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技术支持
| 日期：2016/5/26 14:40:34 人气：2863 |
膜生物反应器（MBR）因固液分离效果优异已成功应用于水处理领域，但膜成本高、运行能耗高和膜污染是其发展的瓶颈所在，目前的研究表明动态膜生物反应器（DMBR）是解决该问题的重要研究方向之一[1]。DMBR工艺利用廉价粗孔微网材料作为膜组件的支撑材料，替代MBR工艺中的微滤/超滤膜，通过预涂剂或活性污泥在支撑材料表面形成稳定的动态膜，从而达到高效的膜过滤和截留作用，常用的动态膜支撑材料包括无纺布、尼龙网、钢丝网和陶瓷管等。DMBR具有膜组件造价低、形成过程迅速、出水水质好、能耗低和通量高等优点。基于膜分离原理，膜污染也是DMBR工艺研究广泛关注的热点问题，因此分析总结DMBR的运行过程和膜污染问题，对于工艺的优化和运行控制具有重要意义。
1 动态膜的形成过程
动态膜的形成过程是粗孔支撑材料表面不断截留过滤介质使得有效过滤层逐渐附着成熟的过程。根据涂膜材料的不同，DMBR可分为自生动态膜和预涂动态膜两种，两者在形成过程上存在一定差别。
1.1 自生动态膜的形成过程
自生动态膜技术主要用于生活废水及工业废水的处理，它的形成是污泥混合液与支撑材料相互作用的结果，包含了支撑材料表面复杂的物化及生化作用。目前研究者基于形成过程中动态膜的结构、过滤阻力及出水浊度的变化，将自生动态膜的形成过程划分为动态膜成膜阶段和动态膜稳定运行阶段，其过程分析如表1所示。
表1 自生动态膜的形成过程分析
动态膜的成膜阶段时间较短，通常＜2 h，一般根据出水浊度（＜5 NTU）、SS（检测不出）及稳定通量等判断动态膜的形成。动态膜稳定运行阶段一般时间较长，与反应器设计与运行条件密切相关，运行结束时表现为通量严重衰减、阻力急剧增大、出水浊度增大等。如熊江磊等[7]将自生动态膜生物反应器连续运行22 d后，膜孔径降到1 μm以下，过滤阻力突增至1010 m-1，通量急剧降低。目前研究者通常将通量衰减到初始通量的10%作为动态膜稳定运行阶段结束的标志，意味着一个运行周期的结束。
1.2 预涂动态膜的形成过程
预涂动态膜的形成是指应用支撑材料对预涂剂（悬浮液或胶体溶液）进行过滤，在支撑材料的表面形成一层均匀完整的预涂层，从而实现过滤效果。预涂动态膜的形成过程比自生动态膜复杂，需要专门配制预涂剂对支撑材料进行预涂，直到稳定的预涂层形成，而后进行介质的过滤，随着过滤性能的下降，需要进行污染层的清洗，并进入下个预涂周期。预涂动态膜的形成过程分析如表2所示。
表2 预涂动态膜的形成过程分析
该技术常用于生活污水、工业污水及微污染地表水的处理，预涂层形成时间短（一般＜30 min），常用的预涂剂包括高岭土、硅藻土、粉末活性炭及聚合氯化铝等。Huaqiang Chu等以硅藻土作为预涂剂、74 μm不锈钢网作膜支撑材料开展了预涂动态膜反应器处理生活污水的研究，预涂阶段采用抽吸泵将生物硅藻土混合液在反应器中循环，直到稳定的动态膜附着在不锈钢网表面，所需时间＜30 min，而过滤阶段在22 L/（m2·h）的通量下运行时间可达50 h。
2 动态膜的再生过程
DMBR运行一定时间后，随着动态膜的老化与堵塞，膜孔径显著降低，膜污染加剧，动态膜的过滤性能明显降低，需进行再生以恢复过滤性能。
2.1 自生动态膜的再生过程
