膜生物反应器膜污染影响因素的分析

Posted 2023-01-13 微生物

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膜生物反应器(MBR)工艺在污水回用方面的优势突出，但MBR工艺的膜污染问题，严重影响了该工艺的稳定性与经济性，已成为国内外研究的热点.膜污染机理复杂，关系到膜材料、生物料液特性和溶质-膜作用等，目前尚未完全清楚，这给膜污染控制带来了难度.本文主要综合分析了有关膜污染的形成机理、模型表征以及膜污染的影响因素的研究情况，并通过模拟试验对膜污染控制措施进行了研究.
1 膜污染机理及模型表征
1.1 膜污染机理
导致膜通量下降有很多因素，包括浓差极化、吸附、形成凝胶层、沉淀堵塞、形成滤饼、压实等.浓差极化是在浓度梯度的作用下，溶质由膜面向主体溶液扩散，使流体阻力和局部渗透压增加.浓差极化的作用是可逆的，可以通过降低料液的质量浓度，提高错流流速，加入紊流器等来去除.通常所说的膜污染是指在运行过程中，细胞混合液中的微生物菌群及其代谢产物、固体颗粒、胶体粒子、溶解性大分子由于与膜存在物理化学作用、机械作用而引起在膜表面或膜内孔吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量和分离特性的不可逆变化，由于研究者采用的模拟条件不同，对膜污染的机理认识也有所差异，因而也得到了多种不同的模型表征方式.
1.2 膜污染的数学模型
目前还没有一个可用于估算膜污染性质和程度的通用规则，一般认为表征膜过滤过程中污染阻力的经典模型为达西方程

式中：J为膜通量(m3/(m2.d))；△p为膜两侧的压力差(Pa)；μ为滤液的黏度(Pa.s)；Rt为总阻力(m-1)；RM为新膜阻力(m-1)；Rc为由沉积在膜面的泥饼层产生的泥饼阻力(m-1)；Rf为膜污染阻力(m-1).
根据达西公式，国内外的很多学者结合各自的膜污染实验建立了大量的数学模型，从不同的侧面揭示膜污染机理.早期的模型主要是将微生物絮体作为颗粒物考虑，物理堵塞的研究较多，如强化曝气，提高过滤错流速度等.但随着研究的深入，微生物在MBR膜污染的作用越来越引起人们注意，模型表征中考虑了生物因素的贡献，如Choo等人于2000年研究了微生物有机负荷对膜污染的影响，建立了压力、通量与过滤阻力之间的数学模型；Yonghun
Lee等人在2002年建立了溶解性微生物产物(SMP)对膜污染影响的数学模型，此模型不仅能表现出水水质的情况，同时也说明了膜生物反应器中膜污染的特性.
2 膜污染的影响因素
尽管目前在膜污染机制方面还没有达成共识，但对不同的具体环境下，研究者对膜污染影响因素进行了广泛探讨，可归纳为以下3方面：微生物特性，运行条件与膜的结构和性质(如图1所示).

