中空纖維膜用于污水深度處理時(shí)膜污染成因及控制

王昊文

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

中空纖維膜用于污水深度處理時(shí)膜污染成因及控制

王昊文

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

對(duì)采用MBR系統(tǒng)進(jìn)行污水深度處理時(shí)發(fā)生膜污染的機(jī)理、成因及影響進(jìn)行了資料查閱，研究表明污水中的微粒、微生物、膠體顆粒以及溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理、化學(xué)或機(jī)械作用而引起在膜表面或膜孔內(nèi)吸附和沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜的分離特性產(chǎn)生變化，最終造成膜污染。分析影響膜污染的因素后，從膜的材質(zhì)、膜組件形式、污泥混合液特性、運(yùn)行條件幾個(gè)方面出發(fā)，通過(guò)合理選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)、完善特性等手段來(lái)降低運(yùn)行中的膜污染速率。

中空纖維膜； 污水深度處理； 膜污染成因及控制

近年來(lái)，中國(guó)的水環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，究其原因，除經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展而產(chǎn)生的大量排污外，過(guò)時(shí)的排放標(biāo)準(zhǔn)也無(wú)法起到其編制初期擬達(dá)到的污染防控目的。大量已建成的污水處理廠(chǎng)均按照《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中各類(lèi)污染物的最高允許排放濃度限制將大量污染物排放至地表水體。該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)間距今已有20年，其指標(biāo)早已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前環(huán)保要求，為此各地政府及環(huán)保部門(mén)紛紛調(diào)研并編制污水排放地方標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制排放的污染物總量，而已建成污水處理廠(chǎng)也紛紛開(kāi)始提標(biāo)改造，對(duì)出水進(jìn)行深度處理，以滿(mǎn)足地方標(biāo)準(zhǔn)要求，減輕對(duì)地表水的進(jìn)一步污染。

膜生物反應(yīng)器（Membrane Biological Reactor，簡(jiǎn)稱(chēng)MBR）是活性污泥法和膜分離技術(shù)的結(jié)合，其利用膜組件代替了傳統(tǒng)沉淀池，大大提高了反應(yīng)器中的污泥濃度，具有有機(jī)負(fù)荷高、耐沖擊負(fù)荷好、固液分離效果高效穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因其設(shè)備緊湊，占地小，現(xiàn)已逐步應(yīng)用于市政、工業(yè)污水的深度處理改造中，尤其對(duì)于運(yùn)行多年且用地緊張的老廠(chǎng)，其優(yōu)勢(shì)十分明顯。

膜生物反應(yīng)器中的關(guān)鍵設(shè)備為膜組件，組件中的膜根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式分為中空纖維膜與平板膜，兩種膜具有不同的特點(diǎn)，適用范圍也有所區(qū)別。平板膜具有水力學(xué)條件易于控制、通量高、抗污染能力強(qiáng)和清洗更換方便等特點(diǎn)，能夠在更高的污泥濃度條件下穩(wěn)定運(yùn)行，但價(jià)格較高；中空纖維膜則具有裝填密度大、比表面積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，以往存在的膜絲斷裂問(wèn)題也隨著近年來(lái)材料科學(xué)的發(fā)展而解決，穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)的材料制造出的中空纖維膜性能更佳，使用壽命也更長(zhǎng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)運(yùn)行的MBR裝置中，平板膜生物反應(yīng)器占到了68 %。然而在中國(guó)，各行業(yè)尚處于發(fā)展中階段，企業(yè)不可避免地從控制總投資的角度出發(fā)考慮設(shè)備選型，因此價(jià)格較低的中空纖維膜在工程中的應(yīng)用程度高于平板膜。

膜污染最明顯的特征即為通量的降低，運(yùn)行過(guò)程中微粒的吸附堵塞、溶質(zhì)在膜表面達(dá)到或超過(guò)飽和溶解度時(shí)形成的凝膠層，均會(huì)降低水在膜中的透過(guò)量，嚴(yán)重時(shí)實(shí)際得水量?jī)H為設(shè)計(jì)值的一半，這將極大地影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，設(shè)計(jì)要求的無(wú)法滿(mǎn)足造成投資的浪費(fèi)，更嚴(yán)重的后果是導(dǎo)致上游生產(chǎn)受到限制，因此控制膜污染十分必要。

