不同工艺类型的MBR膜污染行为解析

不同工艺类型的MBR膜污染行为解析

王立强

哈密市第二人民医院   新疆维吾尔自治区哈密市

摘要：水污染已成为当今最严重的环境问题之一，极大地影响着人类社会的经济发展、生活质量和环境质量。膜在污水处理、食品、饮料及工业废水处理中具有广泛的应用前景。膜生物反应器(MBR)与传统的污水处理技术相比，具有出水水质稳定、占地面积小等优点，但是膜污染现象的存在严重制约了MBR的应用。随着MBR运行时间的延长，膜污染会逐渐加剧，一定时间内需将膜进行清洗或更换，增加了操作和维护成本。好氧膜生物反应器(AeMBR)应用较早，其膜污染机制已被广泛研究和总结。近年来，由于厌氧膜生物反应器(AnMBR)具有回收甲烷、减少污泥产率等优点，在降低废水处理的能量消耗方面具有巨大潜力，AnMBR的研究也逐渐增多。随着分子生物学的发展，新型污水脱氮除磷工艺不断涌现，出现缺氧膜生物反应器(AxMBR)。然而很少有研究对不同工艺类型的MBR膜污染差异进行直接比较。由于AxMBR的研究较少，本文通过对比AeMBR和AnMBR在有机污染、无机污染、生物污染三方面膜污染的特征，总结了引起两个系统之间膜污染行为差异的主要因素，同时对AxMBR的膜污染研究进行展望。

关键词：工艺类型；MBR

1 AeMBR和AnMBR的膜污染特征

1.1 有机污染差异

1.1.1 有机污染物的浓度差异

对AnMBR和AeMBR的bEPS和SMP浓度进行文献统计。不同文献中bEPS的浓度存在较大差异，从几毫克单位生物质浓度至几十毫克单位生物质浓度不等，蛋白质的浓度通常高于多糖的浓度。通过比较两种反应器在相同水质条件下的膜污染速率可以看出，AnMBR通常要比AeMBR的膜污染速率更快，但是仅从EPS浓度无法判断哪一种反应器污染速度快，例如，尽管GARCIA等和纪超等研究中发现AnMBR比AeMBR污染快，但前者的实验结果显示AnMBR的SMP浓度是AeMBR的5倍，而后者的实验中AnMBR的SMP浓度低于AeMBR。

AeMBR和AnMBR的泥饼层污染物浓度随膜污染进程的变化也不尽相同。在AnMBR中，随着污染的进行，多糖和蛋白浓度稳步增加。在膜污染后期，即跨膜压差(TMP)跳跃后，AnMBR污染物浓度以渐进的方式积累，而AeMBR在TMP跳跃后多糖和蛋白浓度却显著增加。这可能是由于AeMBR运行末期，泥饼层变厚，内部环境改变，从而导致泥饼层底部积累的污泥裂解，释放出大量的有机污染物，而AnMBR的泥饼层变化相对缓和，TMP跳跃后并未出现污染物浓度激增。

1.1.2 有机污染物的尺寸差异

MBR中的污泥混合液由各种不同尺寸的物质组成，这些物质可分为SMP、微颗粒和污泥絮体三类。SMP尺寸<0.45 μm, 微颗粒尺寸为0.45～10 μm, 污泥絮体尺寸>10 μm, 这些都是潜在的污染物来源，其中微颗粒包含胶体、亚微米颗粒和微米颗粒。这些不同尺寸的物质对AeMBR和AnMBR膜污染的贡献也不一致。在AeMBR中，污泥絮体和SMP是主要的污染物来源，前者是泥饼层中微生物的主要来源，后者与膜上污染物具有相似的有机官能团；在AnMBR中，微颗粒是污染物的主要来源，它们的沉积附着会同时引起有机污染和生物污染。而以往研究主要集中在对SMP和bEPS的研究。SMP/bEPS通常通过高速离心和膜过滤(0.45 μm)来收集，并且大量研究显示SMP在膜污染方面的确起到了重要作用。TENG等研究AeMBR中SMP与污泥的过滤特性，发现SMP的比过滤阻力是污泥颗粒的700倍，SMP与膜之间的吸引能强度是污泥颗粒与膜之间的3 700倍。

