第四章 膜污染及控制

MBR膜污染及控制方法介绍自MBR工艺问世以来，其便因占地面积小，出水水质好，有机负荷率大，污泥产量少等而在世界范围内得到广泛应用，尤其在城市污水处理中发展迅速。

但是由于运行过程中需要对膜污染进行有效控制，而必须采取加大错流速率，曝气等手段，使得MBR运行过程中消耗大量能源。

那么针对这些问题，MBR操作人员究竟该怎么做？才能快速找到膜污染根源，并给予精准打击，以此减少清洗频率。

1、膜污染产生原因严格来讲，膜污染是指在运行过程中处理物料的微粒，胶体粒子或溶质大分子由于与膜发生物理化学相互作用或机械作用而引起的吸附或者沉积而造成的膜表面覆盖及膜孔堵塞的现象。

膜污染现象非常复杂，包括多种机理。

其中，浓差极化是表面形成滤饼层的主要原因，主要沉积颗粒有悬浮固体，胶体和微生物群。

有机和无机物污染是指有机和无机物吸附于膜表面和膜孔中产生的污染。

生物污染是微生物群在膜表面附着生长而产生的生物膜。

结垢现象是当膜表面溶解的盐的浓度超过其溶解度时产生的，不是主要的膜污染原因。

膜污染通常用于概括所有导致膜透过流量下降的现象，根据清洗方法不同，膜污染可以分为：1、短时间内由于浓差极化、膜孔污染和凝胶层的形成使通量下降的可逆污染，通过反洗，曝气，错流等表面清洗方法可以迅速去除的污染，一般指短期污染。

2、物料颗粒与膜材料发生的长期作用而产生的不可逆污染，不能被物理清洗方法去除，但可以通过化学清洗恢复通量的污染，一般指长期污染。

3、长期运行过程中不能被任何清洗方法所去除的污染称为不可恢复污染。

二、膜污染受哪些因素影响？（一）、污泥混合液特性膜生物反应器中的膜污染物质的来源是活性污泥混合液，污泥混合液对膜的污染极为复杂。

1、EPS和SMP胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物产物（SMP）都是微生物代谢产物，成分大致相同，它们对膜污染有着重要且复杂的影响，是MBR过程中最主要污染物。

EPS浓度过高，会增大混合液粘度而不利于溶解氧的扩散，使污泥系统充氧困难，从而影响菌胶团的正常生理活动，从而使膜过滤阻力升高。

1引言膜生物反应器是膜技术与生物反应器有机结合的产物，较早作为化工工业中一种高效的分离手段。

当它被引入环境工程领域用于污水处理时，其优良的水质、紧凑的结构及低污泥产量是传统工艺难以超越的。

通常提到的膜生物反应器，实际是三类反应器的总称，它们分别是膜-曝气生物反应器(Membrane Aeration Bioreactor)、萃取膜生物反应器(Extractive Membrane Bioreactor)和膜分离生物反应器(Biomass Separation Membrane Bioreactor)。

目前进行了大量富有成效的研究并已投入实际使用的只有膜分离生物反应器(Biomass Separation Membrane Bioreactor)，这里主要对该种膜生物反应器(Membrane Bioreactor)中膜污染控制的研究现状作简单评述。

尽管该类膜生物反应器的技术可行性早已被人们认可，但处理工艺的费用较高，在一定程度上限制了它的推广。

G.Owen指出，膜工艺的费用主要来自膜价格、膜更换频率和能耗需求。

随着制膜水平的提高，膜的价格已大大下降；膜的更换频率与膜的稳定运行有关，但膜污染问题大大影响了膜系统的稳定运行；能耗高的原因是多重的，其中之一是膜污染造成通量下降而迫使能耗加大以维持通量。

