DMBR運(yùn)行過程及膜污染影響因素研究進(jìn)展

田文瑞，胡以松，王曉昌（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安710055）

專論與綜述

DMBR運(yùn)行過程及膜污染影響因素研究進(jìn)展

田文瑞，胡以松，王曉昌
（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安710055）

動態(tài)膜生物反應(yīng)器（DMBR）是一種具有廣泛應(yīng)用前景的污水處理新技術(shù)，與傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器（MBR）相比，處理效果相當(dāng)且膜通量更高、膜污染更容易控制。簡要分析了自生動態(tài)膜及預(yù)涂動態(tài)膜的形成過程和再生過程，并從膜材料、活性污泥的性質(zhì)以及運(yùn)行條件等方面綜述了膜污染影響因素的研究進(jìn)展，指出DMBR研究應(yīng)用中存在的問題及發(fā)展方向。

動態(tài)膜生物反應(yīng)器；膜污染；跨膜壓差；活性污泥

膜生物反應(yīng)器（因固液分離效果優(yōu)異已成功應(yīng)用于水處理領(lǐng)域，但膜成本高、運(yùn)行能耗高和膜污染是其發(fā)展的瓶頸所在，目前的研究表明動態(tài)膜生物反應(yīng)器（DMBR）是解決該問題的重要研究方向之一〔1〕。DMBR工藝?yán)昧畠r(jià)粗孔微網(wǎng)材料作為膜組件的支撐材料，替代MBR工藝中的微濾/超濾膜，通過預(yù)涂劑或活性污泥在支撐材料表面形成穩(wěn)定的動態(tài)膜，從而達(dá)到高效的膜過濾和截留作用，常用的動態(tài)膜支撐材料包括無紡布、尼龍網(wǎng)、鋼絲網(wǎng)和陶瓷管等。DMBR具有膜組件造價(jià)低、形成過程迅速、出水水質(zhì)好、能耗低和通量高等優(yōu)點(diǎn)?；谀し蛛x原理，膜污染也是DMBR工藝研究廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題，因此分析總結(jié)DMBR的運(yùn)行過程和膜污染問題，對于工藝的優(yōu)化和運(yùn)行控制具有重要意義。

1　動態(tài)膜的形成過程

動態(tài)膜的形成過程是粗孔支撐材料表面不斷截留過濾介質(zhì)使得有效過濾層逐漸附著成熟的過程。根據(jù)涂膜材料的不同，DMBR可分為自生動態(tài)膜和預(yù)涂動態(tài)膜兩種，兩者在形成過程上存在一定差別。

1.1自生動態(tài)膜的形成過程

自生動態(tài)膜技術(shù)主要用于生活廢水及工業(yè)廢水的處理，它的形成是污泥混合液與支撐材料相互作用的結(jié)果，包含了支撐材料表面復(fù)雜的物化及生化作用。目前研究者基于形成過程中動態(tài)膜的結(jié)構(gòu)、過濾阻力及出水濁度的變化，將自生動態(tài)膜的形成過程劃分為動態(tài)膜成膜階段和動態(tài)膜穩(wěn)定運(yùn)行階段，其過程分析如表1所示。

表1　自生動態(tài)膜的形成過程分析

動態(tài)膜的成膜階段時間較短，通常＜2 h，一般根據(jù)出水濁度（＜5 NTU）、SS（檢測不出）及穩(wěn)定通量等判斷動態(tài)膜的形成〔2-6〕。動態(tài)膜穩(wěn)定運(yùn)行階段一般時間較長，與反應(yīng)器設(shè)計(jì)與運(yùn)行條件密切相關(guān)，運(yùn)行結(jié)束時表現(xiàn)為通量嚴(yán)重衰減、阻力急劇增大、出水濁度增大等。如熊江磊等〔7〕將自生動態(tài)膜生物反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行22 d后，膜孔徑降到1 μm以下，過濾阻力突增至1010m-1，通量急劇降低。目前研究者通常將通量衰減到初始通量的10%作為動態(tài)膜穩(wěn)定運(yùn)行階段結(jié)束的標(biāo)志，意味著一個運(yùn)行周期的結(jié)束。

