膜分離技術(shù)中控制膜污染的研究進(jìn)展

李天然 陳文請(qǐng)，2

（1四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 四川成都 6100652川大-日立環(huán)境應(yīng)用技術(shù)研究中心 四川成都 610065）

膜生物反應(yīng)器(M B R)的核心部分是膜組件，由于膜的孔隙非常小可以很好攔截反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)，使得反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度可以增長(zhǎng)的很高。M B R工藝擁有優(yōu)秀的處理效果，剩余污泥的排放周期長(zhǎng)、排放量少、極小的占地面積等優(yōu)點(diǎn)，得到了各方面的關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)M B R的各項(xiàng)研究與推廣應(yīng)用日漸增加。雖然膜生物反應(yīng)器在水處理方面具有各種優(yōu)點(diǎn)，但是相比于傳統(tǒng)活性污泥法其運(yùn)行費(fèi)用、投資成本較高，使得它的實(shí)際應(yīng)用與推廣受到了極大地限制。M B R的運(yùn)行費(fèi)用主要來(lái)自膜組件的購(gòu)買價(jià)格高、膜的使用壽命段和系統(tǒng)能耗大。隨著對(duì)膜的研究，膜的價(jià)格趨于商業(yè)化；膜的更換頻率與M B R系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有關(guān)，但膜污染是影響M B R系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因；M B R系統(tǒng)的高能耗由多方面的因素造成，其中膜污染會(huì)使膜通量降低，而為了保持膜通量不變必將增加能耗。可見，膜污染是限制M B R應(yīng)用和與推廣的主要原因。為了尋找有效的控制膜污染的方法，各國(guó)研究者們進(jìn)行了大量的研究，減緩膜污染的主要方法有在進(jìn)入M B R系統(tǒng)前對(duì)進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理；改變膜池的活性污泥；優(yōu)化膜生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與操作條件；對(duì)現(xiàn)有的成品膜進(jìn)行改性研究；開發(fā)抗污染能力強(qiáng)的新型膜材料。

1 膜污染

膜污染是指在膜過濾過程中，水中的微利、交通離子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相符作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，膜通量變小的現(xiàn)象。膜污染產(chǎn)生后會(huì)使得膜組件的通量不斷下降，同時(shí)跨膜壓力會(huì)不斷增大。膜污染可分為可逆污染和不可逆污染，也可分為生物污染、有機(jī)污染和無(wú)機(jī)污染。

2 膜污染的影響因素

MBR系統(tǒng)內(nèi)的膜污染和隨之發(fā)生的膜通量下降受膜池內(nèi)活性污的影響很大。污泥黏度、污泥內(nèi)的污染物種類與含量和胞外聚合物（E P S）等對(duì)此都有影響，而膜組件的結(jié)構(gòu)形式、MBR系統(tǒng)的操作條件、膜組件的工作方式等決定了引起膜污染的主要因素。宏觀上，膜污染的形成主要受三方面的影響：膜的性質(zhì)、活性污泥的性質(zhì)和MBR系統(tǒng)的操作條件，三個(gè)方面相互影響并相互制約。

2.1 膜性質(zhì)

與膜污染有關(guān)的膜性質(zhì)主要有：膜材料本身的性質(zhì)、膜孔徑的大小與分布、膜自身所帶的電荷性質(zhì)、粗糙度以及親/疏水性質(zhì)等。

在厭氧M B R系統(tǒng)中使用不同材質(zhì)制成的膜組件，對(duì)其對(duì)其膜污染情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)膜污染以外部污染為主，即在無(wú)機(jī)物在膜面的沉積，微生物的粘附和對(duì)溶解性有機(jī)物的吸附。研究結(jié)果表明，在同樣的條件下運(yùn)行時(shí)，聚砜膜、纖維素膜的污染趨勢(shì)明顯大于聚偏氟乙烯膜。

Magara等[1]研究了不同膜孔徑的膜對(duì)過濾水質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)膜的截留分子量低于20000時(shí)，隨著膜的截留分子量的增加，出水C O D的濃度也隨之增加；而當(dāng)截留分子量高于20000時(shí)，出水C O D的濃度不再隨截留分子量變化而變化。Shimizu等[2]研究了膜孔分布在0.01μm～1.6μm的一系列膜的過濾性能，結(jié)果表明孔徑分布在0.05～0.2μm的膜相比于其他孔徑分布的膜具有更大的通量。

