膜生物反应器中的膜污染问题及其防治

2014．NO．4.ISSN1672-9064CN35-1272/TKISSN1672-9064CN35-1272/TK作者简介：李春燕（1982～），山东师范大学基建处，工程师。膜生物反应器中的膜污染问题及其防治李春燕（山东师范大学山东济南250014）摘要目前膜技术已广泛应用于废水处理及饮用水和生产用水中。然而，膜技术应用的障碍是结垢问题，与较高的操作成本和膜重置费用。因此，更好地理解膜污染不仅是解决上述问题的关键，而且是膜技术向前发展的主要因素之一。针对膜处理工艺和它的实际应用，阐述在饮用水和废水处理过程中应用膜分离技术出现的不同的结垢现象及其防治方法。关键词膜污染胶体污染生物污染污染机制中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1672-9064(2014)04－079－03在过去的30年里，膜技术越来越受欢迎并成为21世纪最有发展前景的技术之一。作为一种先进的废水处理技术，膜技术一直在低污染物水平的饮用水和废水中起到净化或集中成药物及化工产品的作用。膜分离之所以引起广泛的兴趣，在于它减少了单元操作的数目，循环工艺用水，及为其他应用程序回收有价值的产品。由于其固有的优点如选择性分离，连续和自动操作，方便和周密安排的过程传导，纯化不添加化学品，易规模化和低空间要求，相比于传统废水处理过程，膜技术被认为是最有吸引力的替代品［1］。因此，膜技术如微滤（MF），超滤（UF），纳滤（NF）和反渗透（RO），特别是膜生物反应器（MBR）已广泛应用于先进的供水和污水处理。然而，各种因素控制膜系统的经营成本，如功率需求，功率成本，劳动力，材料，膜清洗，阻垢和膜的使用寿命与更换，这些限制仍然在饮用水和废水处理中存在［2］。应用膜过程的主要障碍是渗透通量随时间快速下降的膜污染。本文的目的是阐述各种膜应用中产生结垢的主要问题，概述不同污垢类型和污染机制。1膜污垢、污染类型和机制膜系统可以在任一恒定的渗透通量（单位膜面积流速，L/m2h）与可变跨膜压力（TMP）或恒定跨膜压力与可变渗透通量进行操作。前者模式是常见的一种。基于操作TMP，用于水处理和重复利用的膜大致可归类为低压膜（LPMs）和高压膜（HMPs）。低压膜包括微滤（MF）和宽松的超滤膜（UF），它在相对低的跨膜压力下操作，通常小于100～200kPa，另一方面，高压膜例如紧密的超滤膜，纳滤膜（NF）和反渗透膜（RO）在相对操作较高的跨膜压力下操作（>200kPa）。当系统在恒定的压力下操作，增加TMP以维持特定的流量或流量减少即发生膜污染。膜污染可以被归类为可逆污垢和不可逆污垢，2者的区别完全依赖于膜被操作及被清洗的环境。可逆积垢（包括反冲和非反冲）的发生是由于在膜排斥表面的滤饼层或材料的浓差极化。膜上的反冲可逆积垢可以通过适当的物理清洗方法如反冲洗或水力冲刷（表面清洗）进行恢复，而非反冲可逆积垢仅可通过化学清洗除去。不可逆污染由化学吸附和孔隙堵塞造成。如果发生不可逆污染，跨膜通量的减少不可通过水动力或化学方法恢复。这意味着，该膜必须经过大量的化学清洗或更换。膜的污染是由养料中不同的污染物成分之间以及这些成分与膜表面之间复杂的物理和化学作用引起的。质量传递可以导致附着，堆积，或吸附材料上到膜的表面和内膜孔。过去的研究表明，膜污垢和污染物的特性由给水组成、主要组分的浓度，水化学（pH、离子强度和二价阳离子浓度），膜性能（表面形态，疏水性，电荷和分子量），温度，运作模式及水动力条件（初始渗透通量和横流速度）决定［3］。因此，任何可能会改变膜组件水动力特性和进料的化学特性的因素都会影响整体的膜性能［4］。所以，物理和化学的结合效果将控制附着的程度，也决定污染的严重性和有效地控制它采取的战略［5］。通常情况下，污垢可分为以下4类：颗粒污垢、有机污垢、无机污垢和生物污垢。未经纯净的水中含有多种可能导致膜污染的细颗粒、溶解有机物、胶体、少量的可溶性盐和微生物，不同的结垢通过不同的污染机制产生。通过研究已经确定了6个主要的污染机制：①毛孔阻塞；②滤饼的形成；③浓差极化；④有机吸附；⑤无机沉淀；⑥生物结垢。2胶体污染天然水和废水中的颗粒物有以下几种分类［6］：①沉降固体：>100μm；②超胶体固含量：1～100μm；③胶状固体：0.001～1μm；④溶解固体量：<0.001μm。胶体大小覆盖很宽的尺寸范围，从几nm到几μm。水产胶体包括腐蚀产物，淤泥和粘土，沉淀的晶体，胶体硅和硫，和由不完全处理产生的沉淀的铁和铝的化合物。一些高分子有机物（如多糖，肽聚糖，蛋白质和腐殖质）和它们的群集（如细胞碎片）也被分类为胶体污染物，原因是它们的许多特征与无机胶体颗粒的特征相似［7］。一般来说，由颗粒/胶体引起的膜污染归因于滤饼的形成导致的初始孔隙阻塞［8］。接近膜孔大小的胶体可引起孔隙阻塞，而那些比膜孔大很多