水處理中超濾膜污染的研究進展及其控制措施水處理中超濾膜污染的研究進展及其控制措施沈陽水處理設備，沈陽納濾膜，沈陽微孔濾膜近三十幾年，膜濾技術在污水處理應用得到飛速發展，它能有效地分離去除水和污水中的微生物、無機顆粒和有機物質等,并且具有處理效果穩定高效、占地面積小、節省消毒劑投加量、易于實現自動化操作等優點。但由于膜表面極易形成泥餅層，引起膜污染，減少膜通量，導致需要更為頻繁的反沖洗及減少膜的壽命，從而增加了運行和經營成本，膜過濾工藝的最終目標是要實現最低能耗下的高膜通量，因此如何控制水處理膜工藝的膜污染問題，提出相應的防制措施成為該領域內的研究重點。

1.膜污染的影響因素

影響膜污染主要有膜或膜組件自身特性、運行條件、原水水質、污泥混合液的性質等四大因素。

1.1

膜或膜組件自身特性膜或膜組件自身特性對控制膜污染十分重要。在超濾過程中,膜、溶質和溶劑之間的相互作用受到膜材質、孔徑、孔分布、外形尺寸、憎水性、帶電荷、表面粗糙度等因素的影響,且膜表面特性對于細菌的生存也起著重要作用。Choo等[4]研究發現，在對聚礬膜、纖維素膜和聚偏二氟乙烯(PVDF)膜的污染比較中得出，PVDF的膜污染最小，膜表面張力的分散組越多，越容易發生粘附污染，且疏水性膜的膜阻力大于親水性膜；Shimizu等[5]研究了MBR中膜孔徑為0.01-1.60μm的一系列膜的過濾性能，結果表明膜孔徑為0.05-0.20μm的膜的通量最大；當膜所帶電荷性與溶液所帶電荷性相同時，產生電斥力能夠減輕膜污染；膜表面的粗糙度對膜孔堵塞也有一定的影響。膜表面粗糙度的增加會使膜表面吸附污染物的可能性增加，增加了膜表面孔的吸附，導致的膜孔堵塞，但同時也增加了膜表面的擾動程度，阻礙了污染物在膜表面的形成，減少了膜孔對污染物質的機械截留所導致的膜孔堵塞，因此膜表面粗糙度對膜孔堵塞的影響是兩方面效果的綜合體現。

1.2運行條件的影響

運行條件如曝氣強度影響、間歇出水、污泥齡、水力停留時間、膜面速度等[6]等對控制膜污染非常重要。曝氣產生的氣、泥、水、三相流對于提高膜通量以及抑制膜污染具有不可忽視的作用，ChangS等[7]發現曝氣能很好的控制顆粒在膜表面的沉積和提高膜通量，同時驗證了曝氣只對控制可逆污染起作用,對不可逆污染效果并不明顯。但曝氣量較高時可以產生較大的膜面剪切力，導致的污泥顆粒粒徑的變化卻也加重了膜污染；此外在高曝氣量時，污泥顆粒的均質性遭到破壞，膠體物質以及可溶性有機物的含量也有升高，也是引起膜污染的重要因素。

對于一體式MBR中，間歇出水有利于降低濃差極化的形成，從而有利于降低膜污染。

徐慧芳[8]等發現抽吸和間歇時間比值在5:1～12:1時對膜比通量的影響規律性較差。過短的污泥齡，污染物的濃度尤其是可溶性有機產物（SMP）會增加，進而導致膜污染速率增加，ZubairAhmed等[9]發現污泥齡為20d時膜污染速率要比污泥齡為60d時高出很多,膜絲表面泥餅層阻力以及化合態胞外聚合物（EPS）濃度也是隨著污泥齡的延長而降低的。試驗同時表明膜污染隨污泥齡降低而加重的另一個原因是在較低污泥齡工況下的細小顆粒（1μ目比高污泥齡時要多。但是過長的污泥齡會導致污泥濃度上升和引發傳質效率的降低，而且過長的污泥齡可能使微生物處于內源呼吸狀態，難免會降低微生物活性甚至造成一定數量微生物的死亡，產生更多的細胞碎片和溶解性代謝產物，從而加重膜污染[10]。