1.2預(yù)涂動態(tài)膜的形成過程

預(yù)涂動態(tài)膜的形成是指應(yīng)用支撐材料對預(yù)涂劑（懸浮液或膠體溶液）進(jìn)行過濾，在支撐材料的表面形成一層均勻完整的預(yù)涂層，從而實(shí)現(xiàn)過濾效果。預(yù)涂動態(tài)膜的形成過程比自生動態(tài)膜復(fù)雜，需要專門配制預(yù)涂劑對支撐材料進(jìn)行預(yù)涂，直到穩(wěn)定的預(yù)涂層形成，而后進(jìn)行介質(zhì)的過濾，隨著過濾性能的下降，需要進(jìn)行污染層的清洗，并進(jìn)入下個預(yù)涂周期。預(yù)涂動態(tài)膜的形成過程分析如表2所示。

表2　預(yù)涂動態(tài)膜的形成過程分析

該技術(shù)常用于生活污水、工業(yè)污水及微污染地表水的處理，預(yù)涂層形成時間短（一般＜30 min），常用的預(yù)涂劑包括高嶺土、硅藻土、粉末活性炭及聚合氯化鋁等〔8-12〕。Huaqiang Chu等〔9〕以硅藻土作為預(yù)涂劑、74 μm不銹鋼網(wǎng)作膜支撐材料開展了預(yù)涂動態(tài)膜反應(yīng)器處理生活污水的研究，預(yù)涂階段采用抽吸泵將生物硅藻土混合液在反應(yīng)器中循環(huán)，直到穩(wěn)定的動態(tài)膜附著在不銹鋼網(wǎng)表面，所需時間＜30 min，而過濾階段在22L/（m2·h）的通量下運(yùn)行時間可達(dá)50h。

2　動態(tài)膜的再生過程

DMBR運(yùn)行一定時間后，隨著動態(tài)膜的老化與堵塞，膜孔徑顯著降低，膜污染加劇，動態(tài)膜的過濾性能明顯降低，需進(jìn)行再生以恢復(fù)過濾性能。

2.1自生動態(tài)膜的再生過程

自生動態(tài)膜的再生過程相對簡單，主要以物理清洗為主，如膜組件底部曝氣、逆出水方向曝氣和出水反沖洗等，通量恢復(fù)效果好。

對于小試DMBR，為了維持66 L/（m2·h）的膜通量，采用逆出水水頭方向曝氣的方式進(jìn)行動態(tài)膜的再生，反沖洗時間為5 min，曝氣強(qiáng)度為3.2 m3/（m2·h），系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行60 d，再生周期保持在50 h以上〔13〕。對于50 m3/d的DMBR中試裝置，采用每運(yùn)行8 h氣體反沖洗30～45 min的操作模式進(jìn)行動態(tài)膜的再生，每個反沖洗周期開始出水水質(zhì)渾濁，反沖洗5～10 min以后出水水質(zhì)恢復(fù)，運(yùn)行一個月左右通量始終保持在22 L/（m2·h）以上〔14〕。由此可見目前主要是針對小試或中試DMBR進(jìn)行短期的實(shí)驗(yàn)研究，采用曝氣反沖洗均能起到較好的膜通量恢復(fù)效果，并且操作簡便，長期運(yùn)行過程中持續(xù)物理清洗可能引起的不可恢復(fù)膜污染積累還有待研究。

