褚文瑋，趙偉偉，趙倩倩

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300402）

傳統(tǒng)的活性污泥法泥水分離是在二沉池中依靠重力完成的，其分離效率受諸多因素影響，必須嚴(yán)格控制曝氣池的運(yùn)行條件，才能保證污泥的沉降性能，運(yùn)行管理難度較大。MBR 工藝是利用MBR 膜生物反應(yīng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)生物處理系統(tǒng)的二沉池，利用膜組件的固液分離作用，將相對(duì)分子質(zhì)量較大的物質(zhì)截留在膜外，提高了生物反應(yīng)器中微生物的濃度，從而提升了有機(jī)物和氮磷的去除率。因此MBR 工藝具有出水水質(zhì)優(yōu)，安全穩(wěn)定，耐沖擊負(fù)荷，剩余污泥量少等很多突出的技術(shù)特點(diǎn)[1,2]，在生活污水和高濃度有機(jī)廢水的處理以及再生水回用方面有著天然的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景[3～5]。

但是MBR 工藝同樣具有一些不足之處，比如易造成膜污染、能耗高等，其中膜污染是難以攻破的難題。所謂膜污染是指在MBR 膜生物反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)行中，污泥絮體、膠體顆粒等物質(zhì)吸附沉積在MBR 膜的表面或孔內(nèi)，從而造成膜孔徑變小或堵塞，使膜的過(guò)濾阻力增加，過(guò)濾性能下降的現(xiàn)象。膜污染是不可避免的，如何減輕膜污染以及清洗措施一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[6]。

1 MBR 膜污染形成機(jī)理與分類

1.1 膜污染機(jī)理

對(duì)膜污染的機(jī)理的研究是膜污染控制的基礎(chǔ)，通過(guò)研究膜污染的成因和污染特性，采取有效控制措施，降低膜污染是MBR 膜能否長(zhǎng)久使用的關(guān)鍵。膜污染的產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜，簡(jiǎn)要可以概括為兩個(gè)方面：一方面是MBR 工藝在長(zhǎng)期運(yùn)行中，活性污泥中的膠團(tuán)等物質(zhì)與膜產(chǎn)生物理和化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致膜污染；另一方面是由于膜表面布滿了細(xì)小的微孔，通過(guò)自吸泵的抽吸產(chǎn)水，污染物極易被附著沉積在膜的表面，造成膜堵塞，如圖1。因此，膜污染不僅有膜堵塞引起的不可逆污染還有由膠團(tuán)引起的可逆污染。

1.2 膜污染分類

膜污染的分類方法多種多樣：按照膜污染的位置可以分為污染物吸附沉積在膜表面的外部污染和污染物吸附沉積在膜孔內(nèi)的內(nèi)部污染；按照污染形態(tài)可以分為膜面凝膠層、污泥層和膜孔堵塞三種污染類型；按照污染物來(lái)源可以分為物理污染（無(wú)機(jī)污染）、化學(xué)污染（有機(jī)污染）和微生物污染。

圖1 膜污染模式圖

1.3 膜污染特征

對(duì)膜污染特征的分析主要采用電鏡掃描和能譜分析，分別截取新膜和污染后的一段膜絲，干燥后噴金進(jìn)行電鏡掃描，放大5000 倍后如圖2所示。

圖2a、2b 為電鏡下新膜內(nèi)外表面圖片，圖中可清晰看到膜表面呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且分布著細(xì)小的微孔。圖2c、2d 為電鏡下污染后膜內(nèi)外表面圖片，膜內(nèi)表面有微生物和細(xì)菌分泌物殘留，這說(shuō)明膜內(nèi)表面污染由微生物造成；膜外表面沉積著污泥絮體和膠體顆粒等物質(zhì)，造成了膜堵塞。

圖2 新膜和污染膜掃描電鏡

此外，對(duì)污染后的膜采用EDX 對(duì)其表面污染物的化學(xué)成分及含量進(jìn)行了定性和定量檢測(cè)，結(jié)果如圖3 和表1 所示。

圖3 膜表面污染元素的分布圖

由圖3 和表1 可知，污染物中C、O 和N 所占比例較高，無(wú)機(jī)污染物主要主要以Ca、Mg 等陽(yáng)離子難溶性無(wú)機(jī)鹽為主，雖然含量不高，但是易形成難溶性無(wú)機(jī)鹽，在膜表面沉積。

