MBR膜污染機(jī)理及控制因素

1、膜污染的定義

膜污染通常是指混合液中的物質(zhì)在膜表面（外部）和膜孔內(nèi)（內(nèi)部）吸附聚集，造成膜孔堵塞并促使孔隙率變小，引起膜通量的衰減和過(guò)濾壓力升高的過(guò)程。

在膜過(guò)濾的操作中，水分子和細(xì)小物質(zhì)不斷透過(guò)膜，同時(shí)一些物質(zhì)被膜截留而堵塞膜孔或在膜表面沉積，從而造成膜污染。可以說(shuō)，是膜截留導(dǎo)致了膜污染。膜污染的直接表現(xiàn)，就是膜通量的下降或者操作壓力的升高。

活性污泥混合液體系中存在的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)、菌膠團(tuán)、微生物細(xì)胞、細(xì)胞碎片、微生物代謝產(chǎn)物（EPS、SMP）以及各種有機(jī)、無(wú)機(jī)溶解性物質(zhì)等都對(duì)膜污染有貢獻(xiàn)。

膜污染的發(fā)展通?？煞譃?階段（也有2階段說(shuō)法）：

（1）初始污染：發(fā)生在膜系統(tǒng)投入運(yùn)行的初期，膜面與混合液中的膠體、有機(jī)物等發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，污染方式有粘附、電荷作用、膜孔堵塞等。錯(cuò)流過(guò)濾的條件下，細(xì)小的生物絮體或胞外聚合物依舊能夠依附在膜表面上，而小于膜孔徑的物質(zhì)會(huì)在膜孔中吸附，通過(guò)濃縮、結(jié)晶沉淀和生長(zhǎng)繁殖的作用造成膜污染。

（2）緩慢污染：初期膜表面光滑，大顆粒物質(zhì)不容易附著，主要由EPS、SMP、生物膠體等黏性物質(zhì)通過(guò)吸附橋架、網(wǎng)捕等作用吸附在膜表面形成凝膠層，造成膜過(guò)濾阻力的緩慢上升，對(duì)混合液中的污染物的截留性能會(huì)有增強(qiáng)。凝膠層的污染是不可避免的，帶來(lái)的影響是膜阻力的緩慢上升。在恒流操作中表現(xiàn)為TMP的緩慢上升，在恒壓模式中表現(xiàn)為通量的緩慢衰減。

（3）快速污染：第2階段形成的凝膠層在持續(xù)的過(guò)濾壓差和透水流的作用下，隨著污染物的沉積逐漸密實(shí)，導(dǎo)致膜污染從量變到質(zhì)變，混合液中的絮體迅速在膜表面聚集并形成污泥濾餅，跨膜壓差快速上升。

凝膠層的污染是不可避免的，帶來(lái)的影響是膜阻力的緩慢上升。在恒流操作中表現(xiàn)為TMP的緩慢上升，在恒壓模式中表現(xiàn)為通量的緩慢衰減。一旦大量的污泥絮體在膜面沉積而形成的泥餅層，系統(tǒng)基本是無(wú)法正常運(yùn)行的。MBR運(yùn)維過(guò)程的主要注意事項(xiàng)就是延緩凝膠層污染（保持好的水力條件，原位清洗，控制膜污染發(fā)展速率，延長(zhǎng)緩慢污染的運(yùn)行時(shí)間），控制泥餅層污染（快速污染）。

2、膜污染的類型

（1）按污染物質(zhì)成分分類

有機(jī)污染

主要來(lái)源于混合液中的大分子有機(jī)物（多糖、蛋白質(zhì)等），腐殖酸類，微生物絮體、細(xì)胞碎片等。其中溶解性有機(jī)物SMP、EPS雖然對(duì)于MLSS來(lái)說(shuō)占比非常低，但是它們所造成的膜污染占到26%-52%。微生物在膜孔內(nèi)及膜表面生長(zhǎng)、吸附作用也是膜污染的重要因素。

無(wú)機(jī)污染

由金屬鹽類，無(wú)機(jī)鹽離子架橋作用形成。膜的常見無(wú)機(jī)污染主要是鈣、鎂、鐵、硅等的碳酸鹽、硫酸鹽及硅酸鹽的結(jié)垢物質(zhì)，其中碳酸鈣、硫酸鈣、*較多。

（2）按污染物的性質(zhì)分類

可逆污染（暫時(shí)污染）：可以通過(guò)一定的水力措施進(jìn)行去除膜污染；如通過(guò)清水反洗、曝氣抖動(dòng)可以去除的。

不可逆污染（*污染）：不能通過(guò)水力清洗措施去除的膜污染，可以通過(guò)用氧化劑、酸、堿、還原劑等清洗進(jìn)行去除的。

可逆和不可逆，都是可以洗出來(lái)的。任何清洗手段都洗不出來(lái)的就叫不可恢復(fù)性污染。

（3）按污染物的位置分類

混合液中的物料在膜孔內(nèi)吸附、濃縮結(jié)晶、聚集形成的叫內(nèi)部污染；在膜表面的聚集和沉積形成的叫外部污染。

3、膜污染的影響因素及其控制

膜污染的形成主要因素有：膜固有性質(zhì)、混合液性質(zhì)和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，控制及解決膜污染也應(yīng)該從這三方面采取相應(yīng)的措施。

（1）膜的固有性質(zhì)

膜的物理及其化學(xué)性能是由膜材料決定的，膜在混合液中的抗污染能力與其材料有關(guān)。有研究表明膜的親水性對(duì)抗污染能力有非常重要的影響。在有機(jī)膜材料中，有的是親水性材質(zhì)如PAN，大多數(shù)均為疏水性材質(zhì)，像PVDF、PE、PS等。疏水性有機(jī)材料在應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行親水性改造，由于改造工藝的差異，親水性在使用過(guò)程中的流失就有了快慢之分。