2.2預(yù)涂動態(tài)膜的再生過程

對于預(yù)涂動態(tài)膜的再生過程，物理清洗和化學(xué)清洗均有應(yīng)用，通常錯流過濾方式導(dǎo)致預(yù)涂動態(tài)膜的污染相對嚴(yán)重，往往通過化學(xué)清洗才能獲得較好的通量恢復(fù)。對于以陶瓷管為基膜的高嶺土動態(tài)膜，采用自來水直接反沖洗，前3次涂膜-過濾-反沖洗循環(huán)操作中，經(jīng)反沖洗后膜性能可恢復(fù)約80%；第4～5次循環(huán)操作中，反沖洗后膜性能可恢復(fù)50%～60%；第6次循環(huán)操作中，反沖洗后再用濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液和0.1 mol/L的HCl溶液先后清洗30 min，膜性能可恢復(fù)90%以上〔15〕。同時發(fā)現(xiàn)，涂膜過濾化學(xué)清洗后的陶瓷膜管通量可恢復(fù)在90%左右，而未涂膜的膜管只能恢復(fù)到原來的60%左右〔16〕。楊濤等〔17〕以基膜純水通量衰減率＞80%為基準(zhǔn)對基膜進(jìn)行清洗，先后用0.1 mol/L的氫氧化鈉和鹽酸溶液分別對基膜反沖洗15 min，再把基膜放入超聲清洗器中清洗5 min，可使基膜純水通量恢復(fù)到98%以上。

3　DMBR膜污染影響因素

動態(tài)膜污染是指顆粒、膠體、大分子和無機(jī)物等在膜孔內(nèi)或膜表面沉積導(dǎo)致膜過濾性能下降的現(xiàn)象。動態(tài)膜的污染主要分為兩類：一種是凝膠層的污染，主要由溶解性微生物產(chǎn)物和胞外聚合物（EPS）構(gòu)成，這種污染很難去除，為不可逆污染；另一種是污泥層的污染，由于粗網(wǎng)材料的截留作用，在粗網(wǎng)表面會形成由活性污泥絮體構(gòu)成的生物質(zhì)層，隨著過濾的進(jìn)行，污泥層會逐漸增厚和壓縮〔18〕。DMBR工藝中膜污染的影響因素眾多，下面主要分析膜材料、活性污泥性質(zhì)及運(yùn)行條件等對動態(tài)膜膜污染的影響。

3.1膜材料

DMBR中依然存在著膜污染問題，從膜材料方面考慮膜污染的控制，主要是基于膜基材的優(yōu)化選擇，包括膜孔徑、膜材質(zhì)、親疏水性等。

通過比較4種動態(tài)膜膜基材（聚酯無紡布、聚丙烯無紡布、聚酯篩網(wǎng)、聚酰胺篩網(wǎng)），發(fā)現(xiàn)易受污染的程度依次為聚酰胺篩網(wǎng)、聚酯篩網(wǎng)、聚丙烯無紡布、聚酯無紡布，無紡膜材料的總阻力要略小于篩網(wǎng)〔19〕。以無紡布、丙綸、滌綸、錦綸和不銹鋼絲網(wǎng)作為DMBR的膜基材時發(fā)現(xiàn)，初始膜通量與基材的孔徑有關(guān)，孔徑接近的基材初始膜通量相近，孔徑越大初始膜通量越大，相同運(yùn)行條件下，無紡布、錦綸和不銹鋼的穩(wěn)定通量高于滌綸和丙綸〔20〕。同種材質(zhì)的濾布孔徑越大，運(yùn)行周期越長，長纖濾布的污染速度比短纖快，濾布孔徑越大，越有利于通量的恢復(fù)〔21〕。在選擇膜基材時，要在達(dá)到預(yù)定處理效果的前提下，綜合選擇穩(wěn)定通量高、親水性好、通量恢復(fù)性好、強(qiáng)度高、膜清洗過程中不易破損的材料。

3.2活性污泥的性質(zhì)

膜污染物質(zhì)包括污泥絮體、EPS、其他有機(jī)物與無機(jī)物?；钚晕勰嗟男再|(zhì)包括污泥濃度（MLSS）、粒徑分布（PSD）、表面電荷、疏水性（RH）、黏度、沉降性能和脫水性能等，都會造成不同程度的膜污染。研究認(rèn)為MLSS、PSD和EPS是導(dǎo)致膜污染的主要因素，其他污泥性質(zhì)都與EPS有一定相關(guān)性〔22〕。