筆者有幸參與了某污水深度處理項(xiàng)目（采用“A/O + MBR組合工藝”），其膜組件采用中空纖維膜，通過(guò)前期調(diào)研、查閱文獻(xiàn)、技術(shù)交流以及運(yùn)行結(jié)果跟蹤，筆者總結(jié)了使用MBR工藝對(duì)污水進(jìn)行深度處理時(shí)膜被污染的機(jī)理、成因及影響，進(jìn)而提出控制方法。

1　適用于MBR深度處理工藝的污水特征

通常需進(jìn)行深度處理的污水為污染程度較低但仍未滿(mǎn)足最新排放標(biāo)準(zhǔn)的污水，其COD濃度一般小于180 mg/L。此類(lèi)污水一部分來(lái)自生產(chǎn)中直接排放的低濃度污水，另一部分則來(lái)自于污水處理裝置的生化出水。對(duì)兩類(lèi)污水中的污染物組成進(jìn)行分析，生產(chǎn)中直接排放的低濃度污水中小分子、大分子有機(jī)物均存在，其可生化性較好；而經(jīng)過(guò)污水處理廠(chǎng)生化降解后的污水，其COD濃度更低，但其中的可直接生物降解有機(jī)物幾乎為零，大部分為長(zhǎng)鏈高分子或環(huán)類(lèi)有機(jī)物。雖然MBR工藝因其優(yōu)良的截流能力強(qiáng)化了對(duì)部分難降解有機(jī)物的生化處理效果，但針對(duì)那些分子量高達(dá)幾十萬(wàn)的有機(jī)物，停留時(shí)間再長(zhǎng)，微生物降解作用也有限，出于工藝選擇合理性和出水達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性考慮，適用于MBR工藝進(jìn)行深度處理的污水進(jìn)水BOD5/CODcr值不宜低于0.2。鑒于膜處理工藝對(duì)油類(lèi)及毛發(fā)纖維的敏感性，污水中石油類(lèi)不得高于10 mg/L，且需經(jīng)過(guò)預(yù)處理去除其中的毛發(fā)或纖維物質(zhì)。

表1　適用于MBR深度處理工藝的污水主要特性Tab.1 Main characteristics of waste water for mbr advanced treatment process

2　膜污染成因

MBR膜污染是指污水中的微粒、膠體以及溶質(zhì)大分子與膜存在物理、化學(xué)或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜的分離特性即膜通量產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。造成膜污染的介質(zhì)是膜池中的污泥混合液，其組分除水以外，主要為微生物菌群及其代謝產(chǎn)物、污水中的大小有機(jī)分子、溶解性物質(zhì)和固體顆粒等。楊龍?jiān)趯?duì)膜污染成因進(jìn)行研究后認(rèn)為通常在膜過(guò)濾過(guò)程中分初期污染、累計(jì)污染和急速污染三個(gè)階段［3］，筆者在其基礎(chǔ)上對(duì)參與項(xiàng)目使用的膜組件進(jìn)行觀察并進(jìn)一步分析其污染過(guò)程。

2.1初期污染

在處理初始階段，膜表面與低濃度污泥中的聚合物、溶解性有機(jī)物之間存在電荷吸附作用，在膜過(guò)濾尚未開(kāi)始時(shí)，上述物質(zhì)已被吸附在膜表面，一旦過(guò)濾開(kāi)始，較大分子在曝氣摩擦產(chǎn)生的擾動(dòng)力作用下脫離膜表面，留下較小的絮體或聚合物。雖擾動(dòng)作用持續(xù)進(jìn)行，但微生物始終附著在膜表面，并對(duì)下階段污染產(chǎn)生影響。而小于膜孔徑的顆粒物質(zhì)則通過(guò)黏附、沉淀、濃縮等作用堆積于膜孔中，從而產(chǎn)生不同程度的堵塞，造成膜污染。

