駱 欣

(華北科技學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

膜污染［1］是指處理物料中的微粒、膠體或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特征變化的現(xiàn)象。膜污染的存在影響膜的穩(wěn)定運(yùn)行，造成膜的清洗和更換，嚴(yán)重制約和影響膜生物反應(yīng)器(MBR)在廢水處理中的推廣使用。因此，研究MBR工藝中膜污染的影響因素和減緩措施，是MBR技術(shù)的重要內(nèi)容。本文研究缺氧－好氧MBR工藝連續(xù)運(yùn)行中膜的污染情況，并對膜污染的影響因素進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)裝置和方法

本試驗(yàn)采用前置缺氧－好氧MBR組合工藝處理高氨氮廢水，流程簡圖見圖1。實(shí)驗(yàn)進(jìn)水采用人工配制，向生活污水中加入硫酸銨，模擬高氨氮廢水。同時，向缺氧反應(yīng)器中加入甲醇來補(bǔ)充反硝化所需要的碳源。MBR的運(yùn)行由PLC自動控制系統(tǒng)控制。膜組件為聚偏氟乙烯膜構(gòu)成的U型膜組件，膜孔徑為0.22μm，膜表面積為0.5m2。試驗(yàn)的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

圖1 缺氧－好氧MBR工藝流程示意圖

表1 試驗(yàn)的運(yùn)行參數(shù)

試驗(yàn)中對各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測均依照國家環(huán)保局頒布的標(biāo)準(zhǔn)方法［2］?；旌弦菏墙?jīng)定性濾紙過濾后進(jìn)行濾液的測定。主要的測定項(xiàng)目及方法如下:氨氮采用鈉氏試劑分光光度法，CODCr采用重鉻酸鉀法，MLSS采用干燥減重法，微生物采用光學(xué)顯微鏡觀察法。

2 結(jié)果與討論

2.1 處理效果

表2為缺氧－好氧MBR工藝的處理效果。

表2 試驗(yàn)的處理效果

2.2 膜比通量的變化

膜比通量(SF)間接反映膜阻力的變化和膜污染情況，計算式如下。

式中，SF為膜比通量，L/(m2·m·h);Q為膜出水流量，L/h;A為膜表面積，m2;H為膜兩側(cè)壓力差，m水柱。

試驗(yàn)連續(xù)監(jiān)測了SF的變化情況，如圖2所示。試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行，期間未進(jìn)行膜的清洗，共運(yùn)行209 d，處理水 18050L。膜的初始清水 SF為56.6 L/(m2·m·h)，運(yùn)行結(jié)束后，膜的 SF 為13.5 L/(m2·m·h)，為初始SF的24%?？傮w來看，膜的污染并不嚴(yán)重。SF的變化可以分為兩個階段:階段Ⅰ的SF上下波動，下降趨勢不顯著，共處理水9220 L;階段Ⅱ的SF明顯呈下降趨勢，下降速率較階段Ⅰ快，此段處理水8830 L。

圖2 膜比通量的變化情況

2.3 膜污染的影響因素分析

影響膜污染的主要因素有［3－4］:膜本身的性質(zhì)、活性污泥混合液的性質(zhì)和MBR運(yùn)行操作條件。本文主要針對運(yùn)行操作條件和活性污泥混合液的性質(zhì)來討論試驗(yàn)中的膜污染。

2.3.1 運(yùn)行操作條件

1)出水方式:試驗(yàn)采用8 min出水、2 min空曝氣的間歇操作方式。間歇性空曝氣，可以使膜表面在上升氣流的作用下得到?jīng)_刷，有利于降低膜表面濃差極化的形成，同時沉積在膜表面的污染物也會在氣流的帶動下脫離膜表面，利于減緩膜污染。

2)過濾方式:試驗(yàn)采用的膜過濾為錯流過濾。錯流過濾是指濾液沿著膜表面流動，對膜表面有一定的剪切作用，降低膜表面的層流層的厚度，防止污泥在膜表面的沉積，提高透水率，減緩膜污染［5］。

3)曝氣量:在MBR中進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠貧饪梢栽诜磻?yīng)器內(nèi)形成氣－液兩相流，能抖落附著在膜上的泥餅層，有利于緩解泥餅層形成的膜污染。試驗(yàn)中的曝氣量維持在0.4～0.7 m3/h，平均值為0.55 m3/h，較大的曝氣將會帶來良好的沖刷作用。