同時研究發現較長的水力停留時間條件下膜污染得以緩解[11]。膜面速度大小和流態是曝氣和膜組件形狀共同作用的結果，當膜面存在不穩定流時，能打亂靠近膜壁物質轉換的邊界層,即大大緩解了膜表面的濃差極化和膜污染,從而增大膜通量，同時提高膜面流速能提高了泥水混合液對膜表面的剪切力作用，可以降低濃差極化和沉積層的形成，提高膜通量[12]。

1.3

原水水質pH值和離子強度對膜污染的影響跟進水水質有很大關系，原水中帶負電荷的腐殖酸是造成不可逆孔吸附和堵塞的主要原因，在低pH值下，膜表面電位為正值，這時膜表面和腐殖酸之間存在靜電引力，使得表面附著現象明顯，從而產生膜污染，降低膜通量。隨著值升高，引力減小，斥力增大，減輕膜污染。Yuan等[13]研究發現，pH、離子強度可以通改變分子之間的靜電斥力來造成天然有機物在膜表面的污染。很低濃度的多價陽離子就可以達到使腐殖酸微濾過程膜污染加重的結果。

采用進水組成正常、限氮、限磷三個MBR對比實驗發現，在其它試驗條件相同時，進水組成中限氮或限磷均會加重膜的污染,

尤以限氮時更為嚴重，原因是進水中限氮或限磷時，污泥絮體的相對憎水性和膜的憎水性都增加及污泥中絲狀菌的相對含量增加，從而加速了污染物在膜表面的沉積和/或吸附及增加膜阻力。

1.4

污泥混合液的性質研究表明[15,16]，在活性污泥混合液的各項性質或者組成中,污泥中懸浮顆粒濃度、絮體顆粒粒徑、上清液中的膠體物質和微生物胞外多聚物對于超濾MBR中的活性污泥過濾性能起主要決定作用。

Grasmick[17]等人發現混合液中的溶解性物質、膠體、MLSS產生的阻力是不同的，且使用不同的膜材料，不同運行條件或是不同混合液物質其貢獻值是不同的，且混合液中的溶解性物質、膠體、MLSS對膜污染的影響與曝氣強度也有很大關系，當不曝氣時，MLSS產生的阻力占62-87%，并且隨著MLSS增加，膜壓力增長速度加快，而溶解性物質、膠體產生的阻力分別占小于13%、36%；當存在曝氣時，膠體和溶解性物質產生的阻力占主導地位，并且后期由于曝氣對膜表面的剪切力，MLSS產生的阻力逐漸減少，甚至在增加進水MLSS時，總阻力增長速率還有輕微的下降，這可能是由于MLSS對泥餅有側向沖刷作用或是構成了第二層膜。

2.1.膜污染機理

對膜污染機理的研究是膜濾技術的關鍵，關于膜污染的機理說法不一，可以肯定的是處理溶液中粒子與膜材料的互相作用是影響膜污染的最主要的因素[1]，廣義的膜污染不僅包括由于堵塞引起的污染，不可逆的吸附污染，而且包括由于濃差極化形成的凝膠層的可逆污染。在對膜機理研究過程中發現，膜孔堵塞和泥餅層形成是造成膜污染的主要原因。Zheng[3]等人研究也發現，在處理生活污水中，比超濾膜孔徑大的溶解性有機物是構成膜污染的主要，產生的膜阻力超過總膜阻力的50%，整個膜污染階段分為三個階段，第一階段生物聚合物不斷進入到膜孔里，隨著生物聚合物濃度相對較高時，所有的孔在短時間內被堵住；第二階段是隨后的遷移性生物聚合物沉積在之前的已經吸附在孔內的生物聚合物上，從而形成膜污染，第三階段，隨著越來越多的遷移性生物聚合物聚集在膜表面，形成凝膠層和泥餅層。隨著生物聚合物濃度的變化，膜污染階段可能變成兩種階段或階段之間可相互轉換。