當(dāng)膜池混合液與膜表面電荷電性相同時(shí)，能減緩膜污染，提高膜通量。水溶液中的膠體粒子一般帶負(fù)電，所以選擇膜表面帶負(fù)電荷的膜組件，因?yàn)橥韵喑獾脑?，可以減緩膜污染。

一般認(rèn)為，膜的親水化程度越高，越耐污染。有研究表明，親水性膜的膜過濾阻力小于疏水性膜，在實(shí)際應(yīng)用中疏水性膜膜污染程度會(huì)大于親水性膜。但是，這一發(fā)現(xiàn)僅僅反應(yīng)了膜材料親疏水方面對(duì)膜污染影響的大致趨勢(shì)，不能作為規(guī)律使用。而且要取得影響膜表面性質(zhì)的所有微觀參數(shù)僅憑水的接觸角是不夠的。除了膜表面性質(zhì)影響污染源在膜表面的吸附自由能外，還需要考慮污染源的性質(zhì)。

2.2 活性污泥性質(zhì)

造成膜污染的物質(zhì)都源自于活性污泥。活性污泥的性質(zhì)包括：污泥濃度、污泥顆粒表面電荷和粒徑、活性污泥所含膠體粒子種類以及污染物等。因此，活性污泥對(duì)膜污染的影響是各種因素的綜合作用。

研究結(jié)果表明，污泥濃度在影響膜通量的同時(shí)還會(huì)影響對(duì)污染物的去除效果。膜組件的產(chǎn)水量與污泥濃度的對(duì)數(shù)值呈線性負(fù)相關(guān)，即污泥濃度越大，產(chǎn)水量越小，說(shuō)明此時(shí)膜污染月嚴(yán)重。Lim[4]研究了兩種不同粒徑分布的活性污泥對(duì)膜污染的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑大的污泥對(duì)膜污染的影響程度遠(yuǎn)低于顆粒粒徑小的污泥。

2.3 系統(tǒng)的運(yùn)行條件

膜生物反應(yīng)器的操作條件主要包括：膜池曝氣量、系統(tǒng)內(nèi)的溫度、膜池活性污泥負(fù)荷與產(chǎn)水泵的抽吸/停時(shí)間等。

通過增加膜池曝氣量，可以增大膜面水力擾動(dòng)程度，進(jìn)而減緩膜面泥餅層的增長(zhǎng)。其影響程度因膜面混合液流動(dòng)速度的大小和水流狀態(tài)而異。但是過大的膜面流速會(huì)使膜表面的污泥餅層變薄，可能會(huì)造成不可逆的污染。Magara等[5]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，每當(dāng)溫度升高1℃時(shí)，可以使膜通量獲得2%的增長(zhǎng)，主要是由溫度升高使得混合液黏度變小，此時(shí)膜過濾壓力減小所致。

肖榮恩等[6]通過五因素四水平正交實(shí)驗(yàn)考察了M L S S、膜通量、抽吸/ 停時(shí)間、曝氣量、反應(yīng)器升流區(qū)與降流區(qū)面積之比對(duì)膜污染的影響，發(fā)現(xiàn)這五種因素對(duì)產(chǎn)水時(shí)的抽吸壓力上升速率的作用程度是不一樣的，其影響程度由大到小依次為：膜通量>MLSS>抽吸/ 停時(shí)間> 曝氣量> 反應(yīng)器升流區(qū)與降流區(qū)面積之比。

3 減緩膜污染的技術(shù)

3.1 改變污泥混合液特性

通過在MBR中添加絮凝劑，一方面可以使活性污泥絮凝成團(tuán)，膜表面生物膜的多孔性得到改變，提高了膜的過濾性；另一方面可以去除進(jìn)水中難降解的大分子有機(jī)物，以達(dá)到減輕膜污染的目的，且絮凝劑的加入不影響生物活性。

Kim[7]通過在反應(yīng)器內(nèi)添加粉末活性炭(PAC)來(lái)與原有的活性污泥進(jìn)行超濾膜的過濾特性研究。研究發(fā)現(xiàn)，加入PAC后，不僅減小污泥絮體的可壓縮性，同時(shí)增大沉積層的孔隙率，而且使微生物分泌的胞外聚合物減少，提高了膜通量。Seo等[8]發(fā)現(xiàn)，向MBR添加適量（約5%）體積的PAC也能促進(jìn)活性污泥顆?；?，從而減輕膜表面的濾餅層污染，提高膜的臨界通量，但當(dāng)PAC投入量過大時(shí)（超過40%），會(huì)使污泥黏結(jié)活性炭形成嚴(yán)重的濾餅層污染。