2.2累計(jì)污染

初期污染后，連續(xù)運(yùn)行將在膜面形成沉積污染層，簡(jiǎn)稱(chēng)沉積層。沉積層分為三層：最外層透過(guò)阻力最小，呈多孔結(jié)構(gòu)，致密性差，透水能力強(qiáng)；中間層較外層膜阻力有所升高，空隙率降低，呈凝膠態(tài)；底污染層緊密覆蓋于膜面，結(jié)構(gòu)密實(shí)，空隙率低，透水能力最小。膜過(guò)濾阻力的增加主要由于該層的積累而造成。

陳宏宇認(rèn)為在MBR運(yùn)行正常后，污泥混合液中的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）在膜表面及膜孔中積累［4］。胞外聚合物是在一定環(huán)境條件下由微生物或細(xì)菌分泌于體外的一些高分子聚合物，其主要成分與微生物的胞內(nèi)成分相似，是一些高分子物質(zhì)，如多糖、蛋白質(zhì)和核酸等聚合物。附著在膜表面的胞外聚合物會(huì)直接改變沉積層的孔隙率和結(jié)構(gòu)，并與細(xì)微顆粒一并沉積并吸附在膜表面，形成黏性很強(qiáng)的凝膠層。若繼續(xù)以恒定通量運(yùn)行，將導(dǎo)致跨膜壓差（Transmembrane Pressure，TMP）升高，跨膜壓差的升高會(huì)促進(jìn)濾餅壓實(shí)，最終導(dǎo)致緩慢污染歷時(shí)縮短。

2.3快速污染

沉積層在過(guò)膜動(dòng)力作用下，厚度逐漸增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也更為致密，當(dāng)膜表面吸附層厚度達(dá)到一定程度時(shí)，膜穿透壓力及膜孔的堵塞造成膜表面出現(xiàn)濃差極化現(xiàn)象［7］，濾膜表面處的污泥混合液濃度逐漸高于膜池中的濃度，在濃度梯度的作用下，混合液中的生物絮體由膜面向濃度較低的混合液進(jìn)行擴(kuò)散，從而形成邊界層，當(dāng)膜表面懸浮固體及生物絮體濃度達(dá)到其飽和度時(shí)，會(huì)使膜表面形成沉積或凝膠層，增加了跨膜壓差。嚴(yán)重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流道，引起整個(gè)膜組件的平均跨膜壓差急速線(xiàn)性增加，膜通量迅速降低 。上述污染形成過(guò)程的模擬如圖1所示。

圖1　膜污染形成過(guò)程模式Fig.1 The fouling process of membrane

3　影響因素

通常認(rèn)為MBR系統(tǒng)中影響膜污染的因素包括膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、膜池混合液特性及運(yùn)行條件［10］。

3.1膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)主要是指膜材料的物化性能，其中膜孔徑大小、膜表面電荷性、親水性、粗糙度等性質(zhì)均與膜污染有著密切的聯(lián)系。

（1）膜孔徑

在研究膜污染的控制時(shí)發(fā)現(xiàn)，膜孔徑越大或孔隙率越高，特別是膜的表層孔徑大、內(nèi)層孔徑小時(shí)，膜通量下降得越快［5］。因?yàn)閷?duì)于孔徑較大的膜來(lái)說(shuō)，膜池混合液中的污染物相當(dāng)容易進(jìn)入多孔膜的孔道，并引起孔道堵塞和產(chǎn)生永久性污染，進(jìn)而導(dǎo)致不可恢復(fù)的通量急劇下降。從膜孔結(jié)構(gòu)上解釋?zhuān)捎谖⒖捉Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位阻效應(yīng)，進(jìn)入孔道的污染物逆向遷徙重新回到膜池混合液將變得極其困難。因此膜孔越大，通量衰減越快。

（2）表面電荷性

膜表面的電荷性和活性污泥混和液中帶電荷的膠體顆粒和雜質(zhì)等存在吸附或排斥的作用，經(jīng)研究由于混合液中膠體多帶負(fù)電，與膜表面之間存在較強(qiáng)的電性斥力，因此運(yùn)行中可以通過(guò)靜電排斥來(lái)緩解膜污染［6］。