3.膜污染的防制措施

通過有效的技術可以盡量延緩膜污染的進程，降低膜污染的程度，在防控濃差極化和污染面的研究主要集中在改良膜的性質、改變原水的特性、優化分離操作條件及對膜進行預處理、定期反沖洗等方面。前面影響因素中已提到很多方面，這里主要對預處理方法和定期反沖洗進行闡述。

3.1預處理

它是降低膜污染的研究方法之一，其中包括混凝、吸附、預氧化、預過濾等方法。預處理影響膜的過濾性主要表現為三個方面：改變污染物粒徑分布；改變污染物之間相互作用它們在膜表面的沉積性；抑制微生物生長或是去除可生物降解的微生物。混凝是目前為止用得最為廣泛和有效的預處理方法，研究表明投加混凝劑后能大大降低膜污染，增加膜通量，而且比投加活性炭更為有效。

活性炭投加能吸附水中8～15μm的顆粒，而這些顆粒是控制膜通量的主要因素[18]。但過多地投加活性炭可能會加劇膜污染，目前國內普遍采用的是2g/L的投加量。采用強氧化劑如氯、過氧化氫、高錳酸鉀、臭氧等[19]來氧化和改變有機物組成部分，從而改善出水水質，減輕膜污染。國內外對于預氧化控制膜污染的研究主要限于臭氧。適度的臭氧預氧化能增加了可生物同化有機碳和改善污泥性質,從而可能減輕膜污發現臭氧化能夠促進活性污泥中微生物細胞的分解和控制絲狀菌膨脹，從而減輕膜污染。然而有研究表明臭氧的投加對控制膜污染效果不明顯,甚至有可能加重膜污染[21]，而且由于強氧化性，可能會氧化膜，從而損害膜，并容易產生一些副產物，因此預氧化工藝還在不斷研究中。使用填充床過濾器或是其它膜預過濾來去除部分可能對后續膜有污染的物質，疏水性粗孔徑膜能很好低吸附有機污染物，因此在預處理使用疏水性粗孔徑膜非常有效。

3.2膜沖洗

研究表明對膜組件進行定期清洗可在很大程度上恢復膜通量。膜的清洗包括物理沖洗、

化學沖洗、物化聯合沖洗以及電沖洗。

物理清洗是用機械方法從膜面上去除污染物,包括多種方法。如正方向沖洗、變方向沖洗、透過液反壓沖洗、振動、排氣充水法、空氣噴射、自動海綿球清洗、水力方法、氣液脈沖和循環洗滌等。但該法僅對污染初期的膜有效,清洗效果不能持久。Lim等[22]研究表明:單獨進行水反沖洗不能夠有效去除膜面的阻垢層。

化學清洗[23]實質上是利用化學試劑和沉積物、污垢、腐蝕產物及影響通量速率和產水水質的其他污染物的反應去除膜上的污染物。化學試劑主要包括酸、堿、螯合劑和按配方制造的產品等。采用鹽酸、氫氧化鈉及次氯酸鈉三種清洗劑結合清洗PVDF膜效果很好[24]，但是單獨的進行化學清洗只能減小污染物對膜的粘滯性,不能將污染物有效去除，而且進行化學清洗時,水溫、加藥量及清洗時間是決定清洗效果的重要因素。將物理和化學清洗方法結合使用可以有效提高清洗效果,如在清洗液中加入表面活性劑可使物理清洗的效果提高。

電清洗是一種十分特殊的清洗方法。在膜上施加電場,

則帶電粒子或分子將沿電場方向移動,通過在一定時間間隔內施加電場,且在無需中斷操作的情況下從界面上除去粒子或分子。這種方法的缺點是需使用導電膜及安裝有電極的特殊膜器。清洗劑的選擇決定于污染物的類型和膜材料的性質。在清洗方案的選擇中,應考慮