MBR膜污染形成机理及控制

２００６年２月

Ｆｅｂ．２００６

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文章编号：1673-1212(2006)01-0110-03

膜生物反应器（　Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｂｉｏ－ｒｅａｃｔｏｒ―ＭＢＲ）是将膜分离技术与生物反应原理相结合而开发的一种新型污水处理工艺。与传统工艺相比具有固液分离效果好、生物反应器内生物量高、污泥产量低、出水水质好、占地面积小等优点。但是在膜分离过程中出现的膜污染严重的影响了膜的通透性能，增加了工艺的运行成本，已成为影响该技术推广使用的一个关键问题。因此，有必要对ＭＢＲ膜污染的形成机理及主要影响因素进行分析并研究相关控制方法，以期为推广该项新技术的工业化应用创造条件。

１ ＭＢＲ膜污染的形成机理及主要影响因素

１．１ 形成机理

所谓膜污染是指处理物料中的微粒、胶体颗粒以及溶质大分子由于与膜存在物理、化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附和沉积造成膜孔径变小或

堵塞，使膜通量及膜的分离特性产生变化的现象。［１］

造成

ＭＢＲ膜污染的直接物质来源是生物反应器中的污泥混合液，成分包括微生物菌群及其代谢产物、废水中的大小有机分子、溶解性物质和固体颗粒等。通常，在ＭＢＲ膜过滤过程中，膜污染的形成机理主要有以下几种：１．１．１ 小于膜孔径的颗粒物质在膜孔中吸附，通过浓缩、结晶、沉淀及生长等作用使膜孔产生不同程度的堵塞，造

成膜污染。

［５］１．１．２ 料液中的悬浮物、胶体物质及微生物被膜拦截，物质间通过吸附、架桥、网捕等作用结合在一起，在膜表面沉积形成沉积层，降低膜通量，造成膜污染。１．１．３ 膜穿透压力及膜孔的堵塞造成膜表面出现浓差极

化现象，当达到极限浓度后，溶解性难降解小分子有机物析出并与污泥混合液悬浮固体（ＭＬＳＳ）结合在膜表面形

成凝胶层，造成膜污染。

［５］

第二种机理形成的沉积层与膜表面的结合力较弱，控制膜出水通量在合理的范围内可减少污泥絮体在膜表面的沉积。此外，在膜过滤过程中，曝气或膜面错流等操作形成的剪切力和扰动作用基本可以将沉积层去除，它对膜的通透性能影响不大。造成膜通透性能降低的主要污染因素是膜孔的堵塞和凝胶层的形成。在膜过滤过程中水力作用很难将这两种污染去除，必须通过专门的膜清洗才能恢复膜的通透性，这也是导致工艺运行费用增加的主要原因之一。控制膜污染的主要目的是确保膜的通透性，降低运行成本。因而，膜孔的堵塞和抑制凝胶层的形成是ＭＢＲ膜污染控制的重点。１．２ 影响因素

影响膜孔堵塞的主要因素是料液中的生物相尺寸和膜自身的特性。一般生物相尺寸越小越容易堵塞膜孔且孔内微生物在营养物充足时会出现滋生现象，加重膜孔

堵塞程度。［１０］膜的特性主要有膜材质、膜孔径大小、空隙

率、亲疏性、电荷性质和粗糙度等。不同特性的膜吸附料液颗粒物的程度不同，所以污染的程度也不同。影响凝胶层析出的因素为料液生物相尺寸和反应器中的溶解性难降解有机物浓度。溶解性难降解有机物这里主要是指胞外聚合物（ＥＰＳ）会导致溶液粘度的增加，堵塞污泥絮体颗粒之间的空隙，改变膜面形成的空隙率的结构，是凝胶

层形成的主要因素。［５］生物相尺寸越小在过滤过程中越容

易达到膜表面，形成比阻更高的致密层，加速凝胶层的形成。此外，膜的出水通量在膜过滤过程中控制着浓差极化

收稿日期：　２００５－０９－２３

作者简介：蒋波（１９７９－），男，江苏徐州人，中国矿业大学环测学院工程系在读硕士研究生，主要研究方向为污水处理技术。

ＭＢＲ膜污染形成机理及控制

蒋波１，王丽萍２，华素兰３，张传义４

（１．２．３．４中国矿业大学　环测学院，　江苏　徐州　２２１００８）

摘 要：　膜污染问题是影响膜生物反应器（ＭＢＲ）技术推广使用的一大障碍。本文通过对ＭＢＲ膜污染的形成机理及主要影响因素的分析研究，认为造成膜通透性能降低及工艺运行成本增加的主要污染因素是膜孔的堵塞和凝胶层的形成，在膜过滤过程中，采用优化选择膜组件及运行操作条件、改善污泥混合液的生化特性、确定临界污泥浓度、膜清洗等方法可减少膜孔的堵塞，抑制凝胶层的形成，有效的控制膜污染。关键词：　ＭＢＲ 膜污染 凝胶层 胞外聚合物（ＥＰＳ）

中图分类号：X703 文献标识码：B

ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT

的程度，是影响凝胶层形成的主要外部因素。由以上分析可知，料液中的生物相尺寸、膜自身的特性，反应器中的ＥＰＳ浓度及膜表面的浓差极化是影响膜孔堵塞及凝胶层形成的主要因素。控制膜污染可以从这些影响因素入手。

