膜污染成因和控制方法的研究现状 陈楚楚 2120100523 导师 张丽老师 摘要 膜污染是限制膜生物反应器(MBR)应用和发展的瓶颈。本文简单介绍了两代膜生物反应器的组成结构，了解了膜污染的种类。然后详细分析了膜污染的成因，包括膜固有性质、膜分离操作条件、活性污泥混合液性质等对膜污染的影响。最后提出控制膜污染的方法，包括分离膜的选择、进水预处理、场效应、膜清洗、膜材料的改性等，并提出了MBR未来研究发展的重点方向。

关键词：膜污染；成因；控制方法；研究现状；

Research Status of Causes and the Control Methods of Membrane Fouling Abstract Membrane Bioreactor is under restriction in broad application and development because of membrane fouling. This paper supplely introduces composition structure of two generations of Membrane Bioreactor，and understanding the species of membrane fouling. Then detailed analysis the causes of membrane fouling，including the effects of the inherent nature of membrane，the separation operation condition of membrane and the activated sludge mixed liquor on membrane fouling. Finally puts forward some control methods of membrane fouling，including the selection of separation membrane，inflow pretreatment，field effect，membrane cleaning，improvement of membrane material etc，and the key research direction of MBR is also proposed.

Keywords：Membrane Fouling；Causes；Control Methods；Research Status；

膜生物反应器(MBR)是由膜分离技术与传统生物处理技术相结合而形成的一种新型高效水处理技术。它利用微生物的新陈代谢作用对反应基质进行生物转化，并利用膜组件分离反应产物并截留生物体，从而使它具有出水水质好、分离效率高、活性污泥浓度高、剩余污泥产量少、易于实现自动化控制等一系列优点[1-3]；但同时也存在膜分离技术的一些缺点，主要是能耗高、易堵塞、寿命短和

费用高等。这些问题实质上都是由膜污染引起。膜污染严重制约和影响了MBR在废水处理中的推广应用[4]膜生物反应器尤其是好氧膜生物反应器仍是膜法水处理专家们研究的热点，其中又以膜污染的机理以及应对措施的研究最多。因此，本文主要分析膜污染的形成机理、提出相应的防治措施。 1 膜生物反应器的介绍 第一代膜生物反应器使用管状膜，膜分离装置置于生物反应器之外并用泵进行水循环，称之为循环式(分置式)MBR，如图1所示。反应之后的泥水混合物经泵送入膜组件，透过液作为处理出水，浓缩液再返回反应器进一步降解。循环流导致了较高的能耗，典型值为3kWhm-3出水[6]。膜组件能耗的高低还取决于膜组件的构造[5]。液体在膜组件中的高速剪切流和循环泵的剪切力可以破坏微生物并直接导致生物反应器中的微生物失去活性。

图1 循环式（分置式）膜生物反应器示意图 浸没式(一体式)MBR首先在日本被开发并大量安装使用。它可以克服循环式MBR的缺点。在浸没式MBR中，膜组件直接浸没在泥水混合物中，透过液在抽吸泵的作用下流出膜组件，如图2所示。膜组件的下方有曝气装置，将空气压缩机送来的空气形成上浮的微气泡；在曝气的同时，紊动的液流在膜表面产生剪切力，有利于去除膜表面的污染物。浸没式MBR能耗的典型值为0.8kWhm-3

出水[6]。当前浸没式MBR技术发展迅速，主要是因为此种构造的膜生物反应器具有较低的制造、维护和运行费用。使用的膜组件可以是垂直或水平放置的中空纤维，或者是垂直安放的平板膜[7]。 使用MBR的最主要限制因素是经济性[8]。和普通分离装置相比，膜组件的费用高、寿命短。膜分离的驱动力是压力差，这意味着操作费用也很高。为了使MBR装置有较好的经济性，必须优化设计膜分离步骤，充分控制膜污染。 图2 浸没式（一体式）膜生物反应器示意图 2 膜污染的分类及成因研究 MBR工艺的广泛应用不仅取决于自身的技术可行性，还取决于经济可行性；较高的运行费用是MBR推广应用中遇到的主要问题。膜生物反应器运行中的能耗问题实质上就是膜污染问题。在了解膜污染机理的基础上，选用适当的膜组件和操作方式可以有效地控制膜污染，提高膜与整个系统的使用性能和寿命。

