降低膜生物反应器中膜污染的研究

万金保，伍海辉
（南昌大学环境与化学工程学院，江西 南昌33mm9）

　　摘要：根据膜生物反应器中膜污染的几种类型，分析了膜污染形成的原因，介绍了几种描述膜污染的数学模型。从膜本身性质、料液性质到操作过程等总结了几种防止或降低膜污染的方法，提出了曝气生物滤池与膜过滤组合降低膜污染的工艺。
　　关键词：膜生物反应器；膜污染；污水处理
　　中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009－2455（2003）03－0005－04

A Study on Reducing Membrane Fouling in Membrane Bioreactors

WAN Jin-bao,WU Hai-hui
(The Environmental and Chemical Engineering Institute of nanchang University,Nanchang 330029,China)

　　Abstract： Causes of formation of membrane fouling are analyzed based on several types of membrane fouling in membrane bioreactors，and a number of mathematical models describing membrane fouling are introduced. Methods to prevent or reduce membrane fouling are summed up in the respects of the nature of membrane itself，the characteristics of feed liquors.the operating processes，etc.，with a process to reduce membrane fouling proposed which combines aeration biological filter tank with membrane filtration.
　　Keywords：membrane bioreactor；membrane fouling；wastewater treatment

　　膜生物反应器（MBR）是利用高效分离膜组件取代二沉池与生物处理中的生物单元组合形成一套有机整体的水净化再生技术。MBR利用膜的截留作用，几乎能将全部的污泥及微生物截留下来，使生物单元具有很高的污泥浓度，不但提高了其对有机物的去除率，而且使其对氨氮的去除率也明显增高。MBR还具有占地面积少，出水水质好，运行稳定，操作简单，易于自动控制等优点，污泥停留时间与水力停留时间分离，克服了活性污泥与自身无法克服的缺点^［1］。
　　要使得MBR真正推广应用还需要克服膜污染、膜浓差极化、膜堵塞等问题，增加膜通量，延长膜寿命。

1 膜污染的类型

　　膜污染是由于被处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质分子与膜发生物理化学作用，或因浓度极化使某些溶质在膜表面浓度超过其溶解度，以及机械作用而引起的人膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。膜污染直接导致了膜通量下降，膜使用寿命大大缩短。膜污染分为可逆和不可逆膜污染。如浓差极化，可通过物理、化学和生物方法来减轻和改善的一类污染为可逆膜污染；而膜孔堵塞、不合理的料液性质使膜受到腐蚀及膜的自身劣化等称为不可逆膜污染。从污染物的性质又可分为有机污染，如胞外聚合物、溶解性有机物、蛋白质、脂肪及细微胶体等；无机污染，如废水中碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、凝胶无机胶体等；生物污染，如帘式中空纤维膜组件，其可视为柔性填料，处理不当，微生物易在其上面吸附生长，形成生物膜，造成水通量下降^［2］。

　　2 膜污染的数学模型

　　许多人从不同的角度建立了不同的污染数学模型，但在MBR中使用较多的还是用膜阻力系数来表征膜的污染程度。
　　

3 膜污染形成原因

　　膜污染导致膜通量下降，其形成原因概括起来可分为以下几种。
3.1 料液的性质
　　在MBR中泥水混合液的特性直接影响到膜的污染程度和膜的使用寿命，如反应器中的污泥浓度、pH值、泥水混合液的粘度及菌胶团的大小及特性等。
3.2 膜的结构和特性
　　膜的结构可分为对称膜和不对称膜，目前选用较多的是不对称膜；较早出现的对称膜组件，两侧是致密的分离层，中间是疏松多孔的支撑层，污染物质可能通过一侧致密层，却可能被另一侧的致密层阻挡，造成膜孔道的堵塞，所以一般来讲，不对称的膜组件较对称的膜组件更具抗污染特性。此外，膜孔径大小，膜的截割相对分子质量大小^［4］，膜的孔径分布，选用膜的材料的不同等都是影响膜污染程度的重要因素。
3.3 泥水混合液与膜之间的相互作用
3.3.1 静电作用
　　对于荷电膜来讲，膜材料带有极性基团，当与泥水混合液接触后，膜表面荷电，如果泥水混合液中所含的带电物质与膜所带的电极性相异则互相吸引，该物质吸附在膜表面使得膜被污染^［5］。
3.3.2 溶剂化作用
　　膜经过改性后，有亲水性和疏水性膜之分，亲水的膜表面与水形成氢键，这种水处于有序结构，当污泥或其它疏水溶质要接近膜表面，必须破坏有序水，这需要能量，不易进行，所以该种膜较疏水膜不易被污染。
3.4 膜操作参数的影响
　　膜操作参数包括料液流速，操作压力，温度，曝气速度，MLSS，污泥停留时间（SRT），水力停留时间（HRT）等。通常，对于分置式MBR来说，提高料液流速，大大提高了泥水混合液对膜表面的剪切力作用，可以降低浓差极化和沉积层的形成，提高水通量^［6］。在浓差极化现象不严重的情况下，可通过提高操作压力来提高透水率，但压力不是越高越好，因为随着压力的提高，膜表面凝胶层越易形成，加重膜污染。泥水混合液的粘度也会随着温度的提高而下降，可过滤性有很大提高，但是在提高温度的同时需要考虑经济效益和微生物的生长需要。对于一体式MBR，曝气量对于降低膜污染也是非常重要的，大的曝气量有利于提高膜表面的冲刷作用，减缓凝胶层的形成。