由此可见膜污染是影响MBR经济性和推广应用的主要原因。

2膜污染的形式在膜生物反应器中，膜处于由有机物、无机物及微生物等组成的复杂的混合液中，特别是生物细胞具有活性，有着比物理过程、化学反应更为复杂的生物化学反应。

因此膜污染是一个很复杂的过程，其机理目前尚不完全清楚。

此外，由于MBR多应用微滤膜和超滤膜，膜的污染问题较纳滤和反渗透膜更为严重。

从污染物的位置来划分，膜污染分为膜附着层污染和膜堵塞。

在附着层中，发现有悬浮物、胶体物质及微生物形成的滤饼层，溶解性有机物浓缩后粘附的凝胶层，溶解性无机物形成的水垢层，而特定反应器中膜面附着的污染物随试验条件和试验水质不同而不同。

MBR技术在污水处理中的应用 1膜生物反应器(MembraneBioreactor,简称MBR),是由膜分离和生物处理结合而成的一种新型、高效的污水处理技术。

膜分离技术最早应用于微生物发酵工业,随着膜材料和制膜技术的发展,其应用领域不断扩大,已经涉及到化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工和污水处理等多个领域。

1 MBR技术在国外污水处理中的研究及应用膜分离技术在污水处理中的应用开始于20世纪60年代末#1969年美国的Smith等人首次将活性污泥法与超滤膜组件相结合用于处理城市污水的工艺研究,该工艺大胆地提出了用膜分离技术取代常规活性污泥法中的二沉池,利用膜具有高效截留的物理特性,使生物反应器内维持较高的污泥浓度,在F/M低比值下工作,这样就可以使有机物尽可能地得到氧化降解,提高了反应器的去除效率,这就是MBR的最初雏形。

进入20世纪70年代,有关MBR的研究进一步深入开展#1970年,Hardt等人使用完全混合生物反应器与超滤膜组合工艺处理生活污水,获得了98%的COD去除率和100%去除细菌的结果。

1971年,Bemberis等人在污水处理厂进行了MBR试验,取得了良好的试验结果。

1978年,Bhattacharyya等人将超滤膜用于处理城市污水,获得了非饮用回用水。

1978年,Grethlein利用厌氧消化池与膜分离进行了处理生活污水的研究,BOD和TN的去除率分别为90%和75%。

在这一时期,尽管各国学者对MBR工艺做了大量的研究工作,并获得了一定的研究成果,但是由于当时膜组件的种类很少,制膜工艺也不是十分成熟,膜的寿命通常很短,这就限制了MBR工艺长期稳定的运行,从而也就限制了MBR技术在实际工程中的推广应用。

进入20世纪80年代以后,随着材料科学的发展与制膜水平的提高,推动了膜生物反应器技术的向前发展,MBR工艺也随之得到迅速发展。

日本研究者根据本国国土狭小!地价高的特点对MBR技术进行了大力开发和研究,并在MBR技术的研究和开发上走在了前列,使MBR技术开始走向实际应用。

膜污染的各种因素及EPS对膜污染的影响膜污染是膜应用过程中普遍面临的问题，它主要来源于处理过程中溶液中的溶质沉积在膜表面或者进入膜孔内部，即膜面污染和膜孔污染，这两种形式的膜污染都会造成过膜压力的提高和膜通量的迅速下降。

一直以来，关于膜污染的研究很多，主要集中在对具体形式的膜污染特点进行分析，或者针对某种特定水的膜污染特点进行分析。

例如：2009年清华大学的朱洪涛等人研究的在臭氧消毒的膜法水处理工艺中臭氧的投加量对膜污染的影响，具体内容在下文会介绍到。

2010年西安建筑科技大学的金鹏康等人采用热重分析法(TG)测定污染膜的表面沉积物变化情况，并利用光散射颗粒分析仪( PDA)评价膜过滤过程中膜表面截留液中颗粒物的沉积情况，同时借助扫描电镜(SEM)以检测膜表面和横截面污染物情况来分析超滤膜过滤过程，讨论不同截留分子量超滤膜的膜面污染和膜孔污染的关系。

得出结论：（1）截留分子量越小，膜表面污染物质越多，其截留液的中颗粒物浓度在初始时刻增加显著。

膜截留分子量的增加使得截留液颗粒物浓度逐渐减小，膜面污染较小。

（2）截留分子量较小的膜，在初始时刻的过滤过程中主要是膜面截留的污染物质起主要作用，即首先形成滤饼层，滤饼层可进一步吸附截留水中污染物质，防止污染物质进入膜孔内部。