3.2 優(yōu)化運(yùn)行操作條件

3.2 .1合適的曝氣量

曝氣可以有效緩解膜表面的濾餅層的形成及濃差極化現(xiàn)象。合理的曝氣避免了膜表面凝膠層增厚，減少污染物質(zhì)的積累，減少了膜孔的堵塞，膜的運(yùn)行周期也延長(zhǎng)了。秦哲等[9]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)曝氣強(qiáng)度低于0.88 m。m·h-1時(shí)，水力剪切力主要作用是消除膜污染，不會(huì)對(duì)活性污泥的性質(zhì)產(chǎn)生影響，因此膜污染速率隨曝氣強(qiáng)度增加而減緩隨曝氣強(qiáng)度增加而減緩；而當(dāng)曝氣強(qiáng)度高于0.88 m?！·h-1時(shí)，水力剪切力過大，破壞了污泥絮體結(jié)構(gòu)，使SVI增大，從而加速了膜污染，使膜污染速率隨曝氣強(qiáng)度的增加而增加。

3.2.2 合適的膜表面錯(cuò)流速度

一般認(rèn)為膜表面的錯(cuò)流速度越大，膜的臨界通量也越大。Defrance等[10]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膜表面的循環(huán)流速達(dá)到4m/s后，繼續(xù)增加循環(huán)流速對(duì)臨界通量不再有影響。Chang等[11]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)膜表面的氣流速度對(duì)膜的極限通量也有類似影響，當(dāng)氣流速度增加到3m/s后，膜的極限通量不再增大。

3.2.3 適宜的污泥濃度

由于膜生物反應(yīng)器可以保持很高的污泥濃度，因此相對(duì)與傳統(tǒng)活性污泥法其進(jìn)水負(fù)荷越低。但污泥濃度過高，在反應(yīng)器內(nèi)會(huì)積累大量的溶解性有機(jī)物（SMP）和胞外聚合物（EPS），加速膜污染[12]。污泥質(zhì)量濃度對(duì)膜透水量和過濾阻力有直接影響。污泥質(zhì)量濃度增加，過濾阻力上升，透水量下降。目前，歐洲所使用的膜生物反應(yīng)器中污泥濃度保持在12g/L～16g/L[13]。

3.2.4 反沖洗

反沖洗也可以很好的恢復(fù)膜污染。

3.2.5 間歇操作

對(duì)于浸沒式MBR，間歇出水可以有效抑制膜污染，能有效膜污染速率大大減緩。

3.3 膜材料的改進(jìn)及膜組件優(yōu)化設(shè)計(jì)

有機(jī)聚合膜經(jīng)常用于膜生物反應(yīng)器中。聚偏氟乙烯、聚砜、聚烯烴類等是常用的有機(jī)聚合膜材料。呂曉龍等[16]進(jìn)行的親水改性研究中發(fā)現(xiàn)改性后膜的親水性顯著提高，加強(qiáng)了膜的抗污染能力，膜通量顯著提高M(jìn)uhammad考察了膜生物反應(yīng)器中MnO2動(dòng)態(tài)膜的形成對(duì)微濾膜過濾特性的影響，動(dòng)態(tài)膜的形成在很大程度上減輕了顆粒物對(duì)膜孔的堵塞，膜通量顯著提高，運(yùn)行時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。

在對(duì)膜組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮膜組件安裝型式與水力學(xué)的關(guān)系。目前常見的是外壓型中空纖維膜組件，可在穿流(入流與中空纖維膜絲垂直)或軸流的條件下操作。

4 結(jié)語(yǔ)

膜生物反應(yīng)器在水處理中的優(yōu)良性能，而使其備受關(guān)注，所以控制膜污染對(duì)膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用有著重要意義。通過對(duì)污泥混合液特性的改善，運(yùn)行操作條件的改善以及對(duì)膜材料的不斷改進(jìn)和膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，膜生物反應(yīng)器在實(shí)際的污水處理中將會(huì)越來(lái)越廣泛。

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