膜生物反应器（MBR）在污水处理过程中产生膜污染的研究现状及进展

时间：2024-07-28

高伟业陈健彬何亚鹏

（瀚蓝环境股份有限公司广东佛山 528251）

随着全球社会经济的飞速发展以及人口的增多，工业污水以及生活污水排放量的增加使得原本有限的淡水资源日益短缺，因此发展高效的污水处理技术成为当务之急。目前，膜生物反应器在理论研究上已经相对成熟，然而由于膜生物反应器在污水处理过程中容易产生膜污染问题制约了其实际应用，因此必须了解膜污染的形成过程并采取有效措施降低膜污染的影响。

1 膜污染对MBR在污水处理过程中的影响

由于膜组件在使用过程中被污染，会降低其膜通量，在没有有效预防措施的情况下要想维持反应器的继续工作就必须在膜污染后更换膜组件，并对更换下来的膜组件进行清洗工作，这就带来了严重的问题，首先是更换膜组件的过程会暂时中断膜反应器的工作，使污水处理不能得以连续进行，其次是更换和清洗过程本身就要耗费大量的人力和物力，增加了运行成本。基于以上因素，由于膜污染的存在，同时目前膜污染防治工作的缺失使得在污水处理领域MBR无法得到大规模的应用。

2 MBR在污水处理过程中膜污染的形成机理

在膜生物反应器处理污水的过程中，导致膜污染的原因是多方面的，并在膜过滤压力（TMP）的不同阶段分别或共同起到主导的作用。

图1 是膜过滤压力随膜过滤时间的变化曲线。从图1 中可以看出，在膜生物反应器开始运行的一段时间内（即图1 中的第一阶段），膜过滤压力随着过滤时间的增加呈现快速上升的趋势，导致这一现象的原因可能是由于在负压抽吸的作用下，由于胶体等小颗粒物的迁移速度较快，在污水通过膜组件时其中部分悬浮的胶体颗粒会堵塞膜孔，另外膜本身会吸附水溶液中的溶质，而这些物质本身由于粒径较小，其反向扩散迁移能力较弱，因此富集在膜孔之中，造成膜孔局部堵塞，使膜过滤的压力急剧上升。随着过滤时间的延长，污水中的污泥絮凝体随着水的流动被贴附于膜表面，但这些絮凝体本身粒径较大，迁移速度慢，并且其反向迁移的能力较强，因此沉积在膜表面的速度较慢，随着这些絮凝体逐渐在膜表面形成污泥层，也从一定程度上阻挡了后续胶体颗粒向膜孔中移动，因此表现为膜过滤压力随过滤时间增加而缓慢增长（图1 中所示的第二阶段）；随着过滤时间的进一步增加，在负压抽吸的作用下，附着在膜表面的污泥层会被逐渐压密，而且越靠近膜面则污泥层的密度越高，在压密到一定程度时，就会导致膜压力的急剧上升（图1 所示的第三阶段）。另外，微生物代谢产物（SMP）在膜孔和膜面的不断吸附也会导致TMP的上升。

图1 膜过滤压力随过滤时间变化曲线图

3 MBR中膜污染的防治措施研究概况

当前防治膜污染的措施按性质不同可分为物理方法和化学方法等，具体包括对进水进行预处理，投放吸附剂、絮凝剂等添加剂，优化工艺参数，膜的改性处理以及膜的物理清洗和化学清洗等。

3.1 增加预处理工序

由于待处理污水成分的不确定性可能会影响膜的使用效果，如某些工业废水中含有浓度较高的氨氮和金属离子，如Fe3+、Al3+、Mg2+等，这些金属离子容易与污水中其他有机大分子聚合物发生反应，使膜表面污泥层过早的形成，从而降低了膜的一次使用寿命；除此之外，过高或过低的p H值也容易导致影响膜的性能，甚至可能对膜产生腐蚀作用，因此在实际工作中应当在MBR进水增加预处理工序，具体措施有设置过滤、p H值调节工序等。如Kim等在2007年采用沸石/渗析器对进水进行预处理后发现氨氮的去除率可达90%以上。

3.2 向污水中投放添加剂

为了降低胶体、污泥絮凝体以及SMP等对膜孔的堵塞和对膜面的贴附，可向未经处理的污水中投放添加剂的方式，从而改变污水的成分，降低膜污染程度，增加膜的使用时间，实际工作中，可用作添加剂的有吸附剂、絮凝剂和其他化学物质。