表1 膜面污染元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 膜污染控制

2.1 污泥齡SRT 調(diào)控

SRT 對(duì)MLSS、EPS、SMP、混合液過(guò)濾性能、污泥沉降性能有著顯著的影響，隨SRT 增大，MLSS、EPS、SMP 呈現(xiàn)穩(wěn)定增加的特性，混合液過(guò)濾性能、污泥沉淀性能變差。由此，調(diào)控SRT 在合適的范圍，對(duì)控制膜污染具有十分重要的作用。

試驗(yàn)期間水溫為18.0～31.0 ℃，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)污泥齡SRT，考察膜污染情況。為排除其他干擾因素，每次調(diào)整SRT 后，都對(duì)膜組件進(jìn)行充分化學(xué)清洗。

控 制SRT 在13 d，MLSS 穩(wěn)定在3.0 ～5.0 g/L之間，系統(tǒng)膜污染速率為0.675 kPa/d 左右；控制SRT 在25 d，MLSS 穩(wěn)定在6.5～8.0 g/L 之間，系統(tǒng)膜污染速率為1.104 kPa/d 左右；控制SRT 在35 d，MLSS 穩(wěn)定在8.0～10.0 g/L 之間，系統(tǒng)膜污染速率為1.240 kPa/d 左右；控制SRT 為40 d，MLSS 提高到12～13 g/L，系統(tǒng)膜污染速率迅速加劇，達(dá)到2.067 kPa/d 以上。

這就表明，隨著系統(tǒng)污泥齡SRT 的增加，MLSS 會(huì)隨之增加，膜污染速率逐步加劇。當(dāng)SRT 達(dá)到40d 以上，膜污染顯著；控制SRT 在25～35 d，能夠使膜污染速率相對(duì)較小且穩(wěn)定，并能夠維持MLSS在6～10g/L，能夠保證較好的污染物去除效果。

2.2 MBR 膜池曝氣量調(diào)控

通過(guò)增加曝氣量可以增強(qiáng)膜表面的氣液流速，膜表面氣液流速較快時(shí)，高速的水流可以對(duì)膜表面的污染物進(jìn)行有效的沖刷，這是控制膜污染的有力手段之一。但是曝氣量過(guò)高氣體產(chǎn)生的剪切力會(huì)影響活性污泥性狀，同時(shí)會(huì)使溶解氧過(guò)高，不利于反硝化作用。因此在混合液性質(zhì)一定的條件下，調(diào)控好曝氣強(qiáng)度可以在兼顧系統(tǒng)硝化效率的同時(shí)減輕膜污染，這對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低能耗有重要的意義。

試驗(yàn)期間水溫為18.0～31.0 ℃，MBR 自吸泵起始抽吸壓力為10.6 kPa，膜池MLSS 濃度在6.52～6.74 g/L 之間。設(shè)置自吸泵的運(yùn)行方式為間歇運(yùn)行，啟動(dòng)8 min 停止2 min，通過(guò)氣水比分析曝氣量對(duì)膜污染的影響。依次調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)閥門(mén)控制膜池的氣水比為5∶1、10∶1、15∶1、18∶1、20∶1、25∶1、30∶1，運(yùn)行一段時(shí)間后以每小時(shí)膜通量的下降率作為對(duì)照參數(shù)，膜通量下降率越大，說(shuō)明污染越嚴(yán)重，反之則較輕。試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 曝氣量的影響

由圖4 可見(jiàn)，當(dāng)氣水比為5∶1 時(shí)，膜通量下降率為7.8%，污染情況較為嚴(yán)重；氣水比為10∶1時(shí)，膜通量下降率為6.8%；氣水比為15∶1 時(shí)，膜通量下降為5.0%；氣水比為18∶1 時(shí)，膜通量下降率為4.8%。當(dāng)氣水比較小時(shí)，膜污染情況較嚴(yán)重，隨著氣水比的提高，膜通量下降率變化明顯，這說(shuō)明適當(dāng)增加氣水比有助于減輕膜污染。但當(dāng)提高氣水比為25∶1 和30∶1 時(shí)，膜通量下降率仍達(dá)4.4%和4.3%，這說(shuō)明當(dāng)達(dá)到最佳氣水比后，增大曝氣量對(duì)膜通量的改善作用不明顯。因此通過(guò)圖分析，MBR 膜池的氣水比控制范圍應(yīng)為15∶1～20∶1，最佳的氣水比為18∶1。

2.3 間歇出水抽停比的優(yōu)化

MBR 自吸泵間歇出水能夠有效減少污染物在膜表面的吸附沉積，有效控制膜污染。在間歇期，通過(guò)曝氣作用使氣泡均勻上升沖刷膜表面，能夠減輕膜污染，但間歇期時(shí)間長(zhǎng)會(huì)降低出水效率，因此控制好抽停比可以在保證出水效率的同時(shí)降低膜污染。