自生动态膜的再生过程相对简单，主要以物理清洗为主，如膜组件底部曝气、逆出水方向曝气和出水反冲洗等，通量恢复效果好。 对于小试DMBR，为了维持66 L/（m2·h）的膜通量，采用逆出水水头方向曝气的方式进行动态膜的再生，反冲洗时间为5 min，曝气强度为3.2 m3/（m2·h），系统连续运行60 d，再生周期保持在50 h以上。对于50 m3/d的DMBR中试装置，采用每运行8 h气体反冲洗30~45 min的操作模式进行动态膜的再生，每个反冲洗周期开始出水水质浑浊，反冲洗5~10 min以后出水水质恢复，运行一个月左右通量始终保持在22 L/（m2·h）以上。由此可见目前主要是针对小试或中试DMBR进行短期的实验研究，采用曝气反冲洗均能起到较好的膜通量恢复效果，并且操作简便，长期运行过程中持续物理清洗可能引起的不可恢复膜污染积累还有待研究。
2.2 预涂动态膜的再生过程
对于预涂动态膜的再生过程，物理清洗和化学清洗均有应用，通常错流过滤方式导致预涂动态膜的污染相对严重，往往通过化学清洗才能获得较好的通量恢复。对于以陶瓷管为基膜的高岭土动态膜，采用自来水直接反冲洗，前3次涂膜-过滤-反冲洗循环操作中，经反冲洗后膜性能可恢复约80%；第4~5次循环操作中，反冲洗后膜性能可恢复50%~60%；第6次循环操作中，反冲洗后再用浓度为0.1 mol/L的NaOH溶液和0.1 mol/L的HCl溶液先后清洗30 min，膜性能可恢复90%以上。同时发现，涂膜过滤化学清洗后的陶瓷膜管通量可恢复在90%左右，而未涂膜的膜管只能恢复到原来的60%左右。杨涛等以基膜纯水通量衰减率>80%为基准对基膜进行清洗，先后用0.1 mol/L的氢氧化钠和盐酸溶液分别对基膜反冲洗15 min，再把基膜放入超声清洗器中清洗5 min，可使基膜纯水通量恢复到98％以上。
3 DMBR膜污染影响因素
动态膜污染是指颗粒、胶体、大分子和无机物等在膜孔内或膜表面沉积导致膜过滤性能下降的现象。动态膜的污染主要分为两类：一种是凝胶层的污染，主要由溶解性微生物产物和胞外聚合物（EPS）构成，这种污染很难去除，为不可逆污染；另一种是污泥层的污染，由于粗网材料的截留作用，在粗网表面会形成由活性污泥絮体构成的生物质层，随着过滤的进行，污泥层会逐渐增厚和压缩。DMBR工艺中膜污染的影响因素众多，下面主要分析膜材料、活性污泥性质及运行条件等对动态膜膜污染的影响。
3.1 膜材料
DMBR中依然存在着膜污染问题，从膜材料方面考虑膜污染的控制，主要是基于膜基材的优化选择，包括膜孔径、膜材质、亲疏水性等。 通过比较4种动态膜膜基材（聚酯无纺布、聚丙烯无纺布、聚酯筛网、聚酰胺筛网），发现易受污染的程度依次为聚酰胺筛网、聚酯筛网、聚丙烯无纺布、聚酯无纺布，无纺膜材料的总阻力要略小于筛网。以无纺布、丙纶、涤纶、锦纶和不锈钢丝网作为DMBR的膜基材时发现，初始膜通量与基材的孔径有关，孔径接近的基材初始膜通量相近，孔径越大初始膜通量越大，相同运行条件下，无纺布、锦纶和不锈钢的稳定通量高于涤纶和丙纶。同种材质的滤布孔径越大，运行周期越长，长纤滤布的污染速度比短纤快，滤布孔径越大，越有利于通量的恢复。在选择膜基材时，要在达到预定处理效果的前提下，综合选择稳定通量高、亲水性好、通量恢复性好、强度高、膜清洗过程中不易破损的材料。
3.2 活性污泥的性质
