操作條件與膜生物反應(yīng)器中膜污染的關(guān)系

楊 非，楊 麗

（馬鋼集團設(shè)計研究院有限責任公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

傳統(tǒng)活性污泥法的出水因不能直接回用，往往需要進行深度處理。21 世紀的工業(yè)污水處理中，膜分離技術(shù)有重要的地位［1］。膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor，MBR）是將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理有機結(jié)合的新型高效污水處理技術(shù)，它取代了傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池，具有出水水質(zhì)好，容積負荷高，占地小，剩余污泥產(chǎn)量少的優(yōu)點［2］，目前廣泛應(yīng)用于市政和工業(yè)廢水處理中。但是膜生物反應(yīng)器運行中產(chǎn)生的膜污染問題，會致使膜通量下降。頻繁的清洗和換膜又會極大地增加基建和運行費用，同時影響其穩(wěn)定性，是限制該技術(shù)進一步推廣的瓶頸。膜污染的影響因素有很多，一般認為可分為3 類：操作條件、混合液形狀和膜本身性質(zhì)，其中操作條件對膜污染有著重要影響。

因此，結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)研究，就MBR 膜污染機理及操作條件與膜污染關(guān)系做進一步綜述，旨在為緩解膜污染提供可行途徑，為推廣該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用創(chuàng)造條件。

1 膜污染機理概述

1.1 膜污染概念

膜污染是指被處理料液中的微粒、膠體和溶質(zhì)大分子在物理、化學或機械作用下吸附或堵塞在膜表面或膜孔內(nèi)，從而使膜透過流量與分離特性下降的現(xiàn)象［3］。

1.2 膜污染分類及產(chǎn)生機理

一般來說，膜污染可以按可清洗程度、污染源的性質(zhì)和膜污染成因來分類，具體分類見表1。

表1 膜污染的分類

1.3 膜污染的表征

膜污染程度一般可用總阻力來表征?？傋枇由膜阻力Rm、膜孔堵塞阻力Rb、凝膠層阻力Rg、泥餅層阻力Rc、濃差極化阻力Rcp共同組成［6］，膜過濾阻力分布示意圖見圖1。

圖1 膜過濾阻力分布示意圖

根據(jù)達西（Darcy）定律：

式中：J—膜通量，L∕（m2·h）；

P—跨膜壓差，Pa；

μ—透過液粘度，Pa·s；

R—總阻力，m-1。

膜污染呈現(xiàn)的效果即總阻力R的不斷增大。恒壓過濾時，膜污染加劇反映為膜通量下降；恒通量過濾時，膜污染加劇反映為跨膜壓差升高。

2 操作條件對膜污染的影響

影響膜污染操作條件的參數(shù)有很多，如膜通量、跨膜壓差、曝氣量、錯流速率、水力停留時間、污泥齡、溫度、pH、進水水質(zhì)、間歇操作等。

2.1 膜通量對膜污染的影響

膜通量（membrane flux）是膜過程的基本參數(shù)，主要由驅(qū)動力和總阻力共同決定，其中驅(qū)動力主要為跨膜壓差（transmembrane pressure，TMP）。MBR有恒通量和恒壓力2 種操作模式。在恒通量操作下，通常認為存在一個臨界通量，當實際通量高于臨界通量時，膜污染速率迅速上升。Madaeni等［7］研究表明，臨界通量在混合液懸浮固體濃度（MLSS）3～10 g∕L 范圍內(nèi)，隨MLSS的升高而線性下降。俞開昌等［8］采用通量階式遞減法得出，曝氣強度增加會提高氣水二相流的紊動性，進而增大臨界通量，次臨界通量下系統(tǒng)運行穩(wěn)定，膜污染速率減緩，但是，這只適用于短期運行。Wei 等［9］發(fā)現(xiàn)即使在次臨界通量下運行，TMP 也只在較短時間內(nèi)緩慢增加而后驟增，這是由于長期次臨界通量下運行，雖然膜污染速率小但仍在發(fā)生，輕微的膜污染逐漸累積導致局部膜通量超出臨界通量，從而使TMP 迅速增加。所以實際運行中，應(yīng)盡量選擇低的初始膜通量操作，這樣才能保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定且能耗較小。

