杨燕
(上海同济水处理技术开发有限公司，上海200092)
摘要：膜生物反应器( MBR)具有高效、出水水质好的特点，在生活污水和工业废水处理中得到应用，但膜污染是MBR广泛应用的主要障碍。通过向膜生物反应器巾投加添加剂，人为改善反应器中活性污泥混合液的性质，从而减缓膜污染进程成为一种新兴的膜污染控制技术…总结近年来对添加剂减缓膜生物反应器巾膜污染的效果和机制的研究，以期找到更有效、廉价的减缓膜污染添加剂。
关键词：膜生物反应器；膜污染；添加剂
中图分类号：X703 文章编号：1004-4655( 2016) 02-0099-04
1概述
膜生物反应器( Membrane Bioreactor, MBR)是将膜分离技术和生物反应器结合而成的水处理工艺。它用膜分离装置取代传统活性污泥法中二次沉淀池，实现对活性污泥、悬浮颗粒物和游离细菌的完全截留。体现传统生物处理工艺无法比拟的优越性，包括：设备和基建成本小，出水质量高，除菌效果好，体积负荷率高以及污泥产量少等。然而，在MBR的运行过程中，混合液的大分子物质和活性污泥颗粒会沉积在膜的表面和内部，导致膜污染，降低膜通量，缩短膜的使用寿命。膜污染是MBR技术的主要缺点和难题，至今仍是研究与应用的核心问题。
一般认为，膜污染的主要组分来源于生物污泥上清液，膜污染的主要物质是细菌细胞所产生的溶解性微生物代谢产物( Soluble Microbial ProduCt,SMP)中的碳水化合物组分[Soluble Microbial Product (carbohydrate)，SMP，]，有研究表明，相对分子量>1 000的有机污染物是造成膜污染的主要因素。此外，MBR中微生物的胞外聚合物( Extracellular Polymeric Substances, EPS)的含量、MBR膜的性质如膜材料、膜孔径亲疏水性等都是影响膜污染的重要因素。
在实际应用中，控制膜污染的方法通常有以下5个方面：对进水进行适当的预处理；采用合理的物理或化学清洗方案；降低通量；增加曝气量；采用化学或生化方法调控混合液。其中，投加添加剂调控混合液减缓膜污染是一条重要且可行的途径。MBR的工艺流程图见图1。
2添加剂种类、效果及机制
目前，调控MBR混合液所投加的添加剂主要分为填料与吸附剂类和混凝／絮凝剂两大类。
2.1填料与吸附剂
填料与吸附剂的主要机制是物理吸附、载体等。投加填料，可以强化水力条件，利用填料对膜表面的摩擦，去除膜表面的污泥层。吸附剂可作为微生物载体，为微生物生长提供固体基质，减少絮体的破坏，使部分悬浮生长的微生物转为附着生长，降低沉积在膜表面的微生物及其代谢产物数量。
李绍峰等对比投加聚丙烯半软性填料的浸没式MBR和普通浸没式MBR处理生活污水发现，两个膜生物反应器跨膜压差( TransmembranePressure, TMP)随着运行时间的变化规律基本一致，但投加填料改变生物相的种类数量分配，吸附到膜表面的污泥量与胞外聚合物也下降，延长膜清洗周期。孙选举等用柔性多孔颗粒为填料组成的复合式膜生物反应器处理涤纶碱减量废水时发现，在相同条件下，投加填料的MBR最终跨膜压差比普通MBR小28.3 k Pa，高通量运行时，相同压差投加颗粒填料的MBR通量更大。
罗虹等在MBR处理生活污水的试验中投加粉末活性炭，出水水质好，减少膜阻力，提高膜通量。李绍峰等向MBR反应器中投加粉末活性炭，结果表明膜组件清洗周期延长，且投加粉末活性炭的反应器中ESP含量、SMP浓度和污泥比阻均低于普通MBR。定量投加粉末活性炭还可以形成生物活性炭( Biologically Activated Carbon，BAC)，吸附和降解溶解性有机物。张凤君等研究发现，粉末活性炭的投加使得反应器中EPS含量和黏度均小于未投加粉末活性炭的反应器。对分置式和浸没式粉末活性炭-MBR复合工艺对比发现，BAC还有效降低SMP和EPS的含量。
赵玉华等考察发现，合适粒径的沸石自身构成污泥絮体骨架，改善污泥絮体结构，增强絮体强度，提高对偶氮染料废水的吸附能力。Lee等研究在MBR中投加铝盐和沸石粉末对膜过滤性能的影响，发现投加沸石粉末后膜通量明显增加。李洋洋等用投加沸石的MBR处理模拟染料废水，结果表明，试验条件下，投加沸石不但可以减小膜过滤阻力，还提高系统的脱色率。
2.2混凝／絮凝剂
目前应用于MBR中调控混合液减缓膜污染的混凝／絮凝剂大体分为四类：单体铝盐或铁盐，如氯化铁( FeCl3)、硫酸铝(Al2(SO4)3．nH2O)等；聚合盐，如聚合硫酸铁([Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m，PFS）等；天然高分子物质，如壳聚糖( Chitosan)等；合成高分子物质，如MPE50（NALCO，美国）等。