MBR工藝中MLSS存在一個臨界值（10～17g/L），低于臨界值時污泥黏度基本恒定，高于臨界值時黏度隨 MLSS增加，對膜污染的影響相應(yīng)增大〔23〕，而MLSS對DMBR膜污染的影響研究較少，可能由于通常試驗(yàn)條件下MLSS均較低，對膜污染的影響不顯著。韓雪利等〔24〕研究表明，污泥EPS濃度與動態(tài)膜污染傾向之間有顯著相關(guān)性，結(jié)果表明，污泥EPS濃度的增加會加速膜污染。此外發(fā)現(xiàn)隨著污泥粒徑從172 μm降至46μm，過濾阻力增大6倍，說明污泥顆粒粒徑越小，過濾阻力越大，更容易形成膜污染。黃天寅等〔25〕比較研究了不同容積負(fù)荷下DMBR膜污染情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高負(fù)荷下DMBR的黏度最高，污泥混合液中含有大量EPS，很容易使污泥絮體黏附沉積在膜表面，加劇膜污染。由此可見EPS中某些物質(zhì)可生化降解性差，容易在DMBR中積累，影響污泥黏度、表面電荷及沉降性能等，同時減小混合液的錯流速率，都對膜污染控制不利。對DMBR中污泥顆粒粒徑分布（PSD）的研究表明膜表面污染物質(zhì)的顆粒粒徑小于污泥混合液，并且膜污染層的外層和內(nèi)層顆粒尺寸有明顯的差別，外層污染物質(zhì)的PSD與污泥混合液相當(dāng)，而內(nèi)層膜污染物質(zhì)包含許多小顆粒，與大顆粒相比，小顆粒更容易在膜表面附著〔26〕。

因此，采取調(diào)控運(yùn)行參數(shù)（HRT、SRT和曝氣量等）及改善活性污泥性質(zhì)（投加混凝劑等），達(dá)到控制適合的MLSS、低EPS濃度和高PSD，能夠有效提升膜通量和控制膜污染。

3.3運(yùn)行條件

DMBR工藝中的運(yùn)行條件，如膜沖刷曝氣量、污泥停留時間（SRT）及出水水頭（或TMP）對膜污染有重要影響。研究發(fā)現(xiàn)加大曝氣強(qiáng)度，增大錯流速度，污染物不易在膜表面累積，且水力沖刷沖掉一部分膜表面富集的污泥，濾餅層厚度變薄，能有效減緩膜污染；但曝氣強(qiáng)度太大會破壞已形成的動態(tài)膜，使出水水質(zhì)變差，且增加動力消耗，提高運(yùn)行成本〔27〕，因此存在合適的曝氣量，過小和過大都對整個工藝運(yùn)行不利。M.E.Ersahin等〔28〕研究厭氧DMBR時發(fā)現(xiàn)，在保持恒定通量為2.6 L/（m2·h）的情況下，SRT為40 d的過濾阻力比SRT為20 d的高，加劇膜污染的發(fā)生，分析認(rèn)為高SRT時污泥所含EPS低、平均粒徑小、污泥分散且絮凝性能差可能是導(dǎo)致膜污染的內(nèi)在原因。比較好氧DMBR中SRT對膜污染的影響時發(fā)現(xiàn)，高SRT（75 d）的膜污染更嚴(yán)重，出水水質(zhì)變差，反應(yīng)器中后生動物數(shù)量多、EPS含量高、絲狀菌豐度一般但以特定的絲狀菌（Type 021N）為主，可能與污泥老化有關(guān)〔29〕。DMBR的顯著優(yōu)點(diǎn)是采用水頭差重量出水，研究者比較了出水水頭對以75 μm不銹鋼為膜基材的DMBR的影響，發(fā)現(xiàn)存在最佳水頭差〔30〕。分析認(rèn)為，增大水頭會增加出水動力，從而增加出水通量；從另一方面看，出水通量的增加會使動態(tài)膜的截留量增加，動態(tài)膜有增厚的趨勢，并使動態(tài)膜被壓縮、密度增加，從而增加出水阻力，導(dǎo)致出水通量迅速衰減。