2.2 跨膜壓差對膜污染的影響

跨膜壓差是指施加在膜兩側(cè)過濾的壓力差。同樣，在恒壓操作下，也存在一個臨界壓力，當實際壓力高于臨界壓力時，膜污染速率迅速上升。Yamamoto 等［10］發(fā)現(xiàn)，在操作壓力低于臨界壓力時，6 h 內(nèi)，膜通量只下降10%；而在操作壓力高于臨界壓力時，2.5 h 內(nèi)，膜通量已下降40%。這是由于不同的操作條件下形成的濾餅層厚度不同，高壓下的初始濾餅層較厚，膜通量相較于初始通量下降較大；而低壓下，初始濾餅層不會很厚，膜通量相較于初始通量下降不明顯。Hong等［11］發(fā)現(xiàn)，若初始TMP較低，可使膜通量下降速率變慢，膜污染速率減緩。Guo等［12］研究表明，超濾膜在低于0.1 MPa下的恒壓運行時可避免不可逆污染。

2.3 曝氣量對膜污染的影響

在一體式膜生物反應(yīng)器（SMBR）的運行過程中，曝氣量決定了膜面流體的紊亂程度。進行曝氣既可為微生物供氧，滿足底物降解和細胞合成的需求；同時其形成的氣水二相流流速增大，膜面流體湍流程度增加，形成大的水力剪切力，沖刷膜面，抑制濃差極化現(xiàn)象和濾餅層的形成。Ueda 等［13］發(fā)現(xiàn)，使用較大曝氣量可有效增大膜通量，緩解膜污染。Shimizu等［14］發(fā)現(xiàn)，曝氣強度增加使膠體及顆粒不易沉積在膜面。劉銳等［15］研究表明，對中空纖維膜進行曝氣，可防止凝膠層厚度增加，極大延長膜清洗周期。但曝氣量并非越大越好，過大的曝氣量會破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)，加劇膜孔堵塞，增大膜污染速率。Hong等［11］指出存在一個臨界曝氣量，當實際曝氣量超過其值時，通量增加不明顯，且較大曝氣量提供的過量溶解氧會抑制反硝化作用。因此，在實際運行中應(yīng)將系統(tǒng)的曝氣強度控制在最佳曝氣量。

2.4 錯流速率對膜污染的影響

對于外置式膜生物反應(yīng)器（CMBR），錯流速率（CFV）決定了膜面附近流體的流態(tài)。CFV 增大，湍流程度增大，水力剪切力變大，濾餅層厚度減小。Psoch 等［16］認為較大CFV 可有效減緩膜污染。Defrance等［17］發(fā)現(xiàn)，隨CFV 增加，膜通量近似線性增大。劉浩亮等［18］采用自主研發(fā)的同心旋轉(zhuǎn)平板膜組件實現(xiàn)主動錯流式膜過濾，發(fā)現(xiàn)其比靜態(tài)膜具有更大的CFV。膜面轉(zhuǎn)動形成的強力湍流，能有效延緩膜污染速率。但CFV 并非越大越好，過大的CFV同樣會出現(xiàn)反效果，且能耗更大。Thomas 等［19］發(fā)現(xiàn)當CFV 大于3 m∕s，污泥絮體破碎，形成主要由小顆粒構(gòu)成的致密濾餅層，反而使膜通量減小，TMP增大。

2.5 水力停留時間對膜污染的影響

水力停留時間（HRT）通過影響活性污泥混合液形狀而間接影響膜污染。若采用較短的HRT，則為微生物提供較多營養(yǎng)物質(zhì)，加速微生物增殖，使混合液MLSS 和黏度上升，加快膜污染速率。Harada等［20］研究表明，過短的HRT 會導致溶解性微生物產(chǎn)物累積，使膜通量降低。Huang等［21］認為，HRT的降低使溶解性微生物產(chǎn)物中蛋白質(zhì)類物質(zhì)增加，吸附在膜面引起膜污染。

