MBR膜生物反应器的污染及其清洗技术研究进展

   膜技术的迅速发展已经对众多领域带来了革命性的影响,膜生物反应器(MBR)作为一种高效废水生物处理工艺,融合了传统的生物处理技术的生物降解功能和膜分离技术的高效分离功能,具有对污染物去除效率高、出水水质稳定、操作管理方便、占地面积少等显著优势,应用前景十分广阔 。但是,膜污染却会导致运行费用增 加,因而大大制约了MBR的大规模应用。所以, 研究膜污染的原因,寻求消除膜污染、快速恢复膜比通量的高效清洗方法,成了推广MBR技术的关键所在。
   狭义的膜污染,是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子有机物等,由于与膜发生物理化学相互作用或机械作用,而在膜表面和膜孔内吸附、沉淀,造成膜孔径变小或堵塞,使水通透膜的阻力增大,妨碍了膜面上的溶解和扩散,导致膜通量不可逆下降的现象  。广义的膜污染还包括由于可逆的浓差 极化而导致的凝胶层的形成。以上各种定义中的 污染因素的共同作用造成了膜技术运行过程中膜通量的下降。

1.膜污染的来源
        MBR中的膜组件根据材料不同,可分为无机陶 瓷膜和有机高分子膜等,有机高分子膜又分为聚砜膜(PS)、聚醚砜膜(PES)、硝化纤维素膜(CN)、醋酸纤 维膜(CA)、硝化纤维素-醋酸纤维混合膜(CN-CA)、聚乙烯膜(PE)、聚丙烯纤维膜(PP)、聚丙烯腈 纤维膜(PAN)和聚偏氟乙烯膜(PVDF)等。对于各种材料的膜组件,膜污染一般来源于滤饼层、溶解性有机物质和微生物污染3个方面 。

        ①滤饼层主要是指水透过膜时被截留下来的部分活性污泥和胶体物质,在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面而形成的膜面污染。其中有无机污染物,也有有机污染物。无机污染物主要是钙、镁、硅、铁等的碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐的结垢物,*常见的是CaCO3和CaSO4。
        ②有机污染物主要是蛋白质、絮凝剂、天然高分子等有机胶体和容易在膜表面附着的溶解性有机物,它们在氢键、色散力和憎水作用下被吸附在膜上。 滤饼层是一种可逆污染,一般可以通过水力清洗等定期清洗消除污染,快速恢复部分膜通量。
        溶解性有机物是MBR膜在抽吸过程中出现浓差极化现象的重要原因之一,反应器污水中自身的溶解性高分子有机物、大分子的微生物可溶性代谢产物都容易通过浓差极化作用而在膜表面形成凝胶层,或被 膜内的微孔表面所吸附或结晶,堵塞孔道,使膜通量减少。
        ③微生物污染 微生物也是造成膜污染的一个主要因素。微生物污染主要由微生物及其代谢产物组成的粘泥引起,膜表面易吸附腐殖质、聚糖脂、微生物新陈代谢产物等大分子物质。膜内的微孔中也有微生物生长所需的营养物质,适宜微生物生存,因而不可避免地有大量微生物滋生,极易形成一层生物膜,造成膜的不可逆阻塞,使膜通量下降,成为膜污染的一个重要原因 。如刘锐等发现在中空纤维膜的微孔中有大 量的丝状菌、球状菌和短杆状菌。首先有机大分 子物质吸附在膜组件上,然后进水体系中粘附速度快的细胞形成初期粘附过程,粘附后期大量群集生物生长,*后在膜表面上形成生物膜。 此外,从污染物的位置划分,膜污染分为膜附着层污染和膜堵塞。附着层中有悬浮物、胶体物质及微生物形成的滤饼层,溶解性有机物浓缩后形成的凝胶层,溶解性无机物形成的水垢层等。膜堵塞是由于上述料液中的溶质浓缩、结晶及沉淀导致膜孔产生不同程度的堵塞。

2.影响膜污染的因素
       膜污染的形成主要受膜固有性质、MBR运行条件、污水特性等因素的影响。
       ①膜固有性质 膜对污水中固体微粒、胶体吸附能力的大小与膜材料的分子结构有关,抗污染性较好的膜有聚乙烯膜(PE)、聚丙烯纤维膜(PP)、聚丙烯腈纤维膜(PAN) 等。任南琪等认为膜的亲水性对抗污染十分重要， 除选择亲水性好的膜外,在膜组件投入运行前应进行亲水处理,以强化其抗污染能力。此外,膜污染程度还与膜孔径、表面粗糙度及膜表面荷电性等有关。