目前應(yīng)用較廣的抽停比有15∶5、13∶2、10∶2 和8∶2，出水效率的高低順序?yàn)椋?3∶2＞10∶2＞8∶2＞15∶5。試驗(yàn)期間的運(yùn)行條件為：水溫25～27 ℃，污泥濃度6000～6300 mg/L，曝氣強(qiáng)度1250 L/min，膜通量10.11 L/m2·h，運(yùn)行2h 后，不同抽停比所對(duì)應(yīng)的膜過(guò)濾壓力的增加量如圖5 所示。

圖5 抽停比對(duì)過(guò)濾壓差的影響

由圖5 可見(jiàn)，膜壓差增加值高低順序?yàn)椋?3∶2＞15∶5＞10∶2＞8∶2。經(jīng)過(guò)分析，在相同的時(shí)間內(nèi)，膜過(guò)濾壓力增加值越低，膜污染速率越低，反之越高。在抽停比為15∶5 時(shí)，出水效率最低，但膜污染速率并不理想，這可能是因?yàn)檫B續(xù)出水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)阻塞了膜孔且長(zhǎng)時(shí)間空曝氣也不能緩解，因此連續(xù)出水時(shí)間不宜超過(guò)15 min。在抽停比為13∶2時(shí)，出水效率最高，但會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的膜污染情況，同樣不可取。在停抽比為8∶2 和10∶2 的條件下，出水效率相差3%，膜污染速率增加20%，綜合來(lái)看該校A2/O-MBR 污水處理站出水抽停比為8∶2 時(shí)比較理想，既能保證出水效率又可相對(duì)降低膜污染速率。

3 MBR 膜組件的清洗

MBR 膜生物反應(yīng)器在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行后，污染物會(huì)附著在膜表面，使膜壓差持續(xù)升高，當(dāng)升高到一定數(shù)值時(shí)，需要進(jìn)行藥液清洗，否則附著物會(huì)固結(jié)在膜表面，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的出水效果。因此，膜壓差是判斷膜污染狀況的重要指標(biāo)，及時(shí)做好清洗工作可以將膜壓差控制在較低狀態(tài)，有助于MBR 系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行同時(shí)延長(zhǎng)膜組件的使用壽命，對(duì)MBR 工藝運(yùn)行管理尤為重要。

3.1 藥洗方式的判斷方法

MBR 膜組件的藥洗方式有在線化學(xué)清洗和離線化學(xué)清洗兩種。

藥洗方式的判斷方法為：P1+20 kPa=P2，其中P1為初始膜壓差；20 kPa 是藥洗的壓力變化值（經(jīng)驗(yàn)值）；P2為變化后總壓力。

鑒于A2/O-MBR 校園污水處理站的處理量和運(yùn)行狀況，通常情況下藥洗周期為3 個(gè)月，因此每運(yùn)轉(zhuǎn)3 個(gè)月根據(jù)膜壓差與總壓力P2的大小相比較，決定藥洗方式。

1）初次運(yùn)行或距離上次藥液清洗結(jié)束并運(yùn)行3 個(gè)月后，如果膜壓差P＜P2，實(shí)施反沖洗（在線藥洗）即可。在線藥洗周期示意圖如6 所示。

圖6 在線藥洗周期示意圖

2）距離上次藥液清洗結(jié)束后并運(yùn)轉(zhuǎn)的3 個(gè)月內(nèi)，應(yīng)及時(shí)關(guān)注膜壓差變化，如果膜壓差P 接近于P2，需要提前實(shí)施反沖洗。反沖洗結(jié)束后運(yùn)轉(zhuǎn)的3 個(gè)月內(nèi)，如果再次達(dá)到相同的狀態(tài)，應(yīng)繼續(xù)實(shí)施反沖洗。在接著的3 個(gè)月內(nèi)，如果再次達(dá)到該狀態(tài)，應(yīng)實(shí)施離線化學(xué)清洗（系統(tǒng)外漬清洗）。相應(yīng)藥洗周期示意圖如7 所示。

圖7 膜壓差接近P2 時(shí)藥洗判斷示意圖

3）如果膜壓差P＞P2時(shí)，需進(jìn)行離線化學(xué)清洗。

3.2 MBR 在線化學(xué)清洗及流程

在線化學(xué)反沖洗是指在不移動(dòng)MBR 膜組件的狀態(tài)下，將化學(xué)清洗藥液通過(guò)反沖洗管路反向注入中空纖維膜內(nèi)部，并通過(guò)微孔滲透到原水側(cè)，使沾染在膜表面的污染物分解，恢復(fù)膜通量的方法。