（3）親水性

根據(jù)Reihanian et al.等在對(duì)膜分離蛋白質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn)，疏水性膜對(duì)蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附性能，且攪拌引起的蛋白質(zhì)層在此疏水膜表面的去除速率也低于不吸附蛋白的親水膜的去除速率，即親水性膜比疏水性膜抗污染能力強(qiáng)，故我們認(rèn)為膜面與污泥的吸附自由能越小越好，即膜的親水性越好越耐污染［8］。

3.2膜池混合液特性

造成膜污染的直接主體即是膜池中的混合液，其特性主要體現(xiàn)為混合液中的污泥以及代謝產(chǎn)物的特性。污泥特性包括污泥濃度、污泥絮體表面電荷、沉降性能、顆粒分布、表面電荷等，微生物的代謝產(chǎn)物包括胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物產(chǎn)物（SMP），上述特性均對(duì)膜污染有重要影響。

（1）污泥濃度

通常造成膜污染的污泥濃度存在一個(gè)臨界范圍，當(dāng)污泥濃度低于或高于該區(qū)間時(shí)均會(huì)對(duì)膜透水率產(chǎn)生不利影響，經(jīng)過(guò)研究，當(dāng)污泥濃度小于6 g/L時(shí)，增加污泥濃度可以降低膜污染程度；當(dāng)污泥濃度高于15 g/L時(shí)，增加污泥濃度則會(huì)加劇膜污染；污泥濃度在這區(qū)間內(nèi)，增加污泥濃度不會(huì)對(duì)膜污染產(chǎn)生明顯影響。分析原因，主要由于污泥濃度較低時(shí)，混合液中溶解性有機(jī)物占主要比例，易被膜表面吸附形成凝膠層，導(dǎo)致過(guò)濾阻力增加，膜通量下降，而當(dāng)污泥濃度過(guò)高時(shí)，污泥又易在膜表面沉積，引起污染。所以在中等濃度范圍內(nèi)運(yùn)行的膜生物反應(yīng)器要比低濃度范圍內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)更有效地避免吸附性污染的可能性，而此時(shí)污泥濃度本身并不明顯地影響過(guò)濾性能，真正造成膜過(guò)濾性能下降的可能是污泥自身性質(zhì)的改變。

（2）污泥絮體表面電荷

Zeta電位是膠體顆粒和它的擴(kuò)散層所帶的一部分反離子與擴(kuò)散層的反離子剩余部分間存在的電位，是一個(gè)能夠進(jìn)行測(cè)定的固液界面電位中的一種，其值的大小與固體表面帶電機(jī)理、帶電量的多少密切相關(guān)，直接影響固體顆粒的分散特性、膠體物質(zhì)的穩(wěn)定性。膠體顆粒由于表面相互作用的原因，顯示出一種特定的行為。這些作用力在本質(zhì)上具有多樣性，包括靜電力作用、范德華力和親疏水作用。各種作用力具有不同的作用范圍，因此導(dǎo)致了膜過(guò)濾過(guò)程中膜污染的復(fù)雜性。表面電荷主要由EPS中的帶電官能團(tuán)的電離造成，由于其中含較多的硫酸根、磷酸根和羧基等負(fù)電官能團(tuán)，而氨基等正電官能團(tuán)較少，因而幾乎所有的活性污泥表面電荷均為負(fù)值。由于膜表面所帶電荷也為負(fù)電，因此正常情況下，污泥絮體表面電荷能夠改善膜面污染，提高膜通量。

（3）沉降性能

污泥的沉降性（SVI）與進(jìn)水負(fù)荷（F/M）密切相關(guān)。污泥沉降性越好，濾餅的形成速率越慢，故存在一個(gè)最佳水力負(fù)荷，此條件下污泥沉降性最好，膜污染趨勢(shì)最小。

（4）胞外聚合物（EPS）

胞外聚合物（EPS）使細(xì)菌細(xì)胞聚集為絮體或生物膜、在細(xì)菌周?chē)纬杀Ｗo(hù)層、保持水分及使細(xì)胞附著在表面上，其黏附作用可以促進(jìn)生物反應(yīng)池的污泥顆?；?，增加污泥的沉降性，但是對(duì)膜分離系統(tǒng)則帶來(lái)了吸附性膜污染。一般來(lái)說(shuō)，蛋白質(zhì)較碳水化合物更為疏水，所以蛋白質(zhì)與碳水化合物的比例越高，EPS疏水性越強(qiáng)。

