MBR膜污染及其控制

       膜污染是膜与反应器内的污泥混合液中的污染物质相互作用而引起的在膜孔内或者膜面吸附、聚集、沉淀等，从而引起膜跨膜压力的升高（恒流模式）或者膜通量的降低（恒压模式）的现象。
       活性污泥体系中物质众多，包括污水基质、菌胶团、微生物细胞、细胞碎片以及微生物代谢产物如胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物产物（SMP）以及各种有机、无机溶解性物质等，理论上讲每一部分对膜污染都有贡献。
       活性污泥体系中的物质在膜孔内的吸附和聚集形成的污染，称之为内部污染；而在膜表面聚集或沉积形成的污染称之为外部污染。
       需要指出的是，MBR的外部污染中存在"泥饼层"污染和"凝胶层"污染的现象。泥饼层污染是指大量污泥絮体在膜面沉积而形成的污染；凝胶层污染则是一些小颗粒物质，如胶体物质、EPS、SMP 等物质在膜面的吸附和聚集，这些物质的粒径分布往往较广，*控制这些物质不在膜面沉积是不可能的。
       在MBR运行过程中，一旦出现泥饼层的污染，系统随之会出现压力迅速上升或者通量急剧衰减的现象，MBR在短期内达到运行终点，需要进行膜的清洗。而目，在长期运行过程中，这些被认为"可逆"的泥饼层污染会逐渐向"不可逆"过渡，影响系统的长期稳定运行。
       尽管有研究者认为泥饼层污染可以起到拦截细小颗粒物等的作用，但是一般在MBR操作运行中要尽可能避免泥饼层的过渡形成。凝胶层污染所带来的是膜污染阻力缓慢上升的过程，在恒流操作模式中表现为压力的缓慢上升，在恒压操作模式中表现为通量的缓慢衰减。
       此外，目前关于MBR中优势污染物的研究与认识仍存在争议，但是一般认为反应器中存在的胶体物质以及微生物产物是引起MBR长期运行过程中污染的主要污染物，并且无机离子与有机物之间存在的架桥和络合作用会引起更加严重的污染现象。
       在MBR 中，膜污染与膜材料、污泥混合液性质以及操作运行条件等三方面相关。因此，MBR的膜污染控制也主要集中于上述三方面，即高性能膜材料/膜组件研制、污泥混合液性质调控和操作运行条件优化。
       膜材料和膜组件是MBR以及其他膜分离工艺的核心，是影响膜分离工艺中膜污染的关键因素之一。采用高性能、抗污染的膜材料和膜组件是有效控制膜污染的直接、有效的手段。为此，目前市场上出现了多种材质、各式各样膜组件的膜产品。从膜材料而言，膜孔，径、亲/疏水性、Zeta 电位、膜面粗糙度以及膜面官能团情况等均会对膜污染造成影响。
       在高性能膜材料制备过程中，需要综合考虑膜面各个物理化学性能指标的影响。目前，膜材料性能的改良包括膜面改性与膜本体改性两种途径。
       具体而言，又包括：
       ①亲水性改良，如等离子体处理、药剂浸泡-干化等；
       ②抗污染因子添加或接枝，如添加功能洗涤剂因子、纳米材料、表面紫外光照/y光照射接枝等；
       ③膜面电荷修饰；
       ④膜孔径、孔隙率、粗糙度等改良。一般而言，MBR 中膜材料希望具有亲水性强、负电性高、孔径分布均匀、粗糙度低的特点。
       除此之外，值得一提的是一些廉价基材，如无纺布、筛绢、不锈钢丝网、涤纶网等可以利用在基材上形成动态膜进行过滤分离，不仅取得了良好的分离效果，同时可以避免传统膜污染严重的问题，这类膜基材的清洗也十分方便。当然，膜组件以及膜组器的优化设计对有效控制膜污染也很重要。

       混合液性质是影响膜污染的另一重要因素，主要包括污泥浓度、污泥成分（纤维状物质、胶体、溶解性物质、SMP、EPS、无机离子等）、污泥粒径、污泥黏度、污泥菌群等。混合液性质与膜污染之间的关联十分复杂，且研究结论存在着一定的争议和矛盾之处。
       随着研究的深入，有关混合液性质与膜污染之间的关系有以下几点已基本明晰：
       ①混合液中颗粒粒径越大越有利于减轻膜污染；
       ②一般而言，混合液中胶体物质和溶解性物质的浓度越低膜污染就越低；
       ③合适的MLSS浓度有利于膜污染控制；
       ④大分子质量的溶解性物质中一般易形成膜污染；
       ⑤污泥膨胀/污泥破碎易形成严重的膜污染；
       ⑥一般而言污泥黏度越大膜污染越严重。
       此外，污泥菌群会影响微生物在膜表面的滋生。
       污泥混合液中存在的毛发以及其他纤维状的物质会对 MBR中膜组件产生严重的缠绕和堵塞现象，并导致膜丝或者膜片之间出现大量污泥颗粒或者泥饼层的污染，需要设置精细的预处理设施或者在回流污泥中增加处理设施。
       操作条件优化对于膜污染控制具有重要意义，其主要包括以下几个方面：
       ①选择合适的运行通量和操作压力，对于恒流运行模式而言，其运行通量要处于次临界通量范围内，同样对于恒压操作模式需要在次临界压力范围内；
       ②曝气强度及水力学流态控制，在MBR错流过滤中，一般提高曝气强度会提升膜表面的水力剪切力和错流过滤速率，但是也存在一个最大的曝气强度，超过该值，错流速率并无明显提升，也可以通过反应器优化、投加惰性颗粒物、旋转膜/振动膜签方法提高水力学条件；

       ③膜的过滤模式，采用间歇过滤有助于污染控制，提升系统运行稳定性；
       ④达到一定的操作压力及时进行清洗，污染物在长期过程中性质会发生变化，一些可逆污染会转变为不可逆污染或者不可恢复污染，及时清洗是避免污染物性质转化的有效手段；
       ⑤选择合适的HRT和SRT。
       操作条件反过来又影响了污泥泥合液性质，两者之间相互关联。