4)低壓、恒流操作:MBR運(yùn)行中，增加過濾壓力在短時間內(nèi)會使濾速加快，但過高的過濾壓力會加劇膜污染的程度。試驗(yàn)中采用的過膜壓力為1.3 m水柱，出水流量為4.5 L/h，屬于低壓、恒流操作。劉銳等［6］通過實(shí)驗(yàn)證明，采用低壓恒流過濾方式，在正常穩(wěn)定的運(yùn)行條件下，可以在整個膜壽命期限內(nèi)不用采取清洗措施。

通過上面的分析可知，本試驗(yàn)的運(yùn)行操作條件都是有利于減緩膜污染，可以維持膜長時間的正常運(yùn)行。

2.3.2 活性污泥混合液的性質(zhì)

活性污泥混合液中含有廢水中的污染物、活性污泥中的微生物及其代謝產(chǎn)物，對膜污染會產(chǎn)生不同程度的影響［7］。

1)污泥濃度:污泥濃度(MLSS)一直被認(rèn)為與膜污染直接有關(guān)。階段Ⅰ的MBR中污泥濃度為4640～8040mg/L，平均值為5970mg/L，氨氮的平均去除率為90.65%。階段Ⅱ的MBR中污泥濃度為6650～9680mg/L，平均為8100mg/L，氨氮的平均去除率為79.86%。階段Ⅱ中氨氮去除率的降低是由于人為調(diào)節(jié)反硝化致使缺氧段亞硝酸鹽積累。高濃度的污泥濃度會導(dǎo)致更多的污泥在膜表面形成污泥層，加劇膜污染。因而階段Ⅱ的SF下降速率比階段Ⅰ快。從整體運(yùn)行來看，MBR中污泥濃度始終低于10000 mg/L。當(dāng)MLSS處于高濃度范圍(＞15000～20000 mg/L)，膜污染顯著加?。?］。因此，本試驗(yàn)中維持相對低的污泥濃度是減緩膜污染的一個重要因素。

2)污泥沉降性:任南琪等［9］研究發(fā)現(xiàn)，污泥膨脹將會導(dǎo)致膜污染的加劇。原因是，絲狀菌比菌膠團(tuán)細(xì)菌產(chǎn)生更多的胞外聚合物(EPS)。此外，也有人認(rèn)為絲狀菌較大的比表面積也會造成膜污染的加劇。試驗(yàn)中，階段Ⅰ中活性污泥的SVI在103～195 mL/g之間變化，平均為153 mL/g。階段Ⅱ中活性污泥的SVI在95～129 mL/g之間變化，平均為113 mL/g。同時，鏡檢的結(jié)果顯示在反應(yīng)器運(yùn)行過程中，絲狀菌的數(shù)量較少。良好的污泥沉降性會有助于緩解膜污染。

3)泥水混合物的溶解性有機(jī)物:泥水混合液中溶解性有機(jī)物是造成膜污染的主要物質(zhì)之一。其中，溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)是溶解性有機(jī)物的主要成分。SMP含有大量的高分子物質(zhì)［8］，生化性較差，因此會在MBR中出現(xiàn)累積，造成膜污染的加重。MBR中混合液CODCr濃度的變化可以在一定程度上反映SMP的累積程度。經(jīng)監(jiān)測，混合液中CODCr的濃度比較穩(wěn)定，平均濃度為107 mg/L，沒有出現(xiàn)明顯的有機(jī)物積累升高的現(xiàn)象。分析原因?yàn)?，MBR中污泥回流至缺氧段，缺氧段的反硝化和水解進(jìn)一步降解混合液中大分子有機(jī)物，使得MBR中SMP濃度穩(wěn)定且相對不高，因此本試驗(yàn)中膜污染現(xiàn)象不嚴(yán)重。

4)營養(yǎng)物質(zhì):氮等營養(yǎng)物質(zhì)的含量對污泥影響很大，同樣也會影響到膜污染的程度。對于氮營養(yǎng)源的有效控制將減輕膜的堵塞，如果污水中的N、P含量不足，會導(dǎo)致EPS產(chǎn)物增多［10］。EPS可以吸附在膜表面形成凝膠層，增加膜面的污染［5］。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，處理氮等營養(yǎng)成分不足的廢水可適當(dāng)補(bǔ)充這類營養(yǎng)元素。本試驗(yàn)是處理高氨氮廢水，因此氮量充足。然而，當(dāng)處理9220 L水后，氨氮的去除效果持續(xù)不好，平均去除率不到80%;而有機(jī)物去除效率依舊很高，平均去除率為94%。這表明混合液中異氧微生物占據(jù)優(yōu)勢。有研究顯示，含有較多異氧菌的污泥粘度高于以硝化菌為主的污泥粘度，主要原因可能和微生物產(chǎn)生的胞外代謝物的組成和濃度有關(guān)。污泥粘度的增高將會加劇膜的污染，所以本試驗(yàn)后期膜污染速率加快。