图1 MBR工艺膜污染的影响因素
2.1 微生物特性
生物反应器中污泥质量浓度(MLSS)对膜通量有显著影响.Fane等早在1981年就报道膜污染与MLSS是成线性增长的关系，而后Shmizu等研究中发现，通量的下降随膜污染的增加是成对数关系的.另一些研究者却认为污泥质量浓度本身并不影响过滤特性，真正的影响因素是污泥的特性、颗粒大小、表面电荷、所含微粒等.
新近的研究发现微生物代谢产物包括胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP)对膜污染有重要影响.EPS、SMP主要是微生物细胞分泌的黏性物质成分复杂，包括多糖、蛋白质、脂类、核酸等高分子物质.一些学者认为EPS质量浓度与膜污染是成线性关系的，EPS减少40%，滤饼的流体阻力也相应的减少40%.Wontae
Lee等发现膜污染与蛋白质比例是成正比的，同时蛋白质的表面特性能影响微生物絮体的表面特性.近年来，以SMP为主要成分的溶解性物质对膜污染的影响越来越引起人们的重视.分置式膜-生物反应器中循环泵产生的剪切力对污泥絮体有较强的破坏作用，致使污泥絮体释放出大量的SMP等溶解性物质，从而增加了膜污染，形成了很大的膜过滤阻力.Wisniewski
C等用微滤膜过滤城市污水处理厂的污泥，考察不同膜面流速下污泥粒径分布和溶解性物质浓度对膜污染的影响时，得出了溶解性物质引起的膜污染几乎构成了50%的膜过滤阻力.
2.2 运行条件
在一体式MBR中，曝气有两个作用：一是提供微生物所需的氧气；二是产生错流速率，去除至少是减少膜面的污泥层.g S P观察到在较高曝气量下产生的剪切力会加快污染物脱离膜运动的速度.并指出有临界曝气量存在，当超过它通量增加就不明显，而且太大的曝气量会提供过量的溶解氧，也不利于反硝化作用
.Ueda等报道降低曝气量可能会增加TMP作用，在短期运行中，降低曝气量可能会使初始通量恢复，但长期运行时，较低曝气量就会导致物质在膜面上的快速累积
.
水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)都不是直接引起膜污染的因素，只是二者的变化会引起反应器内污泥特性的改变，从而对膜污染产生影响.
通量是决定膜污染速率的最重要因素，由此将膜生物反应器通量划分为3个水动力学操作区：超临界区、临界区和次临界区.在临界区以下，膜污染速度较缓慢.Kaichang
Yu等研究发现随着曝气强度的增大，气、水二相流的紊动性增大，进而使得临界通量也不断增大，这是延长微滤膜稳定运行时间的有效方法.
2.3 膜的结构和性质
膜的性质包括膜的材质，孔径大小，孔隙率，粗糙度，疏水性等，这些都会直接影响膜污染.膜孔径对膜污染的影响与进水的颗粒大小有关，目前，大多数的MBR工艺采用0.1～0.4
μm的膜孔径，完全截留以微生物絮体为主的活性污泥.
常采用的膜材料有陶瓷和聚合物，陶瓷膜具有很好的机械性能，寿命长，但由于其制造成本较高，工程中使用较多的是聚合物膜.膜材料的憎水性对膜污染有很重要的影响.Chang
I S等比较了憎水性超滤膜和亲水性超滤膜，得出憎水性超滤膜膜面更容易吸附溶解性物质，表现出更大的污染趋势.对于疏水性膜，可以通过化学改性将其转变为亲水性膜，常用的化学改性的方法有接枝、共聚、交联等.
Shoji等研究表明，膜表面粗糙度的增加使膜表面吸附污染物的可能性增加，但同时也增加了膜表面的挠动程度，阻碍了污染物在膜表面的沉积，因此粗糙度对膜通量的影响是两方面因素综合作用的结果.可通过在膜表面形成动态膜来改变膜表面粗糙度，从而改善膜污染.
3 膜污染可控因素初探
对一个具体的MBR装置而言，膜材料是确定的，微生物性能则会随运行状况的改变而改变，成为影响膜污染的重要因素，运行条件的控制要考虑到对微生物特性的影响.因此，本文采用小型模拟装置就微生物特性对膜污染的影响进行了考察.
3.1 试验装置

图2 MBR膜污染试验装置
图2所示为淹没式膜生物反应器的小型的模拟装置，反应器体积10L，膜组件采用日本三菱公司的聚乙烯中空纤维膜，膜孔径为0.1 μm，膜面积0.06 m2，膜通量为20
L/m2/h，采用透过膜压力(TMP)作为膜污染的指标，膜组件出口装有数字式压力表可以即时反应TMP的变化，当TMP超过0.040 MPa时，停止运行对膜进行清洗操作，每个膜组件采用单独的曝气管产生向上的气泡冲刷膜表面以减轻膜污染，曝气强度可调，使膜A、B在相同的曝气强度下运行，曝气量0.1
m3/h.用来分别抽吸污泥混合液、膨胀污泥混合液、污泥混合液静沉上清液、上清液加三氯化铁混凝静沉后的上清液(见表1)，考察污泥混合液中不同组分对膜污染的影响.为维持装置被过滤溶液浓度不变，膜出水除少量用于取样外，其余全部回流到过滤室中.
表1 不同组分被过滤液的制备及特点

3.2 试验结果及分析
用装置模拟淹没式膜生物反应器的运行条件，对不同组分的被过滤液进行了过滤，采用电镜观察新膜及污染膜表面，可以看到，膜污染后表面的微孔被污染物所覆盖(图3).图4表明经过30分钟静沉的上清液对膜的污染速度比污泥混合液还要快，这说明污泥混合液中的微生物絮体被沉淀分离后并没有减缓膜污染.而对上清液进行混凝沉降处理后，则膜污染速度明显降低，可见溶解性微生物产物对膜污染有重要影响.值得注意的是膨胀的污泥混合液过滤过程中膜污染速度最快，观察其表面有大量黏性物质，判断为胞外聚合物，主要成分为多糖及蛋白质类物质.可见，在膜污染过程中，微生物代谢产物，EPS和SMP类物质，在膜污染过程中发挥了主要作用，而微生物的代谢状况和运行条件是密切相关的，目前国内外很多研究也发现，MBR的负荷、固体停留时间(SRT)和水力停留时间(HRT)调控对膜污染有很大影响，这些参数实质上影响的是系统中的微生物特性，关于其具体作用机理还有待进一步的研究，但可以判断，MBR运行参数的控制将综合考虑微生物处理效果及对膜污染的影响.

新膜污染膜
图3 新膜及污染膜表面的电镜照片

图4 对不同组分过滤液进行过滤时，TMP随时间的变化关系
4 结论
膜污染机理复杂，目前尚未完全清楚，国内外的研究认为膜污染的影响因素主要为微生物特性，运行条件与膜的结构和性质三方面.
模拟试验表明胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP)对膜污染有重要影响，分析认为，可以通过该控制固体停留时间(SRT)、水力停留时间(HRT)、负荷来控制微生物特性，进而缓解膜污染.