2.1 膜污染 废水中的固体颗粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理或化学作用而引起在膜面上的沉积或膜孔内的吸附造成膜孔径变小或堵塞，使膜的透水阻力增加，妨碍了膜面上的溶解与扩散，从而导致膜发生通量降低与分离性能变差的不可逆变化[9] 图3概括地列出了膜污染分类及其产生原因[10]。

图3 膜的污染分类及其产生原因 2.2 膜污染的种类 2.2.1无机污染 膜的无机污染主要是指碳酸钙与钙、钡、锶等硫酸盐及硅酸盐等结垢物质的污染，其中碳酸钙和硫酸钙最常见。碳酸钙垢主要是由化学沉降作用引起的。二氧化硅胶体颗粒主要是由胶体富集作用决定。在膜生物反应器中保持水的紊流对于降低膜表面的无机污染是很重要的。

2.2.2浓差极化 当溶质不透过膜或只有少量透过而溶剂透过膜发生迁移时，产生了界面与主体液间的浓度梯度，引起溶质从界面向主体液的扩散，其结果会引起渗透压增加，这就使有限的操作压力减少，引起膜通量减少。但是浓差极化产生的作用是可逆的，一般可以通过增加主体溶液的湍流程度来减轻浓差极化现象的影响。

2.2.3生物污染 不可逆的膜污染和可逆的浓差极化均能引起膜性能的下降，但不可逆的膜污染是主要原因。需要特别注意的是膜的生物污染。 微生物通过向膜面的传递而积累在膜面形成生物膜。当生物膜积累到一定程度引起膜通量的明显下降时便形成生物污染。几乎所有的天然和合成高分子材料都易于被细菌吸附，即使是表面自由能很低的憎水性材料也是如此。在强化传递过程以增强生物降解效果的膜生物反应器中，微生物和膜面的接触得到了强化，使得细菌很容易吸附到膜面上形成生物膜，并进一步生长、繁殖形成生物污垢。形成生物膜的细菌由于自身代谢和聚合作用会产生大量的细胞外聚合物(EPS： extra-cellular polymeric substance)，它们将粘附在膜面上的细胞体包裹起来形成粘度很高的水合凝胶层，进一步增强了污垢与膜的结合力。

2.3 膜污染成因研究 影响膜污染的因素很多， 包括膜材质、跨膜压力( TMP)、错流速率( CFV )、水力停留时间(HRT)、污泥停留时间( SRT )、混合液悬浮固体质量浓度(MLSS )、胞外聚合物( EPS)、溶解性微生物产物( SMP)等。

2.3.1膜固有性质对膜污染的影响 影响膜污染的膜固有性质包括膜材质、亲/疏水性、膜面电荷、膜孔径、孔隙率、粗糙度及膜组件结构等。 2.3.1.1 膜材质、亲/疏水性、膜面电荷 膜材质通常分为有机和无机2种。研究人员认为， 无机膜的通量远高于有机膜， 但其高的造价限制了无机膜在MBR中的广泛应用[11]。 膜材料的亲/疏水性对膜抗污染性能有很大影响。亲水性膜受吸附影响较小， 具有更大的膜通量， 比疏水性膜具有更优良的抗污染特性。值得注意的是， 膜的亲/疏水性通常只在过滤初期对膜污染有较明显的影响， 在初始膜污染形成后， 污染物的化学特性将取代膜本身的化学特性成为主要影响因素。 膜面电荷与料液的电荷相同时， 能改善膜面污染， 提高膜通量。一般水溶液中胶体粒子带负电， 所以选用电位为负的膜材质， 由于同性相斥效应， 能起到防止膜污染的作用。 2.3.1.2 膜孔径、孔隙率、粗糙度 从理论上讲， 在保证膜截留能力前提下， 应尽量选择孔径或截留相对分子质量较大的膜， 以得到较高的透水量。对于一定的过滤介质， 存在一个最佳孔径范围，小于最佳孔径范围时， 膜通量受膜固有阻力的限制，大于最佳孔径范围时， 膜通量受膜污染的限制。此外，膜孔径分布范围和结构对膜污染也有着重要影响。通常认为膜孔径分布较窄的膜抗污染能力较强， 而不对称膜的抗污染能力高于对称膜且易于通过清洗消除膜污染[12]。