5)微生物的生長:Mukai［11］的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的微生物處在不同的生長階段時，微生物會對膜通量的衰減產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的微生物處在對數(shù)生長期時，膜通量的衰減相對平緩。而當(dāng)微生物處于內(nèi)源呼吸期時，大量微生物死亡，上清液中可溶性代謝產(chǎn)物積累，加劇膜的生物污染。Han［12］也發(fā)現(xiàn)污泥活性與混合液過濾性有良好的相關(guān)性。通過鏡檢發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)運(yùn)行的多數(shù)時間內(nèi)，混合液中的微生物狀況良好。相對較好的微生物生長狀態(tài)也對減緩膜污染起到積極的作用。

2.4 膜的清洗

膜污染的直接后果是膜滲透通量的下降。當(dāng)膜的通量低于設(shè)計值時，需要對膜進(jìn)行清洗。膜組件的清洗方法可以分為物理清洗和化學(xué)清洗。MBR處理高濃度氨氮廢水，生物污染是膜污染的主要原因?？梢韵炔捎盟捶绞降奈锢砬逑?，然后采用化學(xué)清洗，即用0.5%的NaClO浸泡15～20 h，再用0.5%的HCl浸泡5～7 h，最后用清水沖洗，可恢復(fù)90%以上的通量。

3 結(jié)論

MBR在對含氮廢水的處理過程中產(chǎn)生了膜污染，但污染現(xiàn)象總體不嚴(yán)重。試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行209 d，處理廢水18050 L，膜的SF下降到原來的23.8%。SF下降速率呈現(xiàn)先緩慢后增快的趨勢。試驗(yàn)采用8min/2 min的出水方式、錯流過濾、較大的曝氣量和低壓恒流操作方式，有利于減緩膜污染。維持MBR中較低的污泥濃度和溶解性有機(jī)物濃度、良好的污泥沉降性、適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)和合適的微生物生長條件，也是減緩膜污染的有效措施。

［1］ 馬琳，秦國彤.膜污染的機(jī)理和數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展［J］.水處理技術(shù)，2007，33(6):1－4，17

［2］ 國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002

［3］ 尤朝陽，劉志寅，黃剛?cè)A，等.抑MBR膜污染強(qiáng)化技術(shù)研究［J］.水處理技術(shù)，2012，38(2):6－15

［4］ 周小玲，陳建榮，余根英，等.膜生物反應(yīng)器中膜污染機(jī)理和控制研究新進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35(10):86 －91

［5］ 陳斌，王海峰，吳明鉑.膜生物反應(yīng)器中的膜污染及其再生［J］.工業(yè)水處理，2011，31(8):16－19

［6］ 劉銳，汪誠文，錢易，等.影響一體式好氧膜生物反應(yīng)器膜清洗周期的幾個因素［J］.環(huán)境科學(xué)，1998，19(4):27－29

［7］ 王建龍，彭永臻，王淑瑩.膜污染成因及控制對策研究新進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2007，30(6):101 －102，106

［8］ 吳金玲，黃霞.膜－生物反應(yīng)器混合液性質(zhì)對膜污染影響的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，7(2):16－24

［9］ 任南琪，劉嬌，王秀蘅.低溫時污泥膨脹MBR中膜污染的影響［J］.環(huán)境科學(xué)，2009，30(1):155－159

［10］ 秦?zé)@，張甲耀.一體式膜生物反應(yīng)器的膜污染及對策［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2003，26(6):46－48

［11］ Mukai T，Takimoto K，Kohno T，et al.Ultrafiltration behaviour of extracellular and metabolic products in activated sludge system with UF separation process ［J］.Water Research，2000，34(3):902－908

［12］ Han S.S，Bae T.H，Jang G.G，et al.Influence of sludge retention time on membrane fouling and bioactivities in membrane bioreactor system.Process Biochemistry，2005，40(7):2393－2400