MBR工藝微生物對膜污染的影響分析

  1引言

  膜生物反應器是一種高效膜分離技術與活性污泥法相結合的污水處理工藝。MBR具有較高的生物降解效率和較低的污泥產率，占地面積小，硝化能力強，出水水質穩定等特點。另外，在膜生物反應器中，原污水中的各種可溶解和難分解的有機物質，以及微生物產生的代謝產物，可以分別保留在生物反應器內，從而提高了出水水質。MBR系統是一種新型的高效生物處理技術，特別是它在廢水資源化及中水回用方面存在巨大的潛力，受到了國內外的普遍關注。但是由于存在膜污染和膜組件替換帶來的影響等方面的問題，使其運行成本和費用大幅度提高，從而阻礙了該技術的廣泛推廣和應用。

  2膜污染的影響因素

  MBR運行一段時間以后，隨著膜內表面微生物的滋生和膜外表面污染層的附著，膜組件會被污染物堵塞，膜通量逐漸下降，直至不再出水。膜污染問題縮短了膜的使用壽命，導致了泵的抽吸水頭增大和曝氣量的增加，是造成MBR能耗較高的主要原因。因此研究MBR運行過程中膜污染的發生機理，對MBR系統加以改進，以達到有效降低和控制膜污染的目的，此舉對維護MBR工藝運行性能、確定工藝費用、指導工藝的放大設計具有重要的現實意義。

  2.1膜污染的成因

  當前，對于膜生物反應器的研究主要集中在膜污染上，相關研究表明，膜污染物質的積累過程分為兩步：(1)初期污染：由于濃差極化造成初始膜通量下降，混合液中溶解性物質造成膜保留側溶質的積累，產生較小滲透能力的膜面表層。(2)長期污染：由于溶質吸附和粒子沉積造成膜表面溶質濃度較高，導致凝膠層在膜表面形成，膠體粒子遷移至膜表面，從而形成沉積，減小了水力滲透性和膜通量。

  目前，對于膜污染的形成機理，眾說紛紜。但是對于影響膜污染的因素，歸納起來主要有以下幾個方面：微生物特性、運行條件、膜的結構性質等。本文主要從微生物性質對膜污染的影響方面進行探討。

  2.2微生物性質對膜污染的影響

  膜生物反應器運行過程中，膜污染物質來源于污泥混合液，其成分主要包括微生物菌群及其代謝產物，廢水中的有機大分子、小分子，溶解性物質和固體顆粒。上述物質對膜通量產生很大影響。由于膜的截留作用，反應器內污泥具有較高的污泥濃度和污泥停留時間。隨著污泥濃度的增加，活性污泥更容易在膜表面沉積，從而加快了膜污染速度，導致膜過濾阻力增加，進而降低了膜通量;同時，污泥濃度升高，污泥粘度也隨之升高，膜通量也會減小;再者，反應器內污泥濃度過高，還會造成污水粘度增大，影響氧氣的傳質效率。因此要對反應器內污泥濃度進行嚴格控制，污泥濃度過高或者過低都會對出水水質產生不利影響。

  2.2.2胞外聚合物對膜污染的影響

  胞外聚合物(EPS)在污泥處理系統中對污泥的絮凝性能、沉降性能、脫水性能以及重金屬吸附性能產生很大影響。胞外聚合物是微生物在一定環境條件下，在其代謝過程中分泌的包圍在微生物細胞壁外的多聚化合物，其主要物質為蛋白質和多糖(3)。胞外聚合物不但可以在膜生物反應器內積累，而且會在膜表面積累，從而引起混合液粘度和膜過濾阻力的增加。膜表面的胞外聚合物直接改變沉積層的孔隙率和結構，胞外聚合物和細微顆粒一并沉積并吸附在膜表面，形成粘結性很強的凝膠層，Huangd等人發現胞外聚合物濃度每增加50mg/L，膜通量減小70%(4);各種生物狀態的活性污泥中，胞外聚合物含量和膜污染之間存在線性關系，并且胞外聚合物中蛋白質和糖類的比例不同，超濾的膜通量也不同，膜通量隨著蛋白質比例的增加而減小。胞外聚合物過高或過低都會加劇膜污染，因此存在一個最佳胞外聚合物濃度，使污泥過濾性能最佳。

  2.2.3溶解性有機物產物對膜污染的影響

  近年來，溶解性有機物產物(SMP)對膜污染的貢獻越來越得到重視。以腐殖質、多糖、蛋白質等物質為主要成分的溶解性微生物產物，主要產生于微生物的基質分解過程和內源呼吸過程，其中高分子物質的含量較高且可生物降解性差，因此，在膜生物反應器中會產生積累。溶解性微生物產物極易堵塞膜孔，并容易沉積在膜表面形成凝膠層;溶解性微生物產物的過高積累不僅有可能降低膜過濾出水的水質穩定性，而且有可能影響污泥活性，引起嚴重的膜污染。膜生物反應器中的SMP主要由微生物代謝及細胞破碎釋放的EPS等物質，或者稱之為溶解性EPS，其分子量分布一般在1000～100000左右。研究表明,EPS與 SMP之間呈顯著正相關,隨著EPS濃度的增大,SMP急劇增加。因此，EPS是引起反應器內SMP累積的決定性因素。

  2.2.4絲狀菌對膜污染的影響

  絲狀菌對膜污染也有很大的影響，在污泥絮體中絲狀菌數量過多或者過少對MBR系統的運行都能產生不利影響。這是因為絲狀菌的密度對活性污泥性質影響很大，而這些性質是影響膜通量的根本因素。如果污泥絮體附著數量極少的絲狀物，則它們體積會很小，從而引起嚴重的膜孔堵塞;而如果這些絮體附著的絲狀物很多，就會在膜表面形成不透水的泥餅層。過多的絲狀菌很容易導致胞外聚合物(EPS)的大量滋生，從而產生低的ZETA電位和較強的疏水性，因此會引起膜污染。絲狀菌與膜表面污染物形成過程及結構、附著形式密切相關，絲狀菌以黏著、穿透膜材料等固定形式，增加膜表面污染物的附著強度。立體網狀結構形式的絲狀菌對膜表面污染物的形成、污染物的結構具有重要作用，嚴重影響膜生物反應器的處理能力及膜清洗的效率。由此我們得知，當污泥絮體中附著適當數量的絲狀菌時有利于膜的滲透性。

  3、結語

  引起膜污染的主要因素是污泥，污泥濃度過多或者過少都會使膜產生污染。在膜生物反應器運行中，存在一系列最佳值，如經濟曝氣強度、經濟曝氣量、臨界污泥濃度等。在這一系列最佳值的狀態下運行，膜生物反應器能達到最佳的處理效果，并且能降低膜污染的程度，延長膜的清洗周期和膜的更換時間，從而降低了膜生物反應器的能耗，降低了成本。但應該指出的是，在實際運行過程中，很難使以上各種運行參數都處于最佳狀態。

  從微生物角度對膜污染進行研究將逐漸成為研究的熱點，胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物產物(SMP)對膜污染有重要影響，可以通過調節固體停留時間 (SRT)、水力停留時間(HRT)、負荷來控制微生物特性，進而緩解膜污染。絲狀菌過多或者過少都會對膜產生污染，引起泥餅層的形成和膜孔的堵塞;同時絲狀菌過多，引起污泥膨脹，會使胞外聚合物大量繁殖，也會對膜污染造成影響。

  在今后的研究中應該更加注重對于膜污染控制的研究，在理解污染機理的基礎上對膜污染進行防治，最大程度上降低膜生物反應器的成本。

  轉自中國膜技術網