1.2 无机污染差异

相较于有机污染，MBR工艺运行中的无机污染则更多取决于进水水质。无机污染可以通过两种方式形成：化学沉淀和生物沉淀。MBR中存在大量的阴阳离子，如Ca2+、Mg2+、Al3+、NH+4、OH-、CO2−332-、PO3−443-等。MBR的抽吸作用会加强浓差极化现象，浓差极化使得膜表面附近存在较高的离子浓度，当这部分物质的浓度超过饱和浓度时，就会以化学沉淀的形式析出。生物沉淀是造成无机污染的另一个原因，生物聚合物中通常含有COO-、OH-等可电离基团，这些基团容易吸附金属离子。

1.3 生物污染差异

MBR膜的生物污染通常可分为三个阶段。在初始阶段，膜表面被bEPS和SMP所覆盖，这些bEPS和SMP参与了初始生物膜的形成。初始生物膜形成后，膜表面条件发生变化，有利于微生物的黏附，TMP出现跃升。膜污染中期，微生物数量逐渐增多，泥饼层变厚，TMP平稳上升。在生物污染后期，泥饼层底部由于缺乏氧气和营养物质而产生大量的死细胞，释放出大量生物聚合物和细胞裂解产物，使膜污染加剧，从而使TMP再次跃升。

AnMBR和AeMBR在不同生物污染阶段污染状况也是不一样的。在AnMBR的初始污染阶段，膜表面覆盖着大量的丝状细菌，污染层紧密，泥饼层具有较高的阻力。而在AeMBR初始污染阶段，膜表面附着小絮体，泥饼层阻力低于AnMBR。随着泥饼层的加厚，内外层的溶解氧差异也会逐渐明显。在AnMBR中，泥饼层整体保持厌氧状态，这不会引起泥饼层上微生物所处的环境发生太大变化，基本保持与污泥混合液相同的环境。而AeMBR的泥饼层则会形成从外层有氧到中间缺氧，再到底部厌氧的环境，对泥饼层的微生物群落活动产生干扰。

2 关于缺氧MBR的膜污染研究

以前很少有研究关注反硝化过程对膜污染的影响。虽然反硝化滤池对氮的去除效果显著，但是反硝化过程中溶解性有机物的变化可能会加速后续过滤过程的污染。JIANG等对硝化和反硝化过程中膜污染情况进行了比较，发现反硝化过程的膜污染远高于硝化过程。MA等的研究表明，缺氧/好氧过程膜污染速率比单独好氧过程膜污染更快。可以看出，缺氧膜污染状况要比好氧膜污染更加严重。缺氧过程的膜污染问题归因于较小的絮凝物尺寸，泥饼层中较低的孔隙率以及较高的泥饼层阻力。

不同缺氧反硝化过程的膜污染行为也存在差异。研究者对不同缺氧反硝化过程进行研究，以常规活性污泥(CAS)和反硝化聚磷微生物(DPAO)为研究对象，采用改良过滤指数(MFI)对膜污染能力进行研究。结果表明，DPAO反硝化后MFI降低45%,而CAS反硝化后MFI增加123%。传统的异养反硝化处理会加剧膜污染，反硝化聚磷过程会降低脱氮后的污染能力。然而研究者采用的是批次式膜过滤实验，MBR长期运行过程中污泥混合液等势必会发生较大变化，膜污染状况也会随之受其影响，然而目前没有对DPAO长期运行条件下膜污染状况的详细研究。

3 结语

AnMBR和AeMBR因其进水水质、微生物生长环境等特性的不同而导致膜污染差异较大。相对于AeMBR,AnMBR通常具有较快的污染速率。从有机污染、无机污染和生物污染三个方面来看，有机污染、生物污染方面差异明显，无机污染两者研究较少，结果存在争议。在有机污染方面，AnMBR和AeMBR的EPS浓度各研究并不统一，但AnMBR污染物尺寸更小，在膜上的分布更均匀、密实，孔隙率更低，同时微米级颗粒对AnMBR膜污染有重要影响。在生物污染方面，溶解氧浓度的差异造成两者微生物群体不一，在不同的污染阶段生物污染特性也不尽相同，与有机污染相同，AnMBR生物污染变化更为有序平缓，AeMBR变化更为剧烈。过去的研究大多认为AxMBR膜污染速率大于AeMBR,但是不同的反硝化过程中膜污染行为存在明显差异，传统异养反硝化后膜污染加剧，反硝化吸磷过程减缓了脱氮后的污染能力。目前对膜有机污染物的研究大多停留在简单的浓度检测阶段，这可能会造成一些矛盾的结果，对不同膜工艺条件进行更详细的分类检测，或有助于帮助理解膜污染。AxMBR研究较少，尤其是反硝化除磷MBR相比传统反硝化膜污染更小，同时节省曝气能量消耗，应进行更系统的研究。

参考文献

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