一体式膜生物反应器的膜污染及防治研究

Studies on membrane foulingand prevention of submerged membrane bioreactor

Xiao En-rong, Wu Zhen-bin, Liang Wei

　　(State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, The Chinese Academy of Sciences, Wuhan, 430072, China)

　　Abstract: Submerged MBR resolves the high energy-consumption and tends to replace the RMBR.Because of the good removal of SS, COD, N, P, bacteria and virus in wastewater, SMBR has been applied to treat and reuse several kinds of wastewater. Membrane fouling is the first to be resolved because it is the key factor to the steady running of the MBR and affect the life span of the membrane. Membrane fouling is relevant to many factors: the membrane material, the characteristics of sludge, the membrane flux, the on-off time of pump, the flow of aeration, the size of air bubble and the way of output. .Membrane fouling is able to be alleviated by optimizing the configuration of SMBR and operational parameters. The usual membrane cleaning methods include physical cleaning (such as aeration and reverse flushing) and chemical cleaning (such as the in- situ

　　Keywords: Submerged membrane bioreactor; membrane fouling; wastewater treatment; reuse

　　1引言

　　膜生物反应器（Membrane Bioreactor，简写为MBR）是一种将膜分离单元和生物处理单元结合的新型水处理技术，近几十年来得到迅猛发展。膜组件良好的固液分离效果，使MBR 可保持较高的生物量和较长的污泥龄，因此具有较强的生化降解能力。与传统废水生物处理工艺相比，MBR 具有生化效率高、有机负荷高、污泥负荷低、出水水质好、设备占地面积小、便于自动控制和管理等优点。虽然能耗较高、膜成本较高仍是目前限制膜生物反应器工艺发展的两大瓶颈，但是该技术已经在污水回用和难降解有机废水处理领域崭露头角，并在世界范围内许多实际工程中得到了成功地应用[1]。

　　2 SMBR 的特点与发展现状

　　MBR 按膜组件与生物反应器放置位置的不同可分为分置式MBR（Recirculated MBR）和一体式MBR(Submerged MBR)。RMBR（通常认为是第一代MBR），即膜组件置于生物反应器外部，通过泵将反应器中的泥水混合物送到膜分离单元，再经由膜组件分离泥水。RMBR 系统中的循环泵、膜加压泵耗能较大；并且循环泵产生的剪切压力会造成反应器内生物活性降低，使得RMBR 地应用受到一定限制。第二代 MBR（SMBR），即膜组件浸没于生物反应器中，通过底端曝气冲刷膜面，并通过抽吸作用将渗透液移出[2]，解决了第一代MBR 能耗高的问题，其能量消耗比RMBR 少1~2 个数量级[3]；并且具有较强的抗膜污染能力[4]。目前，SMBR 因占地面积少、运行和维护成本低廉而占据了市场较大份额。

　　SMBR 对SS、COD、NH3-N、细菌[5]及病毒[6]都有良好的去除效果，对NO3--N、P 也有一定的去除能力。污水中的SS 基本可以100%去除，COD 的去除率一般在90%以上，氨氮的去除率最高达到99%[7]。SMBR 对COD 的去除作用主要是由微生物完成的，膜自身对有机大分子的吸附、截留分离作用只占一小部分[8]，膜起到一定的强化和稳定系统的作用[9]。在SMBR 中, 膜的完全截留作用以及长的活性污泥停留时间（SRT）使得具有较长生长周期的硝化细菌得以生长并大量繁殖，因此在SMBR 中硝化细菌的浓度比传统的生物处理方法中高；另外由于SMBR 中污泥产量低，其它以氨氮为营养物的异养微生物数量少，使得硝化细菌的竞争对手少[10]，所以SMBR 具有很强的硝化作用[11,12]。但是SMBR 的除磷效果与传统工艺相比并不占优势，迟军等[13]比较了有厌氧段、无厌氧段时SMBR 的除P 效果，结果表明，在有厌氧段时，SMBR 对P 的去除率最高可达71.2%；无厌氧段时，除P 率最高达到31.7%。造成这种差别的主要原因在于设置厌氧段后，在好氧段聚磷菌可过量聚磷，而在厌氧段释P，通过排除厌氧段的剩余污泥达到的除P效果要好于排除好氧段污泥所达到的效果。

　　SMBR 因生化效能好，对污染物的去除效率高，在多种行业污水的处理与回用中均有应用，例如：家庭生活污水[14]、城市污水[15]、垃圾渗滤液[16]、制革废水[17]、洗车废水[18]、医院污水[5]、电镀车间废水[19]、农药废水[20]、中药废水[21]、印染废水[22]、采油污水[23]、食品废水[24]、制药废水[25]、焦化废水[26]、微污染水源水[27]等。在国外SMBR 已经成功应用于许多大型的污水处理或回用工程，国内由于起步晚，目前大规模的工程应用为数不多。

　　3 SMBR 的膜污染问题

　　膜污染是SMBR 运行中一系列增加膜阻力因素的总称。它是指与膜接触料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜存在物理、化学、生化或机械作用，引起膜面或膜孔内吸附、沉积以及微生物在膜水界面的积累，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性大幅度降低的现象[28]。

