膜污染机制及防治和控制技术研究

膜污染的各种因素及EPS对膜污染的影响

膜污染是膜应用过程中普遍面临的问题，它主要来源于处理过程中溶液中的溶质沉积在膜表面或者进入膜孔内部，即膜面污染和膜孔污染，这两种形式的膜污染都会造成过膜压力的提高和膜通量的迅速下降。一直以来，关于膜污染的研究很多，主要集中在对具体形式的膜污染特点进行分析，或者针对某种特定水的膜污染特点进行分析。例如：

2009年清华大学的朱洪涛等人研究的在臭氧消毒的膜法水处理工艺中臭氧的投加量对膜污染的影响，具体内容在下文会介绍到。

2010年西安建筑科技大学的金鹏康等人采用热重分析法(TG)测定污染膜的表面沉积物变化情况，并利用光散射颗粒分析仪( PDA)评价膜过滤过程中膜表面截留液中颗粒物的沉积情况，同时借助扫描电镜(SEM)以检测膜表面和横截面污染物情况来分析超滤膜过滤过程，讨论不同截留分子量超滤膜的膜面污染和膜孔污染的关系。得出结论：（1）截留分子量越小，膜表面污染物质越多，其截留液的中颗粒物浓度在初始时刻增加显著。膜截留分子量的增加使得截留液颗粒物浓度逐渐减小，膜面污染较小。（2）截留分子量较小的膜，在初始时刻的过滤过程中主要是膜面截留的污染物质起主要作用，即首先形成滤饼层，滤饼层可进一步吸附截留水中污染物质，防止污染物质进入膜孔内部。但是对于截留分子量较大的超滤膜，由于膜孔相对较大，污染物质则相对容易进入膜孔内部，从而迅速造成膜孔内部污

染，膜面污染物质则较少。

2010年同济大学的董滨等人研究了不同泥龄下溶解性微生物产

物对膜污染的影响。溶解性微生物产物( soluble microbial product s ,SMP) 是指微生物代谢过程中产生的可溶性有机物，近年来在污水生物处理中备受关注，已被证实是引起膜污染的重要物质。SMP 的组成极为复杂，既包括疏水性物质(如腐殖酸和黄腐酸，也包括亲水性物质(如碳水化合物和蛋白质)，且其组分的相对分子质量和电荷性质不尽相同。目前,普遍认为SMP构成了二级生物处理水中溶解性有机碳(DOC)的绝大部分，并具有一些其他特性,如对生化反应的毒性、与金属的鳌合性等。SMP在MBR中的行为更为复杂。黄霞等对MBR长时间运行过程中SMP的积累情况进行研究，发现积累的SMP不仅抑制微生物代谢活性,而且产生膜污染，造成膜通透性下降. H. S. Shin 和S.T. Kang对SMP积累的相关研究指出，积累的SMP大部分来自微生物内源呼吸过程中细胞的解体。而SMP对膜的污染机理也逐渐成为更多MBR系统研究者的考察内容。其研究结果有：(1) MBR中及出水中的SMP质量浓度,随泥龄的延长呈先减小后略有增大的趋势,而SMP在MBR中的积累

程度及SMP的膜污染潜势随泥龄延长呈下降趋势,泥龄短时SMP积累和膜污染潜势显著增大,表明膜污染与SMP 积累密切相关.(2) MBR中与出水中SMP相对分子质量分布相似,表明膜对SMP不同相对分子质量组分的截留并非基于尺寸排阻。SMP的相对分子质量分布呈明显的双峰特征,随着泥龄由10d延至60d，泥龄短时的MBR中，SMP中的小分子组分积累显著,泥龄长时的MBR中，SMP中高分子组分的比例升高。据此

推测,相比高分子SMP，泥龄短时大量产生的小分子SMP对膜污染潜势的贡献较大.(3)在MBR中和出水中，随着泥龄的延长，蛋白质和碳水化合物质量浓度的变化趋势与总SMP质量浓度的变化趋势相似，碳水化合物占SMP的比例变化显著，从泥龄10d时的33.2 %下降至泥龄60d 时的24.2%，且出水中碳水化合物占SMP的比例大大低于MBR中的该比例数值，表明SMP中的碳水化合物较蛋白质更容易在MBR中积累,是造成泥龄短时膜污染潜势较高的主要物质。

关于胞外聚合物(Extracellular polymeric substance，EPS)对膜污染的影响：

2004年，哈尔滨工业大学的博士李绍峰及博士生导师黄君礼参与了广东省自然科学基金资助项目(04KJD013)，通过他们的研究及发表的论文，我了解到：在膜过滤过程中，污泥混合液的特性对于膜污染有着重要的影响，胞外聚合物( EPS)是微生物在一定条件下产生的高分子物质，普遍存在于活性污泥絮体内部及表面，主要成分为多糖、蛋白质及DNA等，其相对分子质量> 10000 Dalton。一般以2种形式存在，一种是紧密附着在细胞壁上的胞囊聚合物(TB)，另一种是以胶体或溶解状态松散存在于液相主体中的黏性聚合物(LB)。活性污泥的EPS占污泥干重的比例最高可达15%，絮体中总的EPS质量占活性污泥质量的80%左右。EPS在细胞之间构成一种架桥作用，形成紧密的细胞菌落，细胞通过这些胞外物质进行物质和能量的传递，可以抵御杀菌剂和有毒物质对细胞的危害，具有重要的生理功能。

近年来，许多研究认为EPS是膜污染最重要的生物因素。序批式

试验结果表明正常活性污泥中EPS浓度与膜污染程度之间存在线性关系，EPS是活性污泥中通量下降的主要原因。在污泥的每一个生理状态，EPS含量越高，膜污染越严重。MBR污泥浓度很高时，黏度和溶解性物质就成为膜通量下降的主要因素，而EPS就是造成混合液黏度增加的主要原因。

微生物被EPS包埋在里面，EPS为固着的细胞创造了一个由其本质所决定的微生物环境，特别是直接覆盖于细菌细胞壁外的EPS，其特殊的位置决定着它的成分及数量必然影响着污泥的表面特性、生物絮凝、沉降性能及脱水性能等，在活性污泥中具有重要作用。

对于EPS影响沉降性能的机理研究，主要集中在EPS对污泥表面电荷的影响上。研究表明，EPS的存在不利于污泥沉降，EPS的主要成分蛋白质、糖类、DNA 含量都与SVI成正比关系，沉降性能的恶化与高浓度EPS有关。

蔡春光等的研究认为EPS中蛋白质与总糖的比值与污泥的表面负电荷负相关，与污泥的疏水性成正相关。EPS中蛋白质含量越高，污泥的疏水性越强。王红武等的试验表明LB含量与SVI有很好的相关性。Wilen等认为LB含量的增加使污泥絮体界面粗糙度相对增加，同时，可能导致絮体Zeta电位增加，电泳迁移率增大，造成絮体与水分离的难度增大，因此，LB含量越高，污泥的沉降性能越差。

EPS具有很高的膜污染倾向，不同成分的EPS对于不同的膜在不同的操作条件下污染膜的能力也不同。污泥停留时间直接影响剩余污泥的产量、组成、生物特性和浓度。