降低膜生物反應(yīng)器中膜污染的研究

1、降低膜生物反應(yīng)器中膜污染的研究作者：萬(wàn)金保 伍海輝時(shí)間：2007-11-24 17:49:00 摘要：根據(jù)膜生物反應(yīng)器中膜污染的幾種類型，分析了膜污染形成的原因，介紹了幾種描述膜污染的數(shù)學(xué)模型。從膜本身性質(zhì)、料液性質(zhì)到操作過(guò)程等總結(jié)了幾種防止或降低膜污染的方法，提出了曝氣生物濾池與膜過(guò)濾組合降低膜污染的工藝。 關(guān)鍵詞：生物反應(yīng)器 膜污染 污水處理 A Study on Reducing Membrane Fouling in Membrane BioreactorsAbstract： Causes of formation of membrane fouling are analyzed ba

2、sed on several types of membrane fouling in membrane bioreactors，and a number of mathematical models describing membrane fouling are introduced. Methods to prevent or reduce membrane fouling are summed up in the respects of the nature of membrane itself，the characteristics of feed liquors.the operat

3、ing processes，etc.，with a process to reduce membrane fouling proposed which combines aeration biological filter tank with membrane filtration.Keywords：membrane bioreactor；membrane fouling；wastewater treatment 膜生物反應(yīng)器（MBR）是利用高效分離膜組件取代二沉池與生物處理中的生物單元組合形成一套有機(jī)整體的水凈化再生技術(shù)。MBR利用膜的截留作用，幾乎能將全部的污泥及微生物截留下來(lái)，使生物單元

4、具有很高的污泥濃度，不但提高了其對(duì)有機(jī)物的去除率，而且使其對(duì)氨氮的去除率也明顯增高。MBR還具有占地面積少，出水水質(zhì)好，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，污泥停留時(shí)間與水力停留時(shí)間分離，克服了活性污泥與自身無(wú)法克服的缺點(diǎn)1。要使得MBR真正推廣應(yīng)用還需要克服膜污染、膜濃差極化、膜堵塞等問(wèn)題，增加膜通量，延長(zhǎng)膜壽命。1 膜污染的類型膜污染是由于被處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)分子與膜發(fā)生物理化學(xué)作用，或因濃度極化使某些溶質(zhì)在膜表面濃度超過(guò)其溶解度，以及機(jī)械作用而引起的人膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過(guò)流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。膜污染直接導(dǎo)致了膜通量下降，膜

5、使用壽命大大縮短。膜污染分為可逆和不可逆膜污染。如濃差極化，可通過(guò)物理、化學(xué)和生物方法來(lái)減輕和改善的一類污染為可逆膜污染；而膜孔堵塞、不合理的料液性質(zhì)使膜受到腐蝕及膜的自身劣化等稱為不可逆膜污染。從污染物的性質(zhì)又可分為有機(jī)污染，如胞外聚合物、溶解性有機(jī)物、蛋白質(zhì)、脂肪及細(xì)微膠體等；無(wú)機(jī)污染，如廢水中碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽、凝膠無(wú)機(jī)膠體等；生物污染，如簾式中空纖維膜組件，其可視為柔性填料，處理不當(dāng)，微生物易在其上面吸附生長(zhǎng)，形成生物膜，造成水通量下降2。2 膜污染的數(shù)學(xué)模型許多人從不同的角度建立了不同的污染數(shù)學(xué)模型，但在MBR中使用較多的還是用膜阻力系數(shù)來(lái)表征膜的污染程度。 3 膜污染形成原因膜

6、污染導(dǎo)致膜通量下降，其形成原因概括起來(lái)可分為以下幾種。3.1 料液的性質(zhì)在MBR中泥水混合液的特性直接影響到膜的污染程度和膜的使用壽命，如反應(yīng)器中的污泥濃度、pH值、泥水混合液的粘度及菌膠團(tuán)的大小及特性等。3.2 膜的結(jié)構(gòu)和特性膜的結(jié)構(gòu)可分為對(duì)稱膜和不對(duì)稱膜，目前選用較多的是不對(duì)稱膜；較早出現(xiàn)的對(duì)稱膜組件，兩側(cè)是致密的分離層，中間是疏松多孔的支撐層，污染物質(zhì)可能通過(guò)一側(cè)致密層，卻可能被另一側(cè)的致密層阻擋，造成膜孔道的堵塞，所以一般來(lái)講，不對(duì)稱的膜組件較對(duì)稱的膜組件更具抗污染特性。此外，膜孔徑大小，膜的截割相對(duì)分子質(zhì)量大小4，膜的孔徑分布，選用膜的材料的不同等都是影響膜污染程度的重要因素。對(duì)于荷