（5）溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）

溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）通常是指來(lái)自微生物代謝過(guò)程，并溶解于水中的有機(jī)物質(zhì)，主要成分有碳水化合物、蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)、核酸、有機(jī)酸、胞外酶類(lèi)固醇等。上述物質(zhì)極易形成黏膜層，從而造成膜污染。過(guò)濾過(guò)程中氣水擦洗產(chǎn)生的剪切力對(duì)污泥絮體產(chǎn)生較強(qiáng)的破壞作用，只是其釋放出大量的SMP，其濃度不斷累積，影響甚至大于微生物本體產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)。

3.3運(yùn)行條件

MBR系統(tǒng)的運(yùn)行條件也會(huì)對(duì)膜污染有一定影響，其中的固體停留時(shí)間（SRT）、曝氣強(qiáng)度及方式、膜通量及溫度是目前研究發(fā)現(xiàn)較為明顯的影響因素。

（1）固體停留時(shí)間（SRT）

MBR中污泥濃度較高，停留時(shí)間長(zhǎng)，污泥濃度高會(huì)引起混合液粘度的增加，從而加劇膜污染。隨著固體停留時(shí)間（SRT）的延長(zhǎng)，微生物處于內(nèi)源呼吸期，大量微生物死亡，會(huì)比對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期產(chǎn)生更多的細(xì)胞碎片和溶解性微生物產(chǎn)物，從而加劇膜的生物污染，因此對(duì)SRT應(yīng)進(jìn)行控制，而不是一味的增加SRT。

（2）曝氣強(qiáng)度及方式

膜池曝氣有兩種作用，一是為微生物提供氧氣，二是創(chuàng)造湍流，防止膜面沉積物形成。隨著曝氣量的增加，膜通量也會(huì)在一定范圍內(nèi)增加；當(dāng)曝氣量大到一定程度時(shí)，膜通量不再變化。因?yàn)槠貧饬康脑黾幽茉谀け砻嫘纬奢^大錯(cuò)流速度，使污染物不易在膜表面積累，而且可以加快污染物在膜表面的脫離；但曝氣量過(guò)大有可能會(huì)破壞絮體結(jié)構(gòu)，減小絮體尺寸并使胞外聚合物釋放到膜池中，使混合液中細(xì)小污泥顆粒增多，從而導(dǎo)致膜孔堵塞。另外曝氣氣泡的大小也能影響膜池中液體的流動(dòng)狀況，因此需要在臨界充氧強(qiáng)度下，產(chǎn)生最夠細(xì)小的空氣泡以產(chǎn)生最優(yōu)錯(cuò)流流速，創(chuàng)造更強(qiáng)的剪切力。

（3）膜通量

設(shè)計(jì)膜通量是MBR中膜污染的一個(gè)重要影響因素，膜污染速率和膜通量呈指數(shù)相關(guān)，在高通量下操作，膜污染會(huì)很快發(fā)生，在低通量下操作，膜污染發(fā)生得較緩慢，但是過(guò)低的通量意味著膜的處理能力降低，在實(shí)際工程應(yīng)用中則需要更大的膜面積。

4　深度處理設(shè)計(jì)時(shí)采用的控制膜污染方法及效果

結(jié)合對(duì)膜污染程度影響因素的分析，筆者在設(shè)計(jì)過(guò)程中從膜的材質(zhì)、膜組件形式、污泥混合液特性、操作條件幾個(gè)方面出發(fā)，合理進(jìn)行膜的選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)、完善污泥特性，通過(guò)多種方式來(lái)降低運(yùn)行中的膜污染速率。需注意的是深度處理的污水具有污染物濃度較低的特點(diǎn)，換言之碳源較少，無(wú)法為微生物繁殖提供足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而限制了膜池的污泥濃度范圍，膜池中污泥在膜過(guò)濾時(shí)雖完全截流于池中，但其濃度仍較處理常規(guī)污水時(shí)膜池內(nèi)污泥濃度要低，大部分無(wú)生物活性。通常深度處理時(shí)的膜池污泥濃度在5 ～ 6 g/L左右，與處理正常濃度污水時(shí)的8 ～ 10 g/L有一定差距，此點(diǎn)已在項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中得到驗(yàn)證，因此本文提出的膜污染控制措施均為膜池內(nèi)污泥濃度較低情況下采取的方法。