２ ＭＢＲ膜污染控制的关键方法

针对造成膜孔堵塞和凝胶层形成的主要影响因素，可以通过膜组件的优化设计、改善污泥混合液的生化特性、确定临界污泥浓度、优化分离操作条件、膜清洗等方法进行控制。

２．１ 膜组件的优化设计

膜组件的优化设计包括膜材质、膜结构型号的优化选择、膜组件的合理布置等。膜材质具体的选择方式应根据料液特性来决定，对于有机膜来说，膜通常是由高分子材料作成，其本身带有荷电基团，根据同性相斥原理，选择和料液颗粒物电荷相同的材料制作膜组件可减少膜对污染物的吸附。疏水性膜比亲水性膜更容易吸附料液中的物质造成污染，宜选择亲水性膜材料制作膜组件。［１］对于膜结构来说，一般对称结构较不对称结构更易堵塞，中空纤维比双皮层膜抗污染能力强。膜组件的布置方式应结合水力形态的特征综合考虑，合理确定膜组件与空气扩散器之间的距离，以保证在一定瀑气量下获得较高的液体上升速率，减少污泥层在膜面的积累。

２．２ 改善污泥混合液的生化特性

在ＭＢＲ污泥混合液中投加活性炭粉末（ＰＡＣ）形成生物活性污泥（ＢＡＣ），可降低反应器中胞外聚合物（ＥＰＳ）的浓度，减少凝胶层的析出。Ｊ．Ｓ．Ｋｉｍ等将ＭＢＲ普通活性污泥与投加了ＰＡＣ的活性污泥的上清液中的ＥＰＳ作了对比，发现从投加ＰＡＣ的活性污泥上清液中萃取的ＥＰＳ的蛋白和多糖的含量比普通活性污泥的减少了５０％。［１］ＰＡＣ的加入改变了微生物的生理特性，抑制了ＥＰＳ的释放并且使污泥絮体可压缩性减少，凝胶层难以形成，因此可以通过改善污泥混合液的生化特性来抑制凝胶层的形成。

２．３ 确定临界污泥浓度

黄霞对ＭＢＲ膜污染形成机理研究后认为反应器中污泥浓度过高或过低都会使胞外聚合物（ＥＰＳ）浓度增加，加速凝胶层的析出，在曝气强度一定的条件下，存在临界污泥浓度。［１］反应器中污泥浓度控制在临界污泥浓度范围内时，污泥絮体可以在膜表面形成比较稳定的动态膜，既能防止细小颗粒及胶体进入膜孔，又可破坏浓差极化、抑制凝胶层的析出。［３］所以在确保出水水质的前提下，控制反应器中的污泥浓度在临界污泥浓度范围可减少膜污染。临界污泥浓度可以通过一定曝气强度下，压差上升速率随污泥浓度的变化情况来确定。压差上升速率最慢时对应的浓度既为临界污泥浓度。

２．４ 优化分离操作条件

膜出水通量大小的设定影响着膜表面浓差极化的程度。通常情况下，膜组件在一定的运行工况下存在着一个临界膜通量。所谓临界膜通量就是指确保ＭＢＲ工艺长期稳定运行不出现膜穿透压力急剧增加的膜出水通量。［１２］因而，控制膜出水通量在临界膜通量范围以内，可避免膜穿透压力急剧增加、浓差极化加重，降低凝胶层的析出。此外，膜组件在ＭＢＲ膜过滤过程中，进行适度曝气可以干扰滤饼层在膜面的沉积，破坏浓差极化，抑制凝胶层的析出，但是如果强度过高将会打破生物絮体，增加ＥＰＳ浓度，加速膜污染。张传义分别用３、６、８、１０ｇ／ｌ浓度的污泥溶液在不同曝气强度下进行实验，考察膜过滤阻力的构成情况，发现在低的曝气强度时，沉积层造成的阻力是主要构成因素且阻力随压力增加而降低。当曝气强度增加到一定程度后，由膜孔的吸附、堵塞和膜面凝胶层造成的阻力成为污染的主要构成因素且阻力表现出回升的趋势。［３］因而，存在一个经济曝气强度，即可有效地防止滤饼层在膜面的沉积，又不会将生物絮体打碎，增加能耗。经济曝气强度可以通过膜过滤压差上升速率来确定，不同污泥浓度的膜过滤压差随曝气强度的变化而变化。对应的压差上升速率最低时的曝气强度即为最佳曝气强度。合理曝气，优化曝气强度可以减少膜孔的堵塞，抑制凝胶层的形成。

对于错流ＭＢＲ而言，膜面错流和曝气一样可以起到干扰滤饼层沉积、破坏浓差极化的作用，但如果膜面流速控制不当，也会加重膜污染。　Ｋ．Ｈ．ＣＨＯＯ发现高的膜面流速可以减少生物固体在膜面的积累，但却使微生物絮体被打破，形成细小颗粒物，增加了膜孔的堵塞。［８］存在一个最佳流速范围，膜面流速控制在该范围内时，既能干扰滤饼层的沉积，又尽量不打破生物絮体。最佳流速的确定方法和经济曝气强度类似，即不同污泥浓度的膜过滤压差随膜面流速的变化而变化。对应的压差上升速率最低时的膜面流速即为最佳膜面流速。除合理曝气外，错流ＭＢＲ采用最佳膜面流速可有效控制膜污染。

２．５ 膜的化学清洗

前面介绍的几种方法都是针对在膜污染形成的过程中进行控制，力求将污染降到最小程度。一旦膜孔堵塞及凝胶层形成后，运行过程中的水力作用很难将其去除，必须进行膜清洗。常用的清洗方法有机械清洗、化学清洗、电清洗以及超声波清洗等。电清洗和超声波清洗效果最好，但运行费用太高。机械清洗效果不理想，一些与膜结合紧密的物质去除不掉。相比之下，化学清洗最为经济有效。

化学清洗是用化学试剂与膜内沉积物、污垢、腐蚀产物及影响通量速率和产水水质的其他污染物反应并将其

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