得較多的是PVDF（聚偏氟乙烯）中空纖維膜絲，也有少數(shù)采用陶瓷平板膜。PVDF膜具有抗化學(xué)腐蝕、壽命長、高通量、易清洗等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。膜組件的安裝方式，則需要根據(jù)工程條件的不同，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。關(guān)于進(jìn)水水質(zhì)和活性污泥混合特性，要保證有一定濃度的活性污泥，日常運(yùn)行管理中，最直觀的方法是測量活性污泥混合液的SV30。SV30在一定程度上既反映污泥的沉降濃縮性能，又反映污泥濃度的大小。不同的廢水類型，SV30不同，印染廢水往往比較高，在90%～95%，而電鍍廢水比較低在10%～15%。

在MBR工藝運(yùn)行的過程中，出水水質(zhì)和跨膜壓差是MBR膜污染的主要表征指標(biāo)。在日常的運(yùn)行管理中，跨膜壓差是判斷MBR是否污染最明顯的直觀表征，其管理非常重要。浸沒式MBR的跨膜壓差一般最大為0.05 MPa，跨膜壓差的升高超過0.05 MPa，往往表示MBR膜受到污染，需要及時(shí)進(jìn)行清洗。

按照清洗手段不同，清洗方式主要分為物理清洗和化學(xué)清洗。物理清洗是指不采用化學(xué)藥劑，使用機(jī)械、水、空氣等進(jìn)行膜的清洗，常見的有水反洗、曝氣清洗、機(jī)械刮除等；化學(xué)清洗主要采用酸、堿或者EDTA試劑進(jìn)行清洗。根據(jù)清洗周期頻率不同，可分為維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗：維護(hù)性清洗一般3～7 d進(jìn)行一次，或者跨膜壓差過高就進(jìn)行維護(hù)性清洗，每次維護(hù)性清洗持續(xù)1～2 h；恢復(fù)性清洗一般是90～180 d，如果膜污染更嚴(yán)重，通過空氣沖刷與維護(hù)性清洗無法去除膜污染，采用恢復(fù)性清洗，恢復(fù)性清洗采用的是1%檸檬酸或者0.3%～0.5%硫酸/鹽酸，或用500～1 000 mg/L的NaClO。不同的污染類型，使用的藥劑不同。微生物污染，通常采用的是500～1 000 mg/L的NaClO，或者1.5%的H2O2。無機(jī)結(jié)垢物（氧化物、氫氧化物、不溶鹽）采用的0.1%～0.5% HCl或者2%的檸檬酸，對于油脂類污染物，則需要采用專門的試劑。膠體、蛋白質(zhì)類污染，則采用10%～20%的氯化鈉。

5 結(jié)語

膜污染是影響MBR工藝正常運(yùn)行的主要原因，造成膜污染的原因有很多，包括膜材質(zhì)、活性污泥混合液特性以及運(yùn)行條件等。其中，活性污泥混合液的特性是影響MBR運(yùn)行的關(guān)鍵因素，也是決定MBR膜清洗頻率的主要因素。因此，人們要深入研究活性污泥性質(zhì)，分析MBR膜污染的原因，制定有效的MBR抗污染措施，采取科學(xué)的清洗方式，為MBR工藝的應(yīng)用提供參考。