2.6 污泥齡對膜污染的影響

污泥齡（SRT）是活性污泥混合液形狀的決定性因素，并以此間接影響膜污染。SRT與MLSS、黏度、胞外聚合物（EPS）、溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）和污泥粒徑息息相關(guān)。Meng 等［22］研究表明，適當增加SRT 可減少溶解性微生物產(chǎn)物含量，減緩膜污染。但SRT 并非越長越好，過長的SRT 會使污泥濃度增加，內(nèi)源呼吸加劇，膠體物質(zhì)增加使膜污染速率變大。Lee 等［23］發(fā)現(xiàn)，過長的SRT 會使總的膜污染增大。曹占平等［24］認為，通過控制SRT，可使由氧化還原電位（RH）、電動電位、懸浮固體濃度（SS）等主要膜污染影響因子引起的比阻維持在較低水平。因此，實際運行中需要對SRT 進行適當?shù)目刂疲话阏J為控制在20～50 d 時［25］有利于穩(wěn)定溶解性微生物產(chǎn)物，從而較為有效地抑制膜污染。

2.7 溫度和pH值對膜污染的影響

溫度和pH 值屬于環(huán)境條件參數(shù)，通過影響混合液性質(zhì)間接影響膜污染。溫度會影響污泥顆粒粒徑和黏度等；pH 值則會影響RH、Zeta 電位，且可對膜面改性，進而改變膜和污染物之間的靜電作用力，影響膜污染。Gao 等［26］發(fā)現(xiàn)，隨著溫度上升，EPS、SMP 和膠體物質(zhì)含量逐漸增多，在高溫下會產(chǎn)生更多不可逆污染。Ognier 等［27］發(fā)現(xiàn)存在一個pH值臨界點，當大于此臨界點時膜污染迅速增加，臨界點隨溫度的升高而降低。

2.8 進水水質(zhì)對膜污染的影響

進水水質(zhì)會對系統(tǒng)內(nèi)微生物代謝和膜分離過程產(chǎn)生影響。Lin 等［28］認為進水中無機污染物會和微生物發(fā)生作用共同沉積在膜面，形成致密的濾餅層。陳康等［29］研究表明，隨著鈣離子濃度的增加，TMP增長趨勢減緩，膜污染減小。

2.9 間歇操作對膜污染的影響

間歇操作屬于MBR 系統(tǒng)運行方式。間歇出水通過短暫停抽，使向膜面的附著力消失，附著在膜面的沉積物在錯流剪切力的作用下從膜面剝離。Yamamoto 等［10］認為間歇操作可有效延緩膜污染發(fā)展。但并非停抽時間越長越好，過長的停抽時間會減弱其去除效果且減少系統(tǒng)的產(chǎn)水負荷，所以，實際運行中應(yīng)合理控制一個最佳抽停比。

3 結(jié)語

綜上所述，操作條件對膜污染有著重要的影響，但是現(xiàn)有的研究仍存在以下不足。

（1）各影響因素不是孤立的，而是有機的整體，共同對膜污染造成直接或間接的影響?，F(xiàn)有的研究大多停留在某一項因素的研究上，忽略了各個因素的協(xié)同作用。

（2）現(xiàn)有研究基本停留在試驗室的小試試驗水平，如何采用中試試驗等更為接近實際應(yīng)用的條件為工程應(yīng)用提供必要的指導，是今后要考慮的問題。

（3）現(xiàn)有研究大多以好氧MBR 為主，而關(guān)于厭氧MBR的研究不夠深入。

今后的研究可以重點針對以上幾點，逐步建立膜污染綜合評價機制和聯(lián)系緊密的模型網(wǎng)絡(luò)，深化對厭氧MBR的研究，并更多運用到實際工程中。

將膜的選擇、操作條件的優(yōu)化、混合液特性的改善和膜的清洗聯(lián)合運用，往往能夠取得更為顯著的膜污染控制效果。工程應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮，選擇高效、節(jié)能、便于操作、管理簡單的膜污染控制技術(shù)。