膜污染物质包括污泥絮体、EPS、其他有机物与无机物。活性污泥的性质包括污泥浓度（MLSS）、粒径分布（PSD）、表面电荷、疏水性（RH）、黏度、沉降性能和脱水性能等，都会造成不同程度的膜污染。研究认为MLSS、PSD和EPS是导致膜污染的主要因素，其他污泥性质都与EPS有一定相关性。 MBR工艺中MLSS存在一个临界值（10~17 g/L），低于临界值时污泥黏度基本恒定，高于临界值时黏度随MLSS增加，对膜污染的影响相应增大，而 MLSS对DMBR膜污染的影响研究较少，可能由于通常试验条件下MLSS均较低，对膜污染的影响不显著。韩雪利等研究表明，污泥EPS浓度与动态膜污染倾向之间有显著相关性，结果表明，污泥EPS浓度的增加会加速膜污染。此外发现随着污泥粒径从172 μm降至46 μm，过滤阻力增大6倍，说明污泥颗粒粒径越小，过滤阻力越大，更容易形成膜污染。黄天寅等比较研究了不同容积负荷下DMBR膜污染情况，结果发现高负荷下DMBR的黏度最高，污泥混合液中含有大量EPS，很容易使污泥絮体黏附沉积在膜表面，加剧膜污染。由此可见EPS中某些物质可生化降解性差，容易在DMBR中积累，影响污泥黏度、表面电荷及沉降性能等，同时减小混合液的错流速率，都对膜污染控制不利。对DMBR中污泥颗粒粒径分布（PSD）的研究表明膜表面污染物质的颗粒粒径小于污泥混合液，并且膜污染层的外层和内层颗粒尺寸有明显的差别，外层污染物质的PSD与污泥混合液相当，而内层膜污染物质包含许多小颗粒，与大颗粒相比，小颗粒更容易在膜表面附着。 因此，采取调控运行参数（HRT、SRT和曝气量等）及改善活性污泥性质（投加混凝剂等），达到控制适合的MLSS、低EPS浓度和高PSD，能够有效提升膜通量和控制膜污染。
3.3 运行条件
DMBR工艺中的运行条件，如膜冲刷曝气量、污泥停留时间（SRT）及出水水头（或TMP）对膜污染有重要影响。研究发现加大曝气强度，增大错流速度，污染物不易在膜表面累积，且水力冲刷冲掉一部分膜表面富集的污泥，滤饼层厚度变薄，能有效减缓膜污染；但曝气强度太大会破坏已形成的动态膜，使出水水质变差，且增加动力消耗，提高运行成本，因此存在合适的曝气量，过小和过大都对整个工艺运行不利。M. E. Ersahin等。研究厌氧DMBR时发现，在保持恒定通量为2.6 L/（m2·h）的情况下，SRT为 40 d的过滤阻力比SRT为20 d的高，加剧膜污染的发生，分析认为高SRT时污泥所含EPS低、平均粒径小、污泥分散且絮凝性能差可能是导致膜污染的内在原因。比较好氧DMBR中SRT对膜污染的影响时发现，高SRT（75 d）的膜污染更严重，出水水质变差，反应器中后生动物数量多、EPS含量高、丝状菌丰度一般但以特定的丝状菌（Type 021N）为主，可能与污泥老化有关。DMBR的显著优点是采用水头差重量出水，研究者比较了出水水头对以75 μm不锈钢为膜基材的DMBR的影响，发现存在最佳水头差。分析认为，增大水头会增加出水动力，从而增加出水通量；从另一方面看，出水通量的增加会使动态膜的截留量增加，动态膜有增厚的趋势，并使动态膜被压缩、密度增加，从而增加出水阻力，导致出水通量迅速衰减。
4 结论
目前研究者对DMBR处理污水及微污染水进行了广泛研究，主要关注了SS、浊度、有机物及营养物物质的去除效果，对膜污染控制开展了一定研究，且大多数都属于小试及中试规模，这对DMBR的后续发展有一定制约。未来的可能研究方向包括：深入开展动态膜的形成过程及机理分析，开发原位高效快捷的动态膜再生技术；优化膜组件设计、改善活性污泥的性质以及操作条件等，实现DMBR的稳定运行和高效膜污染控制；强化DMBR与其他脱氮除磷工艺（A2/O、氧化沟、SBR）的结合，进一步提高处理效果和使用范围。
（来源：《工业水处理》2016年第4期，参考文献略）
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