7、電膜來(lái)講，膜材料帶有極性基團(tuán)，當(dāng)與泥水混合液接觸后，膜表面荷電，如果泥水混合液中所含的帶電物質(zhì)與膜所帶的電極性相異則互相吸引，該物質(zhì)吸附在膜表面使得膜被污染5。膜經(jīng)過(guò)改性后，有親水性和疏水性膜之分，親水的膜表面與水形成氫鍵，這種水處于有序結(jié)構(gòu)，當(dāng)污泥或其它疏水溶質(zhì)要接近膜表面，必須破壞有序水，這需要能量，不易進(jìn)行，所以該種膜較疏水膜不易被污染。3.4 膜操作參數(shù)的影響膜操作參數(shù)包括料液流速，操作壓力，溫度，曝氣速度，MLSS，污泥停留時(shí)間（SRT），水力停留時(shí)間（HRT）等。通常，對(duì)于分置式MBR來(lái)說(shuō)，提高料液流速，大大提高了泥水混合液對(duì)膜表面的剪切力作用，可以降低濃差極化和沉積層的形成，提高

8、水通量6。在濃差極化現(xiàn)象不嚴(yán)重的情況下，可通過(guò)提高操作壓力來(lái)提高透水率，但壓力不是越高越好，因?yàn)殡S著壓力的提高，膜表面凝膠層越易形成，加重膜污染。泥水混合液的粘度也會(huì)隨著溫度的提高而下降，可過(guò)濾性有很大提高，但是在提高溫度的同時(shí)需要考慮經(jīng)濟(jì)效益和微生物的生長(zhǎng)需要。對(duì)于一體式MBR，曝氣量對(duì)于降低膜污染也是非常重要的，大的曝氣量有利于提高膜表面的沖刷作用，減緩凝膠層的形成。4 降低膜污染的幾種思路目前對(duì)膜污染的研究比較深人。在MBR領(lǐng)域，許多研究學(xué)者也從不同角度研究了降低膜污染的方法，下面將降低膜污染的幾種思路歸納如下。4.1 從膜組件考慮在MBR中，用于泥水分離的膜組件要根據(jù)其自身的特點(diǎn)和操作

9、特性來(lái)設(shè)計(jì)膜組件。天津膜天技術(shù)有限公司根據(jù)一體式MBR的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了簾式膜組件，由于污泥不易在膜上滯留，并且曝氣時(shí)在膜表面較易取得較好的紊流效果，達(dá)到降低膜污染的目的。清華大學(xué)錢(qián)易教授等還作了MBR的水力學(xué)研究，提出了生物反應(yīng)器越高，上升的流道越窄，下降流和底部通道越寬，越能較好地降低膜污染7，這是由于在反應(yīng)器上部污泥易下沉，導(dǎo)致膜附近污泥濃度低，降低膜污染。膜材料的選擇，孔徑的確定及膜面親疏水性的選擇都在一定程度上影響了膜污染的降低8。MBR中常用的膜材料有聚砜、聚丙烯睛、聚烯烴類等，王猛等對(duì)膜材料實(shí)驗(yàn)得出，聚丙烯類有優(yōu)于聚砜抗污染的特點(diǎn)9。還有人作過(guò)采用無(wú)機(jī)膜替有機(jī)膜組成MBR的研究，其優(yōu)

10、點(diǎn)是機(jī)械性好，壽命長(zhǎng)，易拆卸清洗，但制造成本高，限制了它的使用。在MBR中，膜孔徑的選擇也非常重要，根據(jù)不同的泥水混合液性能（或者處理對(duì)象），選擇不同的膜孔徑，對(duì)于一體式MBR通常采用微濾，孔徑約為0.10.2m，而分置式MBR一般采用超濾，截割相對(duì)分子質(zhì)量大約為 3000050000。4.2 從料液性質(zhì)考慮污泥濃度越高，污泥越容易在膜表面形成污泥層，導(dǎo)致膜污染。MBR的特點(diǎn)之一是能使反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度較高，但從膜污染角度考慮，應(yīng)將反應(yīng)器濃度控制在一定范圍內(nèi)，而且料液中溶解性有機(jī)物在膜面的直接吸附也會(huì)造成膜面污染。天津大學(xué)楊造燕教授等分別對(duì)采用投加粉末活性炭或填料來(lái)改善料液的可過(guò)濾性作了大量研究