在以MBR为基础的试验中添加硫酸铝可显著降低SMP。浓度，同时改善滤膜的水力学性能。虽然氯化铁的成本较高，但投加氯化铁的效果比硫酸铝更好，最近一项研究实例表明定量投加铁盐既可控制不可逆污染的发生，又可控制悬浮液的黏度。在处理模拟印染废水的试验中，向膜生物反应器中投加氯化铁与氢氧化钠反应形成的氢氧化铁絮体，其出水COD、染料和氨氮浓度低于普通MBR，且生物铁MBR污泥所产生的膜阻力远小于普通MBR污泥。
聚合盐是常用的聚合金属盐类絮凝剂，与传统絮凝剂硫酸亚铁、硫酸铝等相比，具有良好的吸附架桥、电中和絮凝性能，形成絮体速度快、体积大、凝聚物紧密。在MBR长期运行试验中，最佳剂量下活性污泥比阻力．降低约85%，对于生物活性具有一定的抑制作用，且对混合液SMP的去除能力优于传统絮凝剂。
目前使用的天然高分子絮凝剂主要为壳聚糖，其兼有电性中和及吸附絮凝双重作用，对无机悬浮固体有很强的絮凝能力，不易产生絮凝恶化现象，能有效改善混合液性能。王刚等在MBR处理生活污水的试验中投加10 mg.L-1壳聚糖，结果表明，壳聚糖的投加降低混合液的黏度，增大污泥粒径，降低反应器中SMP的含量，从而降低膜污染速率。
美国NALCO公司开发一种基于阳离子聚合物的“膜性能增强剂”MPE50，该聚合物与溶解性有机物（特别是SMP c）之间的相互作用被认为是引起膜性能提高的主要原因。近期有学者对德国BASF公司开发的新型添加剂BASF-1和BASF-2进行比较测试，发现BASF-1具有与MPE50相似的效果，但其最佳投加量低于MPE50或将成为MBR中更有前途的添加剂。
2.3纳米材料
随着纳米技术发展，纳米材料对生物膜污染的研究也已经开始。富勒烯C60能抑制大肠杆菌呼吸活动和附着，同时富勒烯C60减少细菌的Zeta电位和增加细菌的疏水性。Zeta电位的减少和细菌疏水性的增强，正好是减缓膜污染的必要条件，所以富勒烯C60是优良的减缓膜污染添加剂，值得进一步研究。
近来，对银纳米粒子的抗微生物和防污效果进行研究。此外，铁、镁或氧化钛和铜纳米粒子在水处理及地下水土壤修复中也是热点之一，可作为MBR的添加剂减缓膜污染。
2.4添加剂对减缓膜污染机制总结
至此，表1对近年来一些文献中各种添加剂减缓膜污染效果及机制做个总结。
3添加剂的研发方向
目前使用的各种添加剂在一定程度上都能减缓膜污染速率，但也有各种缺陷：投加填料不利于排泥且容易将污泥絮体打碎，对膜生长产生不利影响；投加粉末活性炭、沸石等能降低沉积在膜表面微生物及其代谢产物数量，但存在再生难的问题；混凝／絮凝剂的投加会对反应器中微生物的活性产生不利影响，对环境产生二次污染；天然高分子絮凝剂长期运行中被逐渐分解，实际处理效果逐步减弱；合成高分子添加剂商业应用较少，选择性小且成本高昂。
虽然有着一些缺陷，但是随着MBR实际应用工程案例的增多，仍值得从以下方面深入研究通过添加剂控制膜污染的方法。
1)开发MBR膜污染快速发展时期的应急添加剂。在部分MBR应用较多的工业废水领域（如垃圾渗滤液、印染废水、石化废水等行业），由于水质复杂，水量波动大，极易导致污泥性状恶化。应急投加添加剂，可以快速控制膜污染，避免膜频繁离线清洗，增强MBR系统的稳定性和连贯性。加大应急添加剂的研发并尽快在实践中予以应用，是当前需要特别关注的。
2)研发MBR正常运行时的添加剂。MBR正常运行时投加适量添加剂，可以减少膜污染，增大膜通量，延缓膜清洗频率，延长膜寿命，在减少整体工程项目投资的同时还节约日常运行费用，是进一步推广应用MBR技术的有益补充。
3)深入研究膜污染的机制。根据膜污染的机制，有针对性地开发具备某些特殊属性的添加剂，从研发的源头人手，寻找能有效控制膜污染且成本低廉、无二次污染的新型材料添加剂，也是MBR膜污染领域的重要研究方向。
4)研究多种添加剂的组合使用。目前的研究与应用中，多是通过添加单一添加剂控制膜污染，下一步还可深入研究各种添加剂作用于污泥的效果，最终实现多种添加剂的组合使用，在减少药剂总使用量的前提下取得更佳效果。
5)开发适用于特定种类废水的专用MBR添加剂。不同行业废水水质千差万别，下一阶段还可基于废水、污泥混合液的不同属性研发专用添加剂，实现对MBR膜污染的定向控制。
4结语
MBR由于其处理出水效果好，污泥产率低、占地面积小等优点，已经越来越多的在国内外污水处理厂中得到应用，所以膜污染的有效控制对MBR的应用有着重要意义。通过向膜生物反应器中投加添加剂，人为改善MBR中活性污泥混合液的性质，减缓膜污染进程，有效控制膜污染，值得进一步深入研究。
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