膜生物反應(yīng)器膜污染及其防治技術(shù)

賈印宏

0 引言

膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactors，MBRs)是一種新型的高效生物處理技術(shù)，由于它在廢水資源化及中水回用方面的誘人潛力，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于包括石油化工、食品、印染以及生活污水處理中。但是，膜污染依然是影響膜生物反應(yīng)器運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的一個關(guān)鍵因素，同時也是影響膜技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。

膜污染是指MBRs內(nèi)混合液中的懸浮顆粒、膠體粒子或溶解性大分子有機物在膜表面和膜孔內(nèi)吸附沉積，造成膜孔徑減小或堵塞，使膜通量下降的現(xiàn)象。探析膜污染形成的現(xiàn)象及機理，確定減緩膜污染和膜清洗的方法成為該項技術(shù)研究開發(fā)的關(guān)鍵。

1 膜污染的表現(xiàn)

在膜生物反應(yīng)器操作運行過程中，由于膜的狀況不同、水力條件不同以及反應(yīng)器內(nèi)混合液性質(zhì)的不同，其污染情況也不盡相同［1，2］。如 Defrance 等［3］對分置式好氧 MBRs 的研究認為，膜的污染主要由占絕對多數(shù)的生物絮體起主導(dǎo)作用;You等［4］在厭氧消化液對膜生物反應(yīng)器的研究得出，對膜污染的主要貢獻為以無機物(如CaCl2等)及有機物的結(jié)晶等沉積于膜表面而引起通量下降;Chang等［5］和 Lesjean 等［6］的研究表明，細胞外產(chǎn)生的胞外聚合物(EPS)如多聚糖、蛋白質(zhì)等，既在曝氣池中積累，又在膜上積累，從而引起混合液粘度和膜過濾阻力增加。

2 膜污染的影響因素

膜污染的影響因素主要包括3個方面:膜的性質(zhì)、活性污泥混合液和膜組件的運行條件。

2.1 膜的性質(zhì)

膜的性質(zhì)包括膜的材質(zhì)、膜孔徑大小和膜表面特征等。膜的這些性質(zhì)在不同的情況下對膜污染產(chǎn)生的效果是不同的。Choo等［7］在對聚砜膜、纖維素膜和聚偏氟乙烯(PVDF)膜污染的比較中得出，PVDF受到的污染較少。

2.2 活性污泥混合液

1)活性污泥濃度。膜生物反應(yīng)器的最大特點是活性污泥濃度高。維持膜生物反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度，既降低了反應(yīng)器的污泥復(fù)合，增加了污染物的去除效果，又減小了剩余污泥的產(chǎn)量，使污泥處理工藝得以簡化。但研究表明［8］，過高的活性污泥濃度不僅不會促進污染物質(zhì)的去除，反而會增強膜污染，從而影響去除效果。

2)胞外聚合物(EPS)。隨著人們對膜生物反應(yīng)器內(nèi)微生物特性認識的深入，人們對膜污染的認識也逐步加深，人們發(fā)現(xiàn)胞外聚合物(EPS)對膜污染有較大的貢獻。EPS是來自微生物細胞分泌到體外的高分子粘性物質(zhì)，有較強的絮凝作用，其成分十分復(fù)雜，主要由多聚糖、蛋白質(zhì)、核酸、類脂等物質(zhì)組成。

3)活性污泥沉降性能。在污水生物處理中，活性污泥指數(shù)及污泥沉降比是反映污泥的沉降性能、判斷污泥是否膨脹和衡量污泥好壞的重要因素。王勇等［9］在膜生物反應(yīng)器運行過程中，考察活性污泥沉降性能的變化及其對膜污染的影響。結(jié)果表明，污泥沉降性能的變化對膜污染過程產(chǎn)生明顯的影響。電鏡觀察表明，污泥沉降性能對膜過濾壓差的影響與膜面污染層的結(jié)構(gòu)和厚度有關(guān)。

4)污泥混合液懸浮顆粒。很多學(xué)者對不同粒徑的懸浮顆粒在膜表面的沉積做了詳細的研究，Shimizn等［10］建立了膜面沉淀模型，以此為依據(jù)對膜組件模擬計算的結(jié)論是:微小粒子容易在膜表面沉積，其中以10μm的懸浮粒子最易沉積。而Kwon等［11］認為只有尺寸與膜孔徑差不多的粒子沉積才會引起嚴重的膜污染，而較大及較小粒子在膜上的沉積并不會影響其過濾特性。

2.3 運行操作條件

1)停留時間(HRT，SRT)。

水力停留時間(HRT)和污泥停留時間(SRT)是生物處理較為關(guān)鍵的部分。在膜生物反應(yīng)器中，它們的確定不僅關(guān)系到膜的污染［12］，最重要的是它們是膜生物反應(yīng)器運行好壞的決定因素。

在MBRs中，提高HRT可以為反應(yīng)器中微生物提供充分的營養(yǎng)物質(zhì)，使污泥的增長率提高，保持較高的MLSS值，從而更好的去除污染物。但Hideke［13］等研究認為，如果水力停留時間過長會導(dǎo)致污水中溶解性有機物的過度積累，吸附在膜表面形成凝膠層，影響膜通量，造成膜污染。