在線藥液：有效氯含量為3000 mg/L 的次氯酸鈉溶液。

在線反沖洗流程如下：

1）停止產(chǎn)水和曝氣：關(guān)閉MBR 自吸泵，停止出水，同時(shí)關(guān)閉MBR 自吸泵產(chǎn)水閥門(mén)，防止藥液流失。1～2 min 后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)，停止曝氣。

2）注入藥液：開(kāi)啟相關(guān)閥門(mén)保證加藥管路通暢，運(yùn)行反沖洗加藥泵，將預(yù)先配制好的藥液在30 min 內(nèi)全部注入MBR 膜組件，并用清水沖洗1～2 次，防止藥液腐蝕加藥泵和管路。

3）靜置浸泡：關(guān)閉反沖洗加藥泵及加藥管路閥門(mén)，靜置90 min，保持藥液與MBR 膜組件接觸時(shí)間為120 min。

4）空曝氣：開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)，不開(kāi)啟MBR 自吸泵，空曝氣30 min。

5）正常運(yùn)行：開(kāi)啟MBR 自吸泵及產(chǎn)水閥門(mén)，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。

注意：不能使用固體次氯酸鈉配制藥液，以防溶解不完全進(jìn)入MBR 膜組件造成膜堵塞。

3.3 MBR 離線化學(xué)清洗及流程

離線化學(xué)清洗是利用電葫蘆等設(shè)備將MBR膜組件從MBR 膜池中吊出，置入預(yù)先配置好藥液的離線清洗池，并浸泡一段時(shí)間，從而使膜表面附著的有機(jī)物分解，恢復(fù)膜通量的方法。

離線藥液：有效氯含量為3000 mg/L 的次氯酸鈉溶液或2%左右的檸檬酸溶液。

離線化學(xué)清洗流程如下：

1）將連接膜組件的出水管和曝氣管從干管上拆下，并用電葫蘆將MBR 膜組件從池中吊出。

2）用自來(lái)水沖洗MBR 膜組件，去除附著在膜表面的活性污泥，水壓不宜過(guò)高以免損壞膜絲。

3）預(yù)先在離線清洗池中配制好指定的藥劑，將膜組件吊入并完全浸沒(méi)于池中，開(kāi)啟底部曝氣，使藥液與沾染在MBR 膜上的污染物充分反應(yīng)。

4）最佳清洗溫度為20～35 ℃，浸泡時(shí)間16～20 h。在水溫較低時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)先加熱清洗溶液，可提高清洗效果。

5）浸泡完畢后，將MBR 膜組件吊出并用自來(lái)水沖洗，去除附著在膜表面的藥液。

6）將膜組件吊回MBR 膜池并接上出水管、曝氣管等，開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)、關(guān)閉出水自吸泵，空曝氣30min 以上

7）開(kāi)啟自吸泵，將流量設(shè)置為正常運(yùn)行時(shí)的1/2 以下，并運(yùn)轉(zhuǎn)30min 以上。

8）以上操作完成后，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

如何減輕膜污染是MBR 工藝運(yùn)行中的一個(gè)難題，本章分析了膜污染的機(jī)理與特征，通過(guò)試驗(yàn)的方式得到了MBR 膜生物反應(yīng)器操作參數(shù)的控制策略，以求在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下降低膜污染，并列出膜污染后的清洗方式，相關(guān)優(yōu)化方案如下。

1）隨著系統(tǒng)SRT 增加，MLSS、EPS、SMP 值等也隨之升高。當(dāng)SRT 控制在25～35 d，能夠使膜污染速率相對(duì)較小且穩(wěn)定。

2）以氣水比作為曝氣量參數(shù)，本車(chē)間最佳的氣水比為18∶1，間歇出水抽停比為8∶2（產(chǎn)水泵運(yùn)行8min，停止2 min），既可以有效控制膜污染又可以節(jié)約能耗。

3）通常情況下，MBR 膜組件清洗周期為3 個(gè)月，定期根據(jù)膜污染情況對(duì)MBR 膜組件進(jìn)行在線化學(xué)清洗和離線化學(xué)清洗，能夠使MBR 膜組件恢復(fù)較好的通量，保證出水水質(zhì)的同時(shí)延長(zhǎng)其使用壽命。