4　結(jié)論

目前研究者對DMBR處理污水及微污染水進(jìn)行了廣泛研究，主要關(guān)注了SS、濁度、有機(jī)物及營養(yǎng)物物質(zhì)的去除效果，對膜污染控制開展了一定研究，且大多數(shù)都屬于小試及中試規(guī)模，這對DMBR的后續(xù)發(fā)展有一定制約。未來的可能研究方向包括：深入開展動態(tài)膜的形成過程及機(jī)理分析，開發(fā)原位高效快捷的動態(tài)膜再生技術(shù)；優(yōu)化膜組件設(shè)計(jì)、改善活性污泥的性質(zhì)以及操作條件等，實(shí)現(xiàn)DMBR的穩(wěn)定運(yùn)行和高效膜污染控制；強(qiáng)化DMBR與其他脫氮除磷工藝（A2/O、氧化溝、SBR）的結(jié)合，進(jìn)一步提高處理效果和使用范圍。

［1］李龍，湛含輝.動態(tài)膜技術(shù)及其在污水處理中的研究進(jìn)展［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2012，32（3）：112-116.

［2］肖曉強(qiáng)，尤朝陽，張丹，等.動態(tài)膜成膜過程及對污水處理效果的研究［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2013，33（5）：68-72.

［3］張建，邱憲鋒，高寶玉，等.動態(tài)膜生物反應(yīng)器-混凝工藝處理草漿中段廢水［J］.中國造紙，2007，26（6）：8-11.

［4］張建，邱憲鋒，高寶玉，等.動態(tài)膜生物反應(yīng)器中動態(tài)膜的作用和結(jié)構(gòu)研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2007，28（1）：147-151.

［5］黃天寅，姚嘉，俞漢青，等.動態(tài)膜生物反應(yīng)器膜污染過程及阻力分析［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，33（5）：596-600.

［6］Xiong Jianglei，F(xiàn)u Dafang，Singh R P.Self-adaptive dynamic membrane module with a high flux and stable operation for the municipal wastewater treatment［J］.Journal of Membrane Science，2014，471（1）：308-318.

［7］熊江磊，傅大放，段文松，等.自生動態(tài)生物膜形成過程中的結(jié)構(gòu)變化特征［J］.中國給水排水，2011，27（9）：33-36.

［8］程毅，尹大強(qiáng)，龐維海，等.硅藻土預(yù)涂動態(tài)膜處理北江原水的中試研究［J］.中國給水排水，2012，28（17）：9-16.

［9］Chu Huaqiang，Cao Dawen，Jin Wei，et al.Characteristics of bio-diatomite dynamic membrane process for municipal wastewater treatment［J］.Journal of Membrane Science，2008，325（1）：271-276.

［10］李方，陳季華，奚旦立，等.錯流式動態(tài)膜—生物反應(yīng)器中污泥活性的研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，7（7）：47-52.

［11］仉春華，安曉雯，樸美玲.預(yù)涂動態(tài)膜—生物反應(yīng)器處理人工廢水的試驗(yàn)研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，10（1）：48-51.

［12］張捍民，喬森，葉茂盛，等.預(yù)涂動態(tài)膜—生物反應(yīng)器處理生活污水試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（2）：249-253.

［13］邱憲鋒，張建，高寶玉，等.內(nèi)循環(huán)動態(tài)膜生物反應(yīng)器處理生活污水［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2007，27（2）：165-168.

［14］楊小麗，洪凱，張雷，等.活性炭海綿動態(tài)膜生物反應(yīng)器用于污水處理提標(biāo)改造中試研究［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2014，36（2）：89-93.

［15］李俊，李方，卓琳云，等.動態(tài)膜處理污水性能的研究［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（4）：323-326.

［16］李方.預(yù)涂動態(tài)膜在錯流過濾系統(tǒng)中的機(jī)理研究及其在膜生物反應(yīng)器中應(yīng)用［D］.南京：東華大學(xué)，2005.