膜孔隙率和粗糙度对膜污染行为也有潜在影响。通常孔隙率越大， TMP越小， 但随孔隙率的变化， 膜面性质如粗糙度等也发生改变， 进而改变膜面吸附污染物的可能性。有机膜孔隙率通常高于无机膜， 但膜通量往往低于无机膜。 2.3.1.3 膜组件结构 SMBR 中常用膜组件为中空纤维膜和平板膜， 而管式膜则主要应用于错流式膜生物反应器( CMBR )中。和中空纤维膜组件相比， 平板膜组件造价稍高(约20%-25% ) ， 填充度稍小(约25% ) ， 不能进行较高强度的反洗， 但平板膜组件能精确控制膜间通道从而保证良好的水力流动特性， 膜污染小于同等操作条件下的中空纤维膜组件[13-14]。中空纤维膜组件放置的方向、填充度、张紧度和直径等都能影响膜污染状况。随着填充度的增加， 理论上单位体积膜组件的通量应相应增长， 但膜丝之间的干扰反而会降低膜通量， 导致较严重的膜污染[15]。因此应根据具体反应器的体积、结构、曝气强度等条件选用合适的膜组件布置形式。

2.3.2 膜分离操作条件对膜污染的影响 影响膜污染的膜分离操作条件包括膜通量、TMP、曝气量、CFV、SRT、HRT、温度及操作方式等。 2.3.2.1 膜通量 在膜过滤操作中， 膜通量和TMP是相互关联的2个量。如果其他条件不变， 要想获得更高的膜通量， 就必须提高TMP， 反之， 如果增加或降低TMP，也会导致膜通量发生相应的变化。MBR 有恒通量和恒压力2种操作模式。 2.3.2.2 曝气量和CFV 一般而言，在SMBR 中随着曝气量和CFC的增加，污染物在膜表面的沉积得到改善， 膜过滤通量相应提高。但SMBR 中曝气量和CFC并不是越大越好， 一方面随着曝气量的增加能耗会相应增加， 而且过大的曝气量会破坏活性污泥絮体结构， 改变混合液和膜面EPS的浓度和成分使活性污泥颗粒变小， 更容易在膜表面和膜孔内沉积， 加剧膜污[16]。另一方面，CFV 的变化会改变由剪切引起的扩散从而影响颗粒从膜表面的迁移， 进而影响滤饼层的厚度。较高的CFV减少了大颗粒沉积， 导致污泥颗粒破碎，使滤饼层更加密实，并导致更高的TMP，同时还会刺激EPS的释放， 加重膜污染。 2.3.2.3 SRT、HRT、温度、操作方式 SRT 能影响MLSS、污泥组成、EPS 等参数， 是MBR 中影响膜污染速率的重要操作条件。众多研究表明MBR中似乎存在一个最佳SRT， 但实际应用中进行不同SRT的尝试并不现实， 因此往往根据膜厂商推荐的MLSS来确定运行SRT[11]。 HRT 对膜污染存在着间接影响。首先HRT 的变化会直接导致膜通量的变化， 进而改变膜过滤的状态， 影响膜污染的速率。在相同的进水条件下， 较短的HRT能提供给活性污泥更多的营养物质， 使其增值速率加快， 从而增加MLSS， 影响膜过滤性能。 温度对膜分离的影响比较复杂， 应综合考虑。Jiang等[17]考察了中空纤维