3.2.1 添加吸附剂

常见的吸附剂有活性炭、沸石、分子筛、膨润土等，以活性炭为例，向污水中添加活性炭粉末可以吸附掉大部分悬浮的胶体颗粒以及有机溶质等，实验证明通过添加活性炭可以有效降低膜污染的程度，并大大延长了膜的使用寿命，然而Akram等在2008年研究发现过量添加活性炭非但不能降地膜污染，反而成为一种污染物加重了膜污染，因此必须要根据实际情况，经过反复试验得出最佳的添加量，使膜污染降为最低。

3.2.2 添加絮凝剂

絮凝剂的添加可以增强污泥的絮凝性能，增大污泥粒径，使大量的胶体颗粒、SMP等粒径小的物质被吸附在絮凝体的表面或内部，从而减缓膜污染。常见的絮凝剂包括有机絮凝剂和无机絮凝剂两种，经过研究发现，无机絮凝剂如硫酸铝、氯化铁等可有效增强污泥絮凝体表面疏水性，而聚丙烯酰胺、壳聚糖等有机絮凝剂则可增大污泥的粒径，因此可根据实际水质情况选择不同的絮凝剂。然而，无论是有机还是无机絮凝剂，都是属于化学物质，很难避免会产生副产物，这些副产物可能会带来新的膜污染问题。

3.3 通过改性处理增强膜的性能

提高膜的亲水性是降低膜污染的重要手段之一，在实际工作中，可通过对膜进行改性处理，将极性有机官能团引入到膜表面以提高其亲水性，常见的膜改性处理方法有涂覆、接枝、等离子体处理等。

3.4 采用科学的清洗方式

为使MBR工艺的不间断进行，在膜污染的情况下采用在线清洗的方式去除膜孔内和膜表面的堵塞物和附着物是一种常被采用的方法，有着操作简便、便于控制等优点，常用的在线清洗方式有传统清洗方式、超声波清洗以及化学清洗等。

3.4.1 传统清洗方式

传统的膜清洗方式包括压力水冲洗、反冲洗、曝气冲洗等，其中较常用的是曝气冲洗。在MBR运行过程中，增加曝气强度一方面可以改善水力条件，另一方面有利于气体上浮过程中带动水流对膜表面进行冲刷，从而去除部分附着物，降低膜污染。

3.4.2 超声波清洗

超声波清洗在降低膜污染中被认为是切实可行且行之有效的方法，主要利用超声波的高频振动冲击作用对膜表面及膜孔内部吸附的污染物剥离，刘昕等通过在线超声波清洗的方式成功降低了MBR运行过程中产生的膜污染，然而与曝气冲刷相类似的是，超声波的强度也不是越大越好，过大的超声波强度会打散污泥颗粒，并且可能会直接对膜组件构成物理破坏，因此在实际工作中一定要控制好超声波强度。

3.4.3 化学清洗

化学清洗就是利用化学药剂去除膜表面及膜孔内的污染物，一般去除效率较高，常用的化学清洗剂包括酸性、碱性、氧化性以及配位清洗剂等，针对不同的污染要选择适合的化学清洗剂。化学清洗方式的优点和缺点并存，优点是可以很方便地清洗掉相应污染物，缺点就是化学清洗过程中可能发生副反应以对膜造成新的污染，另外化学药剂本身对膜可能也会造成不同程度的损害，不利于延长膜的使用寿命。

4 展望

4.1 当前对于MBR在污水处理过程中膜污染的产生机理虽然进行了一定的研究，然而还有很多问题亟待解决，如在图1 中的第三阶段膜压力上升的原因还没有定论，对SMP的作用机理等还有待研究。

4.2 目前对膜污染的研究多为定性分析，而缺少科学的定量计算，因此建立科学的数学模型来分析膜污染问题应当是未来的一个研究方向。

4.3 当前对MBR的膜污染防治措施的研究只是建立在实验室的条件下，并且理论研究多过实践，因此在未来的工作中应当在此基础之上增加小试、中试规模的实践探索，不断积累经验，使膜污染的防治措施为工业化膜生物反应器污水处理服务。

4.4 随着科技的发展，出现了一些新型的膜生物反应器以及膜组件，在实验室条件下证实其膜污染程度比传统MBR中的膜组件低很多，可以看到目前科研工作者们更多的是致力于开发新型MBR和膜组件，而对于其膜污染程度为何降低研究不够，往往只是停留在猜想阶段，缺少相应的理论支持，因此对于这方面的研究也将是科研工作者未来的一项重要工作。