4 降低膜污染的几种思路

　　目前对膜污染的研究比较深人。在MBR领域，许多研究学者也从不同角度研究了降低膜污染的方法，下面将降低膜污染的几种思路归纳如下。
4.1 从膜组件考虑
　　在MBR中，用于泥水分离的膜组件要根据其自身的特点和操作特性来设计膜组件。天津膜天技术有限公司根据一体式MBR的特点设计出了帘式膜组件，由于污泥不易在膜上滞留，并且曝气时在膜表面较易取得较好的紊流效果，达到降低膜污染的目的。清华大学钱易教授等还作了MBR的水力学研究，提出了生物反应器越高，上升的流道越窄，下降流和底部通道越宽，越能较好地降低膜污染^［7］，这是由于在反应器上部污泥易下沉，导致膜附近污泥浓度低，降低膜污染。
　　膜材料的选择，孔径的确定及膜面亲疏水性的选择都在一定程度上影响了膜污染的降低^［8］。MBR中常用的膜材料有聚砜、聚丙烯睛、聚烯烃类等，王猛等对膜材料实验得出，聚丙烯类有优于聚砜抗污染的特点^［9］。还有人作过采用无机膜替有机膜组成MBR的研究，其优点是机械性好，寿命长，易拆卸清洗，但制造成本高，限制了它的使用。在MBR中，膜孔径的选择也非常重要，根据不同的泥水混合液性能（或者处理对象），选择不同的膜孔径，对于一体式MBR通常采用微滤，孔径约为0.1～0.2μm，而分置式MBR一般采用超滤，截割相对分子质量大约为 30000～50000。
4.2 从料液性质考虑
　　污泥浓度越高，污泥越容易在膜表面形成污泥层，导致膜污染。MBR的特点之一是能使反应器内污泥浓度较高，但从膜污染角度考虑，应将反应器浓度控制在一定范围内，而且料液中溶解性有机物在膜面的直接吸附也会造成膜面污染。天津大学杨造燕教授等分别对采用投加粉末活性炭或填料来改善料液的可过滤性作了大量研究^［10］；此外，泥水混合液的温度、pH值等均是影响膜污染，提高膜通量需考虑的因素。
　　料液在膜周围流态也是降低膜污染的考虑因素，早期膜过滤是采用径流式过滤。全量式过滤，造成极大的膜污染，尔后，人们提出了错流式过滤或非全量式过滤，这在很大程度上改善了膜的污染状况，近年来，又提出了穿流式膜过滤流态^［11］，膜表面紊流得到进一步加强，很好地降低了浓差极化所带来的膜污染。
4.3 从工艺角度考虑
　　宏观来讲，目前MBR分为两种类型.一种是一体式MBR，另一种是分置式MBR，对于后者由于在膜面有更高的剪切速度，形成较强的紊流流态，能够较好地控制膜污染，而一体式MBH属全量式过滤，尽管膜下部采用较高的气水化，对膜能较好地进行冲刷.有一定的抗污染性，但膜通量还是低于分置式MBR。
　　从生物单元考虑，由于MBR不仅局限于活性污泥和膜过滤的组合，还可采用其它生物工艺，如生物接触氧化，两相厌氧等等，为改善泥水混合的特性，可选择不同的生物工艺，我们正在进行生物曝气滤池（BAF）与膜过滤组合工艺的研究，生物曝气滤池属生物膜法的一种，微生物大部分附着在填料上，在不影响其对污染物去除率的同时，使得悬浮态微生物浓度大为降低，能有效地降低膜污染，而且由于膜过滤的截流作用，不但提高了出水水质，还使得悬浮态微生物浓度比常规BAF 高，又进一步提高了BAF的去除率和耐冲击负荷能力。但所遇到的一个问题是陶粒填料的堵塞问题，所以选择好的陶粒级配是实验成功的关键。
4.4 操作方式
4.4.1 错流过滤
　　过滤分为两种，即死端过滤和错流过滤，采用错流过滤的MBR简称CMBR，其过滤方式如图一所示。