但是对于截留分子量较大的超滤膜，由于膜孔相对较大，污染物质则相对容易进入膜孔内部，从而迅速造成膜孔内部污染，膜面污染物质则较少。

2010年同济大学的董滨等人研究了不同泥龄下溶解性微生物产物对膜污染的影响。

溶解性微生物产物( soluble microbial product s ,SMP) 是指微生物代谢过程中产生的可溶性有机物，近年来在污水生物处理中备受关注，已被证实是引起膜污染的重要物质。

SMP 的组成极为复杂，既包括疏水性物质(如腐殖酸和黄腐酸，也包括亲水性物质(如碳水化合物和蛋白质)，且其组分的相对分子质量和电荷性质不尽相同。

目前,普遍认为SMP构成了二级生物处理水中溶解性有机碳(DOC)的绝大部分，并具有一些其他特性,如对生化反应的毒性、与金属的鳌合性等。

膜的污染及其控制方法控制方法, 污染简介：反渗透系统在日常的运行中，难免会出现系统的无机物结垢、胶体颗粒物的沉积、微生物的滋生、化学污染以及其它问题，这些因素影响着系统安全稳定的运行。

关键字：反渗透结垢胶体污染SDI 化学污染相关站中站：膜技术产品及应用反渗透系统在日常的运行中，难免会出现系统的无机物结垢、胶体颗粒物的沉积、微生物的滋生、化学污染以及其它问题，这些因素影响着系统安全稳定的运行。

下面主要阐述膜系统在日常中出现的问题及控制方法。

一、无机物的结垢在水中存在Ca2＋、Mg2＋、Ba2＋、Sr2＋、CO32－、SO42－、PO43－、SiO2等离子。

在一般的情况下是不会造成无机物结垢，但是在反渗透系统中，由于源水一般浓缩4倍，并且pH也有较大的提高，因此比较难溶解的物质就会沉积，在膜表面形成硬垢，导致系统压力升高、产水量下降，严重的还会造成膜表面的损伤，使系统脱盐率降低。

衡量水质是否结垢有两种计算方法：控制苦咸水结垢指标对于浓水含盐量TDS≤10,000mg/L的苦咸水，朗格利尔指数(LSIC)作为表示CaCO3结垢可能性的指标：LSIC=pHC-pHS式中：LSIC：反渗透浓水的朗格利尔指数pHC：反渗透浓水pH值pHS：CaCO3溶液饱和时的pH值当LSIC≥0，就会出现CaCO3结垢。

控制海水及亚海水结垢指标及处理方法：当浓水含盐量TDS>10,000mg/L的高盐度苦咸水或海水水源，斯蒂夫和大卫饱和指数(S&DSIC)作为表示CaCO3结垢可能性的指标。

S&DSIC=pHC-pHS式中：S&DSIC：反渗透浓水的斯蒂夫和大卫饱和指数pHC：反渗透浓水pH值pHS：CaCO3溶液饱和时的pH值当S&DSIC≥0，就会出现CaCO3结垢。

其它无机盐结垢预处理的控制方案碳酸钙结垢预处理的控制方案在反渗透系统的结垢中，以碳酸盐垢为主，大多数地表水和地下水中的CaCO3几乎呈饱和状态，由下式表示CaCO3化学平衡：Ca2+ + HCO3– <---> H+ + CaCO3从化学平衡式可以看出，要抑制CaCO3的结垢，有几种途径：降低Ca2+的含量降低了Ca2+含量，可以使化学平衡向左侧移动，不利于形成CaCO3垢。