此外，膜抗污染能力還與膜表面粗糙度、膜表面電荷、膜孔徑等均有關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)選擇親水性更好的膜材料，改善膜表面的粗糙度，選用與混合液電位相同的膜材料和合適的膜孔徑來(lái)改善膜抗污染的能力。

無(wú)機(jī)膜如陶瓷膜：以氧化鋁、碳化硅、氧化鈦、氧化鋯等為原料，高溫?zé)Y(jié)而成，在通量、強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性方便比有機(jī)膜具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（2）混合液的性質(zhì)

膜污染很大程度是膜與混合液之間的相互作用的影響結(jié)果，混合液的性質(zhì)包括污泥濃度和黏度、顆粒分布、溶解性有機(jī)物濃度、微生物代謝產(chǎn)物濃度等。

污泥濃度較低時(shí)，污泥對(duì)有機(jī)物的吸附降解能力不足，混合液中有機(jī)物濃度增加，膜孔堵塞嚴(yán)重，濃差極化引起膜表面溶質(zhì)的濃度顯著提高易形成凝膠層，導(dǎo)致過(guò)濾阻力增加；當(dāng)污泥濃度高于一定值時(shí)，EPC濃度增加，污泥黏度增長(zhǎng)快速，黏度對(duì)膜通量和混合液中氣泡大小都會(huì)產(chǎn)生影響，污泥易在膜表面沉積，形成較厚的污泥層。一般認(rèn)為污泥濃度存在一個(gè)臨界值，當(dāng)污泥濃度高于該值時(shí)，對(duì)膜通量將產(chǎn)生不利影響，所以可以選擇污泥濃度控制在合適的范圍內(nèi)來(lái)有效的控制膜污染。污泥膨脹和污泥細(xì)碎易引起嚴(yán)重的膜污染。

另MBR工藝的進(jìn)水水質(zhì)對(duì)混合液組分也有較大的影響，需要進(jìn)行一定程度的預(yù)處理，比如：毛發(fā)垃圾物質(zhì)會(huì)纏繞模式，造成膜組件積泥從而導(dǎo)致膜污染，需要在進(jìn)入好氧生化前采用不同的細(xì)膜格柵去除；泥砂等硬度較大的顆粒可能會(huì)損傷膜絲，需要采用沉砂池去除；油類對(duì)膜絲造成無(wú)法清洗的污染，超過(guò)要求需要通過(guò)隔油、氣浮等去除；無(wú)機(jī)物：可能在膜表面析出、結(jié)垢，堵塞膜孔?？赏ㄟ^(guò)絮凝沉淀或調(diào)整pH控制其不析出。其它對(duì)膜有影響的特征污染物，像有機(jī)溶劑、表面活性劑、消泡劑、PAM、硬度、堿度、溫度，這些在具體情況中要特別注意。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

次臨界通量

臨界通量的定義為，存在這樣一個(gè)通量，當(dāng)通量大于此值時(shí)，TMP增加明顯；而當(dāng)通量小于此值時(shí)，TMP保持穩(wěn)定不變。這個(gè)概念可以幫助我們?cè)谀ね看蠡湍の廴居行Э刂浦g找一個(gè)參考點(diǎn)。在膜組件的實(shí)際運(yùn)行中，將運(yùn)行通量高于臨界通量時(shí)稱為超臨界通量操作，運(yùn)行通量小于臨界通量時(shí)稱為次臨界通量操作。在實(shí)際應(yīng)用中，必須選擇合適的運(yùn)行通量。此運(yùn)行通量值在次臨界的范圍，有時(shí)候運(yùn)行通量?jī)H為臨界通量的50%左右。當(dāng)然，膜污染在*運(yùn)行的MBR中，即使采用次臨界通量操作模式，其TMP也是逐漸增加的。

合理的曝氣

在MBR中，曝氣的目的除了為微生物供氧以外，還使上升的氣泡及其產(chǎn)生的擾動(dòng)水流清洗膜表面和阻止污泥聚集，以保持膜通量的穩(wěn)定。同時(shí)氣泡與膜纖維碰撞產(chǎn)生的抖動(dòng)作用甚至使膜纖維之間互相摩擦，可加速膜面沉積物的脫落，利于膜污染的緩解。曝氣過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致膜表面沉積的顆粒粒徑減小，使濾餅的結(jié)構(gòu)更加致密，從而使膜過(guò)濾阻力增加；相反的，曝氣量過(guò)小時(shí)，擾動(dòng)削弱，污染會(huì)加重，因此要選擇合適的曝氣量。

運(yùn)停交替

根據(jù)膜污染的3階段理論，膜表面的污染形成需要一個(gè)過(guò)程。首先，污染物會(huì)在膜表面吸附、沉積、聚集，采用間歇抽吸的操作模式旨在通過(guò)定期的停止膜過(guò)濾，以使沉積在膜表面的污泥在曝氣和水流所造成的剪切力作用下從膜表面脫落下來(lái)，使膜的過(guò)濾性能得以恢復(fù)。一般抽吸時(shí)間越長(zhǎng)，懸浮固體在膜表面積累的程度越大；停止的時(shí)間越長(zhǎng)，膜表面沉積污泥脫落越*，膜過(guò)濾性能也能恢復(fù)越多。原則上應(yīng)根據(jù)膜廠家的*及實(shí)際工程的運(yùn)行來(lái)確定符合自身特點(diǎn)的運(yùn)停交替方式。