［17］楊濤，馬正飛，楊期勇，等.預(yù)涂動態(tài)膜處理乳化油廢水及膜的清洗研究［J］.工業(yè)水處理，2010，30（8）：65-68.

［18］薛念濤，黃霞，夏俊林.自生動態(tài)膜生物反應(yīng)器處理城市污水的中試研究［J］.中國給水排水，2008，24（15）：20-23.

［19］傅大放，林玉姣.幾種不同基材動態(tài)膜生物反應(yīng)器污泥層性質(zhì)分析［J］.化工學(xué)報(bào)，2008，59（10）：2596-2600.

［20］尤朝陽，張丹，肖曉強(qiáng)，等.膜基材對動態(tài)膜生物反應(yīng)器處理效果影響研究［J］.工業(yè)水處理，2013，33（3）：57-60.

［21］洪俊明，尹娟，盧芳芳.膜基材對動態(tài)膜生物反應(yīng)器性能的影響研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011，5（2）：311-314.

［22］Meng Fangang，Zhang Hanmin，Yang Fenglin，et al.Identification of activated sludge properties affecting membrane fouling in submerged membrane bioreactors［J］.Separation and Purification Technology，2006，51（1）：95-103.

［23］Le-Clech P，Chen V，F(xiàn)ane A G.Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment［J］.Journal of Membrane Science，2006，284（1/2）：17-53.

［24］韓雪利.污泥性質(zhì)對自生動態(tài)膜形成與污染的影響研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2011.

［25］黃天寅，姚嘉，俞漢青，等.動態(tài)膜生物反應(yīng)器膜污染過程及阻力分析［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，33（5）：596-600.

［26］Zhang Xinying，Wang Zhiwei，Wu Zhichao，et al.Membrane fouling in an anaerobic dynamic membrane bioreactor（AnDMBR）for municipal wastewater treatment：characteristics of membrane foulants andbulksludge［J］.ProcessBiochemistry，2011，46（8）：1538-1544.

［27］李偉.復(fù)合式預(yù)涂動態(tài)膜生物反應(yīng)器處理生活污水研究［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2011.

［28］Ersahin M E，Ozgun H，Tao Yu，et al.Applicability of dynamic membrane technology in anaerobic membrane bioreactors［J］.Water Research，2014，48：420-429.

［29］Alavi Moghaddam M R，Guan Y，Satoh H，et al.Performance and microbial dynamics in the coarse pore filtration activated sludge process at different SRTs（solids retention times）［J］.Water Science &Technology，2003，47（12）：73-80.

［30］董濱，傅鋼，余柯，等.水頭差對動態(tài)膜組件出水通量及濁度的影響［J］.凈水技術(shù)，2006，25（5）：9-11.

Research progress in DMBR operation process and the factors affecting membrane fouling

Tian Wenrui，Hu Yisong，Wang Xiaochang
（School of Environmental and Municipal Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

Dynamic membrane bioreactor（DMBR）is regarded as a kind of the most promising and widely used wastewater treatment technology.Compared with traditional membrane bioreactor（MBR），DMBR has similar treatment effect，possessing higher membrane flux，and its membrane fouling can be controlled more easily.The courses of formation and regeneration of both self-forming dynamic membrane and precoated dynamic membrane are analyzed briefly.Furthermore，the research progress in the influential factors，such as membrane materials，activated sludge properties，operating conditions，etc.，on membrane fouling are summarized.The existing problems and future prospects in the research and application of DMBR process are pointed out.

dynamicmembranebioreactor；membranefouling；trans-membranepressuredifference；activatedsludge

X703

A

1005-829X（2016）04-0001-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51508450）；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2015M582760XB）；水體污染與治理科技重大專項(xiàng)（2013ZX07310）；陜西省污水處理與資源化重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2013KCT-13）

田文瑞（1990—），碩士。E-mail：18133916286@163. com。通訊聯(lián)系人：胡以松，博士。E-mail：jeffsion414@163. com。

2016-03-02（修改稿）