膜的污染及其控制方法膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象［１］。

实际上，膜的可靠性是目前阻碍膜技术推广应用的关键之一，而污染问题又是影响其可靠性的决定性因素。

据调查，就超滤而言，污染仍是其主要问题，污染的消除将使超滤过程效率提高30%以上，使投资减少15%，而且能提高分离效果，使超滤范围拓宽［２］。

对膜污染种类及其成因的具体分析，将有助于采取合适的措施减弱或消除它的不良影响。

1 沉淀污染以压力为推动力的膜分离技术有反渗透(RO)，纳滤(NF)，超滤(UF)和微滤(MF)。

根据不同膜与水中微粒的相互关系［３］，可知沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。

当原水中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。

普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。

设在溶液中有化学反应：x A y－＋y B x＋＝A x B y当不考虑盐类之间的相互作用时，溶度积K sp＝γx A［A y－］xγy B ［B x＋］y为常数。

其中，γA、γB为自由离子A和B的平均活度系数；［A］，［B］为溶液中的摩尔浓度；x，y为化学配比系数。

平均活度系数可用离子强度［I ］的函数来估测：logγA＝－0.509 Z A I1/2，logγB＝0.509 Z B I1/2；Z A、Z B为自由离子的化合价。

对稀溶液，如大多数天然水体，其活度系数γA、γB近似等于1。

如图1所示，进料液，浓缩液，渗透液浓度分别为C f，C r，C p。

图1 膜系统中不同位置的溶质浓度由阻截率知：R＝1－C p/C f(1)设系统回收率为r，由物料平衡，知：C f－(1－r)C r＝rC p(2)由式(1)，(2)可得：C r＝C f［1－r(1－R)］/(1－r)(3)由(3)式可以看出，浓缩液中截留盐浓度C r，随进水浓度C f，回收率r和截留率R的增加而增加。

膜生物反应器膜污染机理及控制措施分析宋万召1，杨云军2(1．扬州环境资源职业技术学院，江苏225127;2．山东博洋环境资源有限公司，山东276700)摘要：膜生物反应器作为城市污水处理的一项重要技术，研究其膜污染的机理和控制措施对水处理技术的发展有重要意义。

文章概述了膜污染的4种经典模型，并从膜的性质、活性污泥混合液和膜组件的运行条件等方面分析了膜污染的影响因素，最后对膜污染的防治和治理给出了对策。

关键词：膜生物反应器;膜污染;对策中图分类号：X703．1文献标识码：A文章编号：1007－0370（2012）05－0177－03The analysis of mechanism and control measure of membrane pollution for MBRSong Wanzhao1，Yang Yunjun2（1．Yangzhou Vocational College of Environmental and Resources，Jiangsu225127；2．Shandong Boyone Environmental Resources Co．Ltd，Shandong276700）Abstract：Membrane Bioreactor is an important technology for the treatment of municipal sewage．It studies the mechanism and control measure of membrane pollution，which has the important meaning for the wastewater treatment．It concludes that there are four classical mod-els in the membrane pollution，and analyses the impact factor from the membrane property，activated sludge mixture and membrane module．In the end，it gives some suggestion for the control measure of membrane pollution．Keywords：Membrane biological reactor；Membrane pollution；Measure1引言自从上世纪六十年代起，膜生物反应器研究成果开始应用于污水处理领域，美国科学家Smith1969首先报道了超滤活性污泥处理城市污水工艺设计的结合。