　　3.1 膜污染机理

　　造成膜污染的主要是两大类物质[29]：第一类是颗粒物质，主要是污泥的絮体，这类物质在膜表面沉积形成污泥层，形成可逆污染。第二类是溶解性大分子物质，主要为溶解性微生物产物（SMP）和胞外聚合物（EPC），这类物质会被吸附到膜表面形成凝胶层，甚至侵入膜孔内，占居膜内表面，造成不可逆污染。膜污染的形成可分为两个步骤[30]：（1）膜污染初期的通量下降是由浓差极化引起的。水中溶解性物质在膜表面附着，逐渐积累使浓度升高，在浓度梯度的作用下，及近膜面的溶质又以相反方向向料液主体扩散，平衡状态时膜表面形成一溶质浓度分布边界层，对溶剂等小分子物质的运动起阻碍作用，并且高的渗透压将进一步减少渗透通量，使得膜的通量降低。（2）长期的膜污染是溶质吸附和颗粒沉积造成的。膜表面高浓度的溶质可能发生沉降，形成凝胶层，悬浮颗粒达到膜表面形成沉积，此凝胶层和滤饼层减少了水力渗透能力，也减少了渗透通量。

　　3.2 膜污染的影响因素

　　3.2.1 膜特性

　　膜自身的特性(膜材质、亲/疏水性、膜孔径大小等)是影响膜对污水中固体颗粒、胶体吸附能力的大小的重要因素之一。膜材料有无机膜（如陶瓷膜）和有机聚合膜之分。无机陶瓷膜（如钛、锆的氧化物）显示出优越的水力、热力、化学抗性，但是造价昂贵因而在废水处理中的应用受到限制，多用于理论研究[10]。常用的有机

膜材料有聚烯烃、聚砜、聚偏氟乙烯等[31]。聚砜（PS）膜具有成孔性好，耐化学腐蚀、温度使用范围宽、机械强度好等优点，但是耐污染能力差；抗污染性比较好的有机膜材料有聚丙烯(PP) 膜[32]、聚乙烯(PE) 膜、聚丙烯腈(PAN) 膜和聚偏氟乙烯（PVDF）膜等。

　　膜表面张力的不同造成了膜污染倾向的差异，膜表面张力的色散相越大，膜越容易发生黏附使膜孔窄化[33]。膜的亲疏水性也影响着膜的抗污染能力，一般说来，亲水性聚合物膜不易受到生物溶质和生物性不溶物的污染。疏水性膜表面易形成一疏水性动力层，膜表面和生物物质间的疏水性相互作用使得其膜通量只能恢复50%，而亲水性膜通量可100%恢复[3, 34]。王猛等[32]通过对PS 和PP 两种膜材料在分离活性污泥泥水的比较中证明亲水性的PP 膜的抗污染性明显优于PS 膜。In-Soung Chang 等[35]比较了憎水性超滤膜(PM30)和亲水性超滤膜(YM30 )对不同种类活性污泥过滤中膜污染的差别，得出憎水性超滤膜膜面和膜孔比亲水性超滤膜对溶解性物质的吸附更容易，表现出更大的污染趋势。

　　膜孔径大小也影响着膜抗污染性能，渗透通量下降率随着膜孔径的增加而加快[36]。K-H Choo 等[33]的研究表明孔径在0.1um 附近时，初始消化液对膜污染的趋势最小。一般地，用于SMBR 的膜材料要求孔径分布窄、亲水性好、耐污染、易于清洗。

　　3.2.2 膜组件结构及类型

　　对于中空纤维膜组件，膜纤维丝间具有宽的间隙能更好地防止操作中活性污泥在膜表面的积累[36]。纤维膜直径、长度、压实密度和松紧度也是膜耐污性能的重要因素。Judd[37]在对用于SMBR 的中空纤维膜组件研究中发现：小的纤维膜管（内半径小）有更多的压力损失，大的膜管则有低的填料密度和比表面积，因此膜管内径存在最优值。用模型进行优化处理得到最佳纤维管内半径为0.2~0.35mm，长度0.5~3m。对于不曝气SMBR：小的纤维膜管，横向放置好于轴向放置；大的纤维膜管，在合适的错流条件下，轴向比横向好。而对于曝气系统：轴向放置优于横向。因此在SMBR 中按纤维管轴向垂直放置，有利于操作的稳定性及膜污染的控制。

　　SMBR 中常用的膜组件有中空纤维式、平板式和管式。平板式膜和中空纤维式膜的处理效果相似，但由于水力难以稳定控制中空纤维膜比平板式膜更易结垢；中空纤维膜成本低廉，可反洗，平板膜不易反洗，为减缓结垢，只能在临界通量以下操作[37]。Le-Clech 等[4]将管式SMBR 和RMBR 进行了对比，SMBR 底部用曝气形成气液错流；RMBR 通过液体循环形成液液错流，发现无论是处理人工配水还是实际下水道废水，SMBR 比RMBR 具有更低的膜污染倾向性。近年来中空纤维式膜组件在商业化膜组件中所占比例逐渐增加。

　　3.2.3 MBR 运行的工艺条件

　　（1）膜通量

　　膜通量是指单位时间单位膜面积通过物质的量，有时也称渗透速度，代表膜的处理能力。研究表明膜污染速率dp/dt 和膜通量膜通量呈指数相关[38]，因此，在高通量下操作，膜污染会很快发生，在低通量下操作，膜污染发生得较缓慢，但是过低的通量意味着膜的处理能力降低，在实际工程应用中则需要更大的膜面积。

[1] [2] [3] 下一页