4.1膜組件特性選擇

（1）膜的材質(zhì)選擇

隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，不同材質(zhì)的膜的強(qiáng)度、壽命、穩(wěn)定性均得到了大幅度的提高，而其價(jià)格也因多種工藝技術(shù)的普及、原材料價(jià)格的下降而逐漸趨于相近，因此筆者在對(duì)膜材質(zhì)進(jìn)行選擇時(shí)，更多考慮的是滿(mǎn)足性能要求，具體選擇要求如下：

根據(jù)膜孔越大，通量衰減越快的機(jī)理，深度處理時(shí)所選擇的膜的孔徑尺寸要比分離的污染物的尺寸小一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而避免膜孔被快速污染，根據(jù)當(dāng)前膜制造工藝，膜孔徑可小至0.04 ～ 0.05 mm；而膜絲由高分子材料制作，其本身帶有荷電基團(tuán)，根據(jù)同性相斥原理，應(yīng)選擇和料液顆粒物電荷相同的材料制作膜組件，以減少膜對(duì)污染物的吸附；鑒于疏水性膜比親水性膜更容易吸附混合液中的物質(zhì)造成污染，可強(qiáng)度高的膜材料大部分又為疏水性材料，如PVDF材質(zhì)，因此膜制造商在疏水性膜外層涂加了親水性材料，從而實(shí)現(xiàn)了膜污染的減緩。

（2）膜組件優(yōu)化

膜絲無(wú)法單獨(dú)投入水中，需采用膜組件的形式，將多條膜絲并聯(lián)組裝在一個(gè)基本單元設(shè)備內(nèi)，以便使用安裝和維修，從組件的構(gòu)造、曝氣方式、組件布置等多方面入手，通過(guò)設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)等過(guò)程逐步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中的膜污染最小化。

對(duì)于膜組件的結(jié)構(gòu)，一般對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)較不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)更易堵塞，膜的布置方式應(yīng)結(jié)合水力形態(tài)的特征綜合考慮，并合理確定膜與空氣擴(kuò)散器之間的距離，以保證在一定曝氣量下獲得較高的氣液上升速率，減少污泥層在膜面的積累。目前市面上各家廠(chǎng)商均針對(duì)各自產(chǎn)品設(shè)計(jì)了膜組件，其擦洗效果均能達(dá)到控制膜污染要求，因涉及專(zhuān)利技術(shù)故不在此展開(kāi)。

關(guān)于膜組件的布置，組件內(nèi)建議每片膜組件之間距離不少于100 mm，多組件單元在膜池的平面布局盡可能位于曝氣槽內(nèi)的中央，并確保前后左右有足夠的空間，空間應(yīng)為膜組件外形尺寸的 30 %以上。

4.2膜池內(nèi)污泥混合液特性控制

合理調(diào)整膜池內(nèi)污泥混合液懸浮物的濃度，并改善污泥活性，使微生物的代謝產(chǎn)物包括胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）均控制在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)膜污染速率的減緩。

膜池內(nèi)污泥濃度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使胞外聚合物（EPS）濃度增加，加速凝膠層的析出，在曝氣強(qiáng)度一定的條件下，膜池中的污泥濃度控制在臨界污泥濃度（6 ～ 15g/L）范圍內(nèi)，污泥絮體可以在膜表面形成比較穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)膜，既能防止細(xì)小顆粒及膠體進(jìn)入膜孔，又可破壞濃差極化、抑制凝膠層的析出。

4.3運(yùn)行工況優(yōu)化

根據(jù)筆者參與的項(xiàng)目運(yùn)行后在日常生產(chǎn)過(guò)程中的調(diào)試情況，同時(shí)結(jié)合其它學(xué)者在過(guò)往試驗(yàn)中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化后的運(yùn)行工況如下：