膜系统常见污染问题及控制膜系统常见的污染问题主要包括背渗、膜污染、浓缩回收导致溶质结晶、沉淀等。

针对这些问题，可以采取一系列控制措施来保证膜系统的正常运行。

首先，背渗问题是指膜系统运行过程中，溶质从高浓度侧通过膜散失到低浓度侧。

这种背渗现象主要是由于膜的不完全选择性导致的，解决背渗问题的方法包括加强膜的选择性、调整膜系统操作参数等。

其次，膜污染是指膜表面或孔道被吸附、吸附和结垢等导致的膜通量下降。

膜污染的常见原因包括微生物污染、有机胶体物质和胶体颗粒污染等。

为了解决膜污染问题，可以采用物理清洗、化学清洗、生物清洗等方法进行膜的恢复。

此外，由于膜系统在水处理过程中会导致浓缩回收，浓缩溶液中的溶质可能会发生结晶、沉淀现象，这也是常见的污染问题之一。

对于溶质结晶问题，可以通过调节膜系统操作参数来降低浓缩倍数，减少结晶的发生。

对于膜系统的控制，需要从设计、操作和管理等多个方面来考虑。

在设计方面，需要选择合适的膜材料和膜结构，以满足不同处理工艺要求，并考虑膜系统的抗污染能力。

在操作方面，需要根据处理水质的特点和要求来调整膜系统的操作参数，如进水流量、进水压力、回收比、清洗周期等，以保证膜系统的正常运行，并及时监测膜系统的运行状态，发现问题及时处理。

在管理方面，需要建立完善的膜系统运行管理体系，包括膜设备的维护保养、定期清洗和更换膜元件等；培训操作人员，提高其对膜系统运行的理解和能力；建立监测系统，通过监测膜通量、压差、水质等参数，及时发现问题并采取措施解决。

此外，为了提高膜系统的抗污染能力，还可以采取预处理手段，如混凝、沉淀、过滤等，来去除水中的悬浮物、胶体物质和有机物等；采用化学预处理手段，如酸碱调节、消毒、添加阻垢剂等，以减少膜的污染和结垢。

综上所述，膜系统常见的污染问题包括背渗、膜污染和溶质结晶等，可以通过加强膜的选择性、调整操作参数、物理、化学和生物清洗等方法来解决。

在设计、操作和管理方面采取相应措施，预处理手段也可以提高膜系统的抗污染能力。

污水处理中的膜污染控制在当今的污水处理领域，膜技术因其高效的分离性能而得到了广泛的应用。

然而，膜污染问题却始终是制约膜技术进一步发展和广泛应用的关键因素。

膜污染不仅会降低膜的过滤性能，增加运行成本，还会缩短膜的使用寿命。

因此，深入研究膜污染的控制策略具有重要的现实意义。

膜污染是指在膜过滤过程中，污水中的污染物在膜表面或膜孔内的积累和沉积，从而导致膜通量下降、跨膜压差升高以及过滤效率降低等现象。

膜污染的形成机制非常复杂，涉及到物理、化学和生物等多个方面。

从物理角度来看，膜表面的粗糙度和孔隙结构是影响膜污染的重要因素。

粗糙的膜表面容易吸附污染物，而较小的膜孔隙则容易被污染物堵塞。

此外，污水中的悬浮颗粒和胶体物质也会在膜表面形成滤饼层，增加过滤阻力。

化学污染主要是由于污水中的有机物、无机物与膜材料之间发生化学反应，导致膜表面性质的改变。

例如，有机物在膜表面的吸附和沉积可能会引起膜的亲水性下降，从而增加膜与污染物之间的相互作用。

无机物如钙、镁等离子可能会形成水垢，堵塞膜孔。

生物污染则是由微生物在膜表面的生长和繁殖引起的。

微生物会分泌胞外聚合物（EPS），形成生物膜，进一步加重膜污染。

为了有效控制膜污染，需要采取一系列的措施。

首先，优化膜的预处理工艺是至关重要的。

在膜过滤之前，对污水进行适当的预处理，如格栅过滤、沉淀、混凝沉淀等，可以去除污水中的大部分悬浮颗粒、胶体物质和有机物，减轻膜的污染负荷。

其次，选择合适的膜材料和膜组件也能在一定程度上控制膜污染。

具有良好亲水性和抗污染性能的膜材料能够减少污染物在膜表面的吸附和沉积。

同时，合理设计膜组件的结构，如增加膜的装填密度、优化流道设计等，可以提高膜的冲刷效果，减少污染物的积累。

膜的清洗也是控制膜污染的重要手段。

根据膜污染的类型和程度，选择合适的清洗方法，如物理清洗（反冲洗、气水冲洗等）、化学清洗（酸洗、碱洗、氧化剂清洗等）和生物清洗。

定期的清洗可以有效地恢复膜的性能，但需要注意的是，过度清洗可能会对膜造成损伤，缩短膜的使用寿命。