　　对于错流过滤，滤液沿着膜表面流动，对膜表面有一定的剪切作用，降低了膜表面的层流层的厚度，防止了污泥在膜表面的沉积，提高了滤速采水率，减缓了膜污染。而死端过滤泥水混合液向膜表面运动，很容易在膜表面沉积，造成严重膜污染^［12］。
4.4.2 间歇操作
　　间歇操作，也就是降低膜污染中所常说的松弛法。对于一体式MBR，在抽吸数分钟后，再停下来空曝气，这样在上升气流的作用下，冲刷膜表面，有利于降低浓差极化的形成，同时沉积在膜表面的污染物也会在上升气水流的带动下脱离膜表面回到主体泥水混合液中，这也有利于降低膜污染。
4.4.3 其它操作条件的优化
　　在MBR中，操作参数很多，包括生物反应器容积（V）、污水处理量（Q）、进料浓度（Ci）、进料流速（Vi）、鼓泡速度、操作压力（或抽吸压力）、循环速度（Vc）、产水水质（Cp）和水量（Qp）、污泥质量负荷（Us）、体积负荷（Uv）、降解效率、膜清洗法及周期等^［13］。如何在众多的操作参数中选择最佳组合参数，既提高膜通量，又能降低膜污染，延长膜寿命，同时还不提高运行成本，这还有待于进一步大量的实验研究。

5 己污染膜的处理方法

　　对已污染的膜进行处理，使其恢复膜通量，目前归纳起来主要有三种方法，一是反冲洗，反冲洗是提高膜透水率和保护膜透水稳定性的重要技术，樊耀波教授曾对MBR的反冲洗周期做过研究^［14］，得出确定MBR的反冲洗周期公式，并探讨如何在实际运行过程中测得的最佳反冲洗周期，至于反冲洗水量，反冲洗压力还有待于进一步研究。二是水力冲洗，何义量教授等分别对分置式、一体式MBR的水力冲洗做了研究，得出用0.07MPa的带压水清洗 10 min能有效恢复膜通量^［15］。三是在线药洗^［16-17］，但采用在线药洗时需要小心谨慎，以免杀死反应器中的微生物，也可采用拆卸膜组件，用药水浸泡，通常采用的化学药剂有次氯酸钠、稀碱、稀酸、酶、表面活性剂、络合剂和氧化剂等，至于对于不同的膜采用什么药剂，用量是多少，配成什么浓度，清洗或浸泡多长时间有待于作更优化的研究。但针对不同的膜污染形成原因，应采取不同的措施。

6 结语

　　MBR水处理技术是未来水工业中极具生命力的一项新技术，是能真正实现污水回用，废水资源化的一项重要且竞争力强的技术，但其实际推广应用一直受到膜污染问题的困扰，如何解决污染问题是摆在从事MBR研究工作者面前的难题。相信会有越来越多的环保工作者从事这项研究与应用。

　　参考文献：

［1］ 黄霞，桂萍，范晓军，等.膜生物反应器废水处理工艺研究进程［J］.环境科学研究，1998，11（1）：40—44
［2］ KWANG—HO CHOO，CHUNG—HAK LEE.Mmbrane fouling mechanism in the membrane—coupled anaerobi cbioreactor ［J］Watres,1996,21(8)：1771——1779
［3］ 王湛. 膜分离技术基础［M］北京：化学工业出版社，2000.
［4］吴志超，曾萍，顾国维 膜截留分子量对污水分置式好氧膜生物反应器处理性能的影响［J］膜科学与技术，2001，21（4）：21—24.
［5］CHAIZE,A Huyard Membrane bioreactor on domestic wasterwater treatment sludge production and modeling approach ［J］Wat Scitech,1991，（11）：1591—1599.
［6］ Sarina J Ergas，Michael S McGrath.Membrane bioreactor for control of volatile organic ［J］.Journal of Environmental engineering.1997,25(6)：593—598
［7］刘锐，黄霞，钱易 一体式膜生物的水动力学特性［J］ 环境科学，2000，21（8）：47－50.
［8］P Gagliardo，S Adham，A Olivieri，et al.Evalution of an integrated membrane system for water repurification［J］ Wat Sci Tech，2002，16（10）：219—223
［9］王猛，柴晓利.膜生物反应器处理生活污水的工艺及膜材料的选择 ［J］环境科学与技术，2001，（3）：1—4
［10］杨造燕.膜生物反应器无剩余污泥排放的研究［J］。城市环境与城市生态，1999，12 （1）：16－18.
［11］郑祥，朱小龙，张绍圆.等 膜生物反应器在水处理中的研究及应用［J］重庆环境科学，2000，22（5）：12—17
［12］郑祥，樊耀波.膜生物反应器运行条件的优化及膜污染的控制［J］.给水排水，2001，27（4）：41—44
［13］高从楷、水处理中膜生物反应器简介［J］水处理技术，2002，28 （1）：60—62
［14］樊耀波，王菊思，姜兆春， 膜生物反应器中的最佳反冲洗周期［J］ 环境科学学报，1997，17（4）：339－444
［15］邹联沛，王宝贞，张捍民 膜生物反应器中的膜的堵塞与清洗的机理研究［J］.给水排水，2000，26（9）：73—75
［16］刘锐，黄霞，汪诚文，等.一体式膜生物反应器长期中的膜污染控制［J］ 环境科学，2000，21（2）：58—61
［17］B Jefferson，A L Laine，T Stephenson，et al.Advanced biological unit processes for domestic water［J］.Wat Sci Tech 2001，16（10）；211－217

---

作者简介：万金保（1952－）男，江西南昌人，南昌大学环境工程系教授，硕士生导师，主要从事水污染控制研究。