較長的SRT有利于世代期較長的特殊菌種的生長(如硝化細菌)，并且能提高大分子的分解［3］，還會導(dǎo)致微生物的內(nèi)源呼吸因而減少了剩余污泥產(chǎn)量，甚至可以達到無剩余污泥排放。但是隨著SRT的延長，微生物處于內(nèi)源呼吸期，大量微生物死亡，從上清液中溶解性代謝產(chǎn)物(SMP)積累，會比對數(shù)生長期產(chǎn)生更多的細胞碎片和胞外聚合物［6］。若大分子的SMP被截留在MBRs中，不但會污染膜，而且SMP會吸附在氣—水兩相的界面上導(dǎo)致氧傳遞的降低，而小分子的SMP則會穿過膜進入出水，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。因此在進行有效的處理操作之前，必須考慮污水特征而確定最優(yōu)污泥齡。

2)膜通量。

膜生物反應(yīng)器運行時，當(dāng)采用恒定壓力的操作方式，則存在一個臨界膜通量，當(dāng)運行時的膜通量大于臨界通量時，膜污染就會加重。因此在膜生物反應(yīng)器運行時，應(yīng)使運行時的膜通量低于臨界通量［14］。同時，膜透過壓力(TMP)也是一個重要的因素，當(dāng)膜生物反應(yīng)器運行采用恒定通量的操作方式，則存在一個臨界壓力，當(dāng)運行時的壓力大于臨界壓力時，膜污染就會加重。因此在膜生物反應(yīng)器運行時，應(yīng)使運行時的壓力低于臨界壓力。近來，次臨界通量［15］操作作為一個更為有效的概念而提上日程。次臨界通量操作就是在一定的操作條件下，使膜通量維持在臨界通量以下，來獲得MBRs長期穩(wěn)定運行。

Brookes等人［16］研究了有關(guān)四個長期運行的膜生物反應(yīng)器的次臨界通量，處理的水是與天然氣場的含油(不包含懸浮油)有機廢水類似的合成廢水。數(shù)據(jù)顯示，次臨界通量運行時所產(chǎn)生的膜污染跡線形狀與在臨界通量運行時所產(chǎn)生的跡線形狀有顯著差異。

除了以上影響膜污染的主要條件之外，膜污染還與被處理的污水水質(zhì)(特別是水中有機物的種類和濃度)、MBRs的特征尺寸、高度、曝氣系統(tǒng)布置、反應(yīng)器微生物種群之間的相互影響、膜本身對生物膜生長的影響等有關(guān)。

3 膜污染的防治

在膜生物反應(yīng)器的運行中，膜污染是在隨時隨地的進行著，并隨著操作運行的變化及活性污泥條件的變化而變化。因此，膜污染的防治工作自然是膜生物反應(yīng)器正常運行的重點。

針對膜污染形成的因素，減少膜污染的措施主要為以下幾方面:

3.1 改善混合液的理化特性

常規(guī)的做法是控制反應(yīng)器中混合液懸浮固體(MLSS)濃度，防止混合液中的固體物質(zhì)和SMP及EPS等在膜表面沉積。也可以通過改善MLSS的可濾性，即在混合液中加入PAC等絮凝劑，使混合液內(nèi)的COD迅速降低，減輕膜的負擔(dān)，提高混合液的可濾性，改善泥水分離性能和減緩濾餅層的形成，同時降低MLSS中EPS的含量，從而實現(xiàn)膜污染的控制［17］。

3.2 優(yōu)化操作運行條件

優(yōu)化操作運行條件的方法如錯流過濾、合理(空)曝氣、定期反沖或反吹、合理放置膜組件、間歇操作、選擇合適的出水方式等可以通過對水力停留時間及泥齡控制，從而在膜的物理維護上起到改善膜污染的作用。

You等［4］運用一種改進的厭氧膜工藝處理控制膜結(jié)垢，結(jié)果顯示厭氧膜處理結(jié)合產(chǎn)甲烷及好氧COD去除工藝在穩(wěn)定運行兩個月后，即使沒有對膜進行化學(xué)清理，也沒有發(fā)現(xiàn)嚴重結(jié)垢的現(xiàn)象。同時發(fā)現(xiàn)由于好氧反應(yīng)器中CO2的吹脫剝離作用，反應(yīng)器形成的無機沉淀物減少了，無機沉淀物被截留到兼性好氧菌的絮凝物中。

4 結(jié)語

膜生物反應(yīng)器中膜污染的問題是不可避免的。探求新的有效的膜污染控制技術(shù)是膜生物反應(yīng)器規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵所在。幾種技術(shù)的組合應(yīng)用能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢，如厭氧膜工藝、生物膜—膜生物反應(yīng)器、填料—膜生物反應(yīng)器、序批式膜生物反應(yīng)器等也將是今后解決MBRs膜污染問題的方向之一。

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