膜生物反应器与传统的生物处理方法相比，是目前最有前途的废水处理新技术之一。但是在使用过程中阻碍其发展的主要问题是较高的运行费用。运行费用主要来自于膜更换频率、膜价格和能耗需求三个方面，这一问题如不能得到有效解决，将直接限制其在实际工程中的应用。具体应从以下几个方面应对。

5.2.4.1提升膜材料和膜组件

目前，膜材料方面的研究主要集中在应用表面工程技术使膜表面性质改变，旨在减轻膜污染、调整亲疏水性、提高生物兼容性、扩展生化性能、模拟生物膜、构筑纳米结构等。寿命长、强度好、抗污染、价格低的膜材料使得膜组件朝着处理能力大、能耗低的方向发展。

微孔聚丙烯膜(MPPMs)因其较强的疏水性，容易发生严重的膜污染，使其在水处理中的应用受到限制。改性后的微孔聚丙烯膜改进了膜表面的亲水性、抗污染性以及抗菌性。改性方法有紫外诱导移植法、等离子体技术等，其中后者是膜改性中相对简单的方法，但是由此产生的表面侵蚀和改性不稳定性是目前存在的缺点。在常压下，介质阻挡放电等离子体预处理与界面交联技术相结合的方法简单有效，可使MPPMs改性成为具有高亲水性、抗菌性和表面带电的膜；采用相转化法，用Al₂O₃纳米颗粒对PVDF膜表面进行改性。Al₂O₃纳米颗粒的添加没有改变PVDF膜的本质属性，但其表面亲水性和机械强度显著增强，同时滤出量增大。

除了对膜材料改性，不少研究学者还对膜的表面形态和微观结构进行了研究，制备新型的表面具有不同微结构和粗糙表面的膜。具有微结构的膜其有效膜面积增大，膜通量增大；有粗糙表面的膜具有更好的抗污染性能。

因此增强膜的亲水性、增大膜表面粗糙度和增加膜表面的有效面积均有利于提高膜通量，缓解膜污染。

5.2.4.2膜污染控制

膜污染控制既可以在反应器规模上通过合理的曝气、在线清洗等方式达到高通量、低能耗、使用寿命长的目的，又可以在分子水平上通过减少微生物的附着以减轻生物膜污染。此外，将MBR与其他工艺进行组合，例如在MBR中接种好氧颗粒污泥建立颗粒污泥膜生物反应(GMBR)，将好氧颗粒污泥技术与膜技术有机结合，一定程度上可以解决膜污染严重的问题。

(1)优化反应器结构控制膜污染对传统MBR的反应器结构进行优化设计，利用生物反应器中曝气产生的升流区和降流区的密度差而形成气升循环流动，既可有效控制膜污染同时又可降低运行能耗。例如在气升循环分置式MBR中，由于利用膜池压缩空气提供循环动力省略了机械循环动力装置，与传统的分置式MBR相比，其能耗可降低到0.6~0.8kW·h/m³；对于一种气升式外循环陶瓷管MBR工艺，由于气升外循环的引入，使得升气管内产生气/液两相流的上升流，通过陶瓷膜管时改变了膜面流体的运动状态，降低了膜面污染，在很大程度上提高了膜的渗透通量。

(2)曝气控制膜污染在MBR中利用曝气缓解膜污染的研究至今已有20多年，最新的研究热点主要体现在优化曝气的频率、气泡的大小、曝气的方式等。气泡的大小对剪切力的影响研究结果表明，较大而且均一不合并的气泡能在膜表面产生很大的剪切力；采用活塞流气泡的曝气方式对膜表面进行冲刷，活塞流气泡流速比一般气泡高，能破坏膜表面之间的边界层，减少浓差极化，增强紊流区，同时由于不需要持续曝气，耗能也比一般的连续微孔曝气方式低。采用活塞流间歇曝气方式是目前MBR曝气发展的新方向。

(3)分子水平控制膜污染膜污染的成分中有很大比例是生物膜和微生物胞外聚合物，利用微生物产生的酶降解污染物是目前比较新颖的研究方向，研究表明今后可以利用酶反应去除MBR中的生物膜污染。然而由于在反应器内酶的活性不能维持很长时间，因此不论是投加游离酶还是用这种酶对膜表面进行改性，并不能达到长期缓解生物膜污染的效果。采用磁性载体固定化酶或者强化膜表面改性，可延长酶的活性，从而极大减轻生物膜污染，而且膜应用的范围从MF和UF膜推广到NF膜。未来的研究课题是如何大规模生产这种酶或者构建一个生产这些酶的微生物反应器与MBR混合液长期循环接触。

