MBR （膜生物反应器）技术及其膜污染问题分析摘要：膜生物反应器（MBR ）是一种将膜分离技术与生物技术相结合的污水处理 新工艺。它以膜分离装置取代了传统活性污泥法中的二沉池，从而达到了高效的 固液分离及污泥浓缩的目的。MBR污水处理技术的工程应用近年来逐渐从生活污 水处理发展到了工业废水处理，MBR污水处理技术将呈现更广阔的应用前景。 关键词：MBR （膜生物反应器）技术；膜污染；防治措施刖言膜污染是限制MBR进一步推广应用的主要原因之一，膜技术运行过程中形成的膜污染不 仅关系到膜组件的使用寿命及运行成本，还影响着水处理工艺整体的运行效果。因此，对膜 污染的形成过程和机理展开研究具有重要意义。1 MBR （膜生物反应器）技术在污水处理中的应用与常规的活性污泥工艺相比有诸多优势，MBR污水处理系统由生物降解与膜过滤两部分 组成。膜过滤系统有着强大的固液分离能力，即使出现污泥膨胀的情况，也不会影响出水水 质；反应器小巧、结构紧凑，因此可灵活地应用于对现有污水处理场的改造和升级；系统剩 余污泥产量较少，如果采用内置式更不需要污泥回流；能够实现更好的处理性能，产水质量 更高。但是MBR技术同时也存在设施设备费用偏高、膜污染及膜的使用寿命较短等问题。目 前一些已实施的MBR工程，膜的寿命已从3年增加到了 8年。MBR污水处理系统目前主要按2种方法进行类型划分。按膜组件的形状划分为3种类型: 一种是以中空纤维柱状膜组件为核心的类型，它具有膜面积大，占地面积小等特点；一种是 以中空纤维帘状膜组件为核心的类型，它具有膜面积大，易于安装，清洗方便等特点；另一 种是以浸没式平板膜组件为核心的类型，它具有膜通量大，易于组装，清洗方便等特点。按膜组件与生物反应器的组合方式划分为2种类型：外置式和内置式。传统的外置式膜 生物反应器系统，将膜分离装置与生物反应器分开安装，膜分离装置位于生物反应器外部。 外置式膜生物反应器运行效率高、衰减慢，可连续出水，具有运行可靠，膜易于清洗、膜通 量大等特点。但为减轻膜污染，要求循环泵提供较高的膜面错流速度（25m/s），因而循 环量大、能耗高，动力费用较高，而且泵高速旋转的剪切力会使某些微生物菌体失活。外置 式膜生物反应器系统膜组件一般在TMP大于210kpa下操作。内置式生物反应器系统是将膜组件直接浸没在生物反应容器中，它可以在较低的跨膜压 差下在线运行和操作，通常为（2856） kpa的TMP，低于0.6m/s的有效错流速度，通过 真空抽吸泵的抽吸实现污泥与废水的分离，因此该运行方式具有能耗相对较低，占地紧凑等 特点。内置式和外置式MBR的工程应用特性对比见表1。如果只是从能耗角度考虑，内置式生物反应器系统具有比较明显的优势，但如果结合膜 的清洗、更换和保养等综合因素进行全面衡量，运行与维护费用二者大致相当。因此，在实 际工程中选用哪种形式的MBR，应视具体情况而定：在浓度低、水量大的情况下，如生活污 水处理，能耗是工艺运行的主要问题，膜污染是次要的，因此选择内置式MBR比较合适；在 浓度高、水量小的情况下，如工业废水和垃圾渗滤液的处理，有效降低膜污染是工艺运行的 首要问题，因此外置式MBR才是最合适的选择。2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。3 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。4 MBR 中膜污染的防治措施研究4.1 膜材料和膜组件的选择 使用性能优良的膜材料可有效减轻膜污染，抗污染膜的制备也是目前的研究热点之一。此外，采用合适的膜组件和流体运动形态也可达到理想的效果。4.2 料液的预处理 料液的预处理是膜分离过程中的重要步骤，可采用传统分离方法或其他膜分离方法与MBR技术集成的形式来改善进料液的性质，减少膜污染的发生。如调节料液的pH值、预杀 菌、投加混凝剂或粉末状活性炭（PAC）等均可取得较好的运行效果。4.3 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。4.3.1 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，然而研究发现过量添加活性炭非但不能 降地膜污染，反而成为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。4.3.2 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。4.4 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。4.5 优化工艺运行条件优化 MBR 设备的工艺运行条件有利于实现设备的长期、稳定运行，常见方法如控制初始 渗透通量、错流过滤、超声波参与等。在实际运行中，还应合理控制反应池内的活性污泥浓 度。活性污泥浓度高，设备的容积负荷高，相应的处理能力也会比较大，但膜通量往往下降， 膜污染严重，因此，须在两者之间确定最佳值。此外，需特别提出的是，在一体式MBR设备中，为减少膜孔堵塞，常采用间歇抽吸法， 即抽吸过滤一段时间后停止抽吸几分钟以便释放膜面上的污堵物。而且，在一体式MBR 中, 由于膜组件直接浸没在曝气池的混合液中，可利用曝气形成向上的混合物的冲击作用，使截 留组分不易沉积在膜面上，所以一体式MBR反应池中的曝气量比普通活性污泥池大得多。5 结语 膜生物反应器是很有发展前景的一项污水治理技术，在污水治理、中水回用、污水资源 化等方面具有非常重要的理论和实践价值。但在实际运行中，膜污染的问题及其原因和有效 控制方法仍有待于进一步的研究。参考文献：1周小玲，陈建荣，余根英.膜生物反应器中膜污染机理和控制研究新进展J.环境科学 与技术， 2012(10)王英健.膜生物反应器的膜污染机理及其防治J.电力环境保护，2008,(5)张领，顾平，邓晓钦膜生物反应器在污水处理中的应用进展J.中国给水排水，2002 ( 4 )