11、10；此外，泥水混合液的溫度、pH值等均是影響膜污染，提高膜通量需考慮的因素。料液在膜周?chē)鲬B(tài)也是降低膜污染的考慮因素，早期膜過(guò)濾是采用徑流式過(guò)濾。全量式過(guò)濾，造成極大的膜污染，爾后，人們提出了錯(cuò)流式過(guò)濾或非全量式過(guò)濾，這在很大程度上改善了膜的污染狀況，近年來(lái)，又提出了穿流式膜過(guò)濾流態(tài)11，膜表面紊流得到進(jìn)一步加強(qiáng)，很好地降低了濃差極化所帶來(lái)的膜污染。4.3 從工藝角度考慮宏觀來(lái)講，目前MBR分為兩種類型.一種是一體式MBR，另一種是分置式MBR，對(duì)于后者由于在膜面有更高的剪切速度，形成較強(qiáng)的紊流流態(tài)，能夠較好地控制膜污染，而一體式MBH屬全量式過(guò)濾，盡管膜下部采用較高的氣水化，對(duì)膜能較好地進(jìn)

12、行沖刷.有一定的抗污染性，但膜通量還是低于分置式MBR。從生物單元考慮，由于MBR不僅局限于活性污泥和膜過(guò)濾的組合，還可采用其它生物工藝，如生物接觸氧化，兩相厭氧等等，為改善泥水混合的特性，可選擇不同的生物工藝，我們正在進(jìn)行生物曝氣濾池（BAF）與膜過(guò)濾組合工藝的研究，生物曝氣濾池屬生物膜法的一種，微生物大部分附著在填料上，在不影響其對(duì)污染物去除率的同時(shí)，使得懸浮態(tài)微生物濃度大為降低，能有效地降低膜污染，而且由于膜過(guò)濾的截流作用，不但提高了出水水質(zhì)，還使得懸浮態(tài)微生物濃度比常規(guī)BAF 高，又進(jìn)一步提高了BAF的去除率和耐沖擊負(fù)荷能力。但所遇到的一個(gè)問(wèn)題是陶粒填料的堵塞問(wèn)題，所以選擇好的陶粒級(jí)配

13、是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。過(guò)濾分為兩種，即死端過(guò)濾和錯(cuò)流過(guò)濾，采用錯(cuò)流過(guò)濾的MBR簡(jiǎn)稱CMBR，其過(guò)濾方式如圖一所示。對(duì)于錯(cuò)流過(guò)濾，濾液沿著膜表面流動(dòng)，對(duì)膜表面有一定的剪切作用，降低了膜表面的層流層的厚度，防止了污泥在膜表面的沉積，提高了濾速采水率，減緩了膜污染。而死端過(guò)濾泥水混合液向膜表面運(yùn)動(dòng)，很容易在膜表面沉積，造成嚴(yán)重膜污染12。間歇操作，也就是降低膜污染中所常說(shuō)的松弛法。對(duì)于一體式MBR，在抽吸數(shù)分鐘后，再停下來(lái)空曝氣，這樣在上升氣流的作用下，沖刷膜表面，有利于降低濃差極化的形成，同時(shí)沉積在膜表面的污染物也會(huì)在上升氣水流的帶動(dòng)下脫離膜表面回到主體泥水混合液中，這也有利于降低膜污染。在MBR中，