（1）在生產(chǎn)中保持SRT在30 ～ 70 d之間，膜污染可保持較低程度。

（2）在膜生物反應(yīng)器中，清洗膜用的曝氣需氣量與膜過(guò)濾產(chǎn)水的單位體積之比成為產(chǎn)水比曝氣量（SADp），單位Nm3/m3。SADp值與溫度及孔徑有關(guān)，隨著溫度的升高，空氣黏度下降，氣體體積增加，膜通量也會(huì)增加，而孔徑越大則需要用于曝氣的空氣量也越多。通常進(jìn)行深度處理的膜池溫度在20 ～ 30 ℃之間，膜孔徑在0.04 ～ 0.05 mm，在膜池內(nèi)污泥濃度在5 000 ～ 6 000 mg/L的環(huán)境下，SADp值取在3.5左右。

（3）膜出水通量大小的設(shè)定影響著膜表面濃差極化的程度。通常情況下，膜組件在一定的運(yùn)行工況下存在著一個(gè)臨界膜通量，確保MBR工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行不出現(xiàn)膜穿透壓力急劇增加的膜出水通量。根據(jù)當(dāng)前中空纖維膜的特性，設(shè)計(jì)按15 ～ 20 LMH （L/m2/h）考慮，一般情況下可避免膜穿透壓力急劇增加、濃差極化加重，降低凝膠層的析出。

4.4污染控制效果

筆者參與的項(xiàng)目完成后對(duì)膜污染情況進(jìn)行了跟蹤，以觀察膜池混合液濃度較低情況下的污染情況。膜池在優(yōu)化后的條件下運(yùn)行3個(gè)月后起吊膜組件，發(fā)現(xiàn)膜污染控制情況良好，膜表面無(wú)明顯污泥附著污染，現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖2所示。

圖2　運(yùn)行3個(gè)月后的膜組件Fig.2 Membrane unit after 3 months' operation

5　結(jié)論

本文結(jié)合完成的污水深度處理項(xiàng)目，通過(guò)資料查閱及現(xiàn)場(chǎng)觀察，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中膜污染形成的機(jī)理、成因及影響因素進(jìn)行了匯總及確認(rèn)，確定微粒、微生物、膠體顆粒以及溶質(zhì)大分子是造成膜污染的主體，而膜結(jié)構(gòu)性質(zhì)、膜池混合液特性及運(yùn)行條件則是控制膜污染控制的關(guān)鍵因素。針對(duì)這些因素，同時(shí)考慮污水深度處理時(shí)進(jìn)水以及膜池內(nèi)污泥濃度均較低的特點(diǎn)，筆者在設(shè)計(jì)中從膜材質(zhì)、混合液特性的改善、運(yùn)行條件的優(yōu)化等方面提出措施，減緩膜孔的堵塞和凝膠層的形成，延長(zhǎng)膜組件使用壽命。

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Cause and Control of Fouling Process in Using Hollow Fiber Membrane in Waste Water Intensive Treatment

Wang Haowen
（College of Environmental Science and Engineer， Tongji University， Shanghai 200092）

Through data consulting， the mechanism， causes and effects of fouling process in application of MBR system for waste water treatment in extensive degree were studied. It was shown from studying results that in view of physical， chemical or mechanical effects， the micro particles， microorganism， colloidal particles and solute macromolecules may be absorbed or settled on membrane surface and holes so as to make the holes smaller or blocked. If this happens， the separation characteristics of membrane change and the fouling of membrane forms. When the factors influencing fouling process were analyzed， from the respects of membrane material and component type， features of sludge mixture and operating condition， the methods of properly selecting membrane， optimizing design and improving characteristics were used in design to reduce the rate of fouling process in operation.

hollow fiber membrane； advanced wastewater treatment； membrane fouling and controlling

TQ 085+.4

A

2095-817X（2016）03-0048-006

2016-01-21

王昊文（1983—），男，高級(jí)工程師，主要從事石油化工污水處理工程設(shè)計(jì)工作。