14、操作參數(shù)很多，包括生物反應(yīng)器容積（V）、污水處理量（Q）、進(jìn)料濃度（Ci）、進(jìn)料流速（Vi）、鼓泡速度、操作壓力（或抽吸壓力）、循環(huán)速度（Vc）、產(chǎn)水水質(zhì)（Cp）和水量（Qp）、污泥質(zhì)量負(fù)荷（Us）、體積負(fù)荷（Uv）、降解效率、膜清洗法及周期等13。如何在眾多的操作參數(shù)中選擇最佳組合參數(shù)，既提高膜通量，又能降低膜污染，延長(zhǎng)膜壽命，同時(shí)還不提高運(yùn)行成本，這還有待于進(jìn)一步大量的實(shí)驗(yàn)研究。5 己污染膜的處理方法對(duì)已污染的膜進(jìn)行處理，使其恢復(fù)膜通量，目前歸納起來(lái)主要有三種方法，一是反沖洗，反沖洗是提高膜透水率和保護(hù)膜透水穩(wěn)定性的重要技術(shù)，樊耀波教授曾對(duì)MBR的反沖洗周期做過(guò)研究14，得出確定MBR的反

15、沖洗周期公式，并探討如何在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中測(cè)得的最佳反沖洗周期，至于反沖洗水量，反沖洗壓力還有待于進(jìn)一步研究。二是水力沖洗，何義量教授等分別對(duì)分置式、一體式MBR的水力沖洗做了研究，得出用0.07MPa的帶壓水清洗 10 min能有效恢復(fù)膜通量15。三是在線藥洗16-17，但采用在線藥洗時(shí)需要小心謹(jǐn)慎，以免殺死反應(yīng)器中的微生物，也可采用拆卸膜組件，用藥水浸泡，通常采用的化學(xué)藥劑有次氯酸鈉、稀堿、稀酸、酶、表面活性劑、絡(luò)合劑和氧化劑等，至于對(duì)于不同的膜采用什么藥劑，用量是多少，配成什么濃度，清洗或浸泡多長(zhǎng)時(shí)間有待于作更優(yōu)化的研究。但針對(duì)不同的膜污染形成原因，應(yīng)采取不同的措施。6 結(jié)語(yǔ)MBR水處理技

16、術(shù)是未來(lái)水工業(yè)中極具生命力的一項(xiàng)新技術(shù)，是能真正實(shí)現(xiàn)污水回用，廢水資源化的一項(xiàng)重要且競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的技術(shù)，但其實(shí)際推廣應(yīng)用一直受到膜污染問(wèn)題的困擾，如何解決污染問(wèn)題是擺在從事MBR研究工作者面前的難題。相信會(huì)有越來(lái)越多的環(huán)保工作者從事這項(xiàng)研究與應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1 黃霞，桂萍，范曉軍，等.膜生物反應(yīng)器廢水處理工藝研究進(jìn)程J.環(huán)境科學(xué)研究，1998，11（1）：40442 KWANGHO CHOO，CHUNGHAK LEE.Mmbrane fouling mechanism in the membranecoupled anaerobi cbioreactor JWatres,1996,21(8)：17

17、711779 3 王湛. 膜分離技術(shù)基礎(chǔ)M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.4吳志超，曾萍，顧國(guó)維 膜截留分子量對(duì)污水分置式好氧膜生物反應(yīng)器處理性能的影響J膜科學(xué)與技術(shù)，2001，21（4）：2124.5CHAIZE,A Huyard Membrane bioreactor on domestic wasterwater treatment sludge production and modeling approach JWat Scitech,1991，（11）：15911599.6 Sarina J Ergas，Michael S McGrath.Membrane bioreactor fo

18、r control of volatile organic J.Journal of Environmental engineering.1997,25(6)：5935987劉銳，黃霞，錢(qián)易 一體式膜生物的水動(dòng)力學(xué)特性J 環(huán)境科學(xué)，2000，21（8）：4750.8P Gagliardo，S Adham，A Olivieri，et al.Evalution of an integrated membrane system for water repurificationJ Wat Sci Tech，2002，16（10）：2192239王猛，柴曉利.膜生物反應(yīng)器處理生活污水的工藝及膜材料的選擇 J環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2001，（3）：1410楊造燕.膜生物反應(yīng)器無(wú)剩余污泥排放的研究J。城市環(huán)境與城市生態(tài)，1999，12 （1）：1618.11鄭祥，朱小龍，張紹圓.等 膜生物反應(yīng)器在水處理中的研究及應(yīng)用J重慶環(huán)境科學(xué)，2000，22（5）：121712鄭祥，樊耀波.膜生物反應(yīng)器運(yùn)行條件的優(yōu)化及膜污染的控制J.給水排水，2001，27（4）：414413高從楷、水處理中膜生物反應(yīng)器簡(jiǎn)介J水處理技術(shù)，2002，28 （1）：60621