在控制料液性质方面，如投加适量的吸附剂如PAC或者沸石，能吸附一些与膜相互作用的溶质，使膜生物反应器延长运行周期并减缓膜污染的发生。此外投加混凝剂可有效减缓初始膜污染和膜污染速率，相比较而言，铁盐(如PFS)比铝盐投加效果更加显著。文献报道在系统中缺少氮磷时，导致丝状菌相对增加，丝状菌将污染物牢牢地缠绕、固定在膜表面，加强了膜表面污染物抵御曝气的水力冲刷作用的能力，加速了膜的污染，因此应控制进水料液的氮、磷浓度，防止丝状菌膨胀。无机盐Ca ²⁺和Mg ²⁺等对膜也存在堵塞作用，所。以对进水进行化学沉淀处理，即调pH使成碱性，从而使Ca ²⁺²⁺和Mg ²⁺以氢氧化物的形式去除。

(4)加强膜面清洗方面，可以用气-水反冲洗系统、反洗加药系统、化学清洗系统等几种形式。此外近几年有研究把超声引入MBR中，利用超声波在水中产生的机械振动和微湍流现象使污染物质从膜表面脱离、控制浓差极化的发展。

(5)其他膜污染控制技术在污染颗粒粒径一定的情况下，减小膜管的抽吸压力，减小主腔宽度，合理控制管内的膜压力可极大减少膜外污染或者消除膜污染，增加污染颗粒粒径，减少胶体对膜管壁的吸引力，是化学方法解决膜污染的途径；通过施加电场，使污染物与膜表面具有同种电荷，使得污染物难于附着在膜表面，另一方面，电场可以改变膜孔径的大小，清洗时电场的作用使膜孔径变大，污染物易脱落，电场不起作用时膜孔恢复到原来状态；采用错流过滤，滤液沿膜面流动防止了颗粒在膜表面的沉积。而且错流过滤产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜表面被截留物质向流体主体的反向运动，从而提高过滤速度，错流强化了边界层的传质过程。

①气水反冲洗系统。采用气水联合反冲洗较单独气或水反冲洗效果好，能够大幅度地清除沉积在膜表面的泥饼层，进而恢复膜通量，并且不会因气-水联合反冲洗影响反应器对废水的处理效果。

②反洗加药系统(CEB系统)。结合有机物污染通过碱洗效果明显、盐结垢通过酸洗效果明显的原理，将化学加强反洗程序引入到MBR膜的运行过程中。通过类似于低强度的化学清洗操作，将MBR膜污染消除在刚形成的阶段，阻止膜污染得不到及时恢复形成协同恶化的效应。推荐的化学加强反洗化学药剂及加药浓度见表5-7。MBR反洗加药系统见图5-8。

表5-7 推荐的化学加强反洗化学药剂及加药浓度

图5-8 MBR反洗加药系统

③化学清洗系统。过滤进行较长时间后，膜会受到一定程度的污染，为了去除污染和污堵膜的物质而进行化学清洗。化学清洗的频率和操作条件与进水的水质有关。通常情况下运行1～3个月或在相同的运行条件下透过膜的压差比初期的上升0.5bar以上时就应该进行化学清洗。由于在膜污染较轻时化学清洗更为有效，所以及时定期进行化学清洗将使得系统的运行更为稳定。推荐的化学清洗药剂见表5-8所示。化学清洗系统见图5-9。

表5-8 推荐的化学清洗药剂

图5-9 化学清洗系统

化学清洗系统具体步骤如下：

a.确认V1阀关闭，化学清洗泵停止；

b.根据表5-7中化学药剂浓度准备相应的化学药剂；

c.停止过滤系统运行；

d.启动化学清洗泵，开启V2阀，循环化学药剂；

e.打开V1阀，关闭V2阀，向受污染的膜组件注入化学药剂；

f.确定化学药剂标准进水量(例如每一支膜元件6.5L)；

g.当确认清洗槽中的清洗药剂需要添加的时候，停止化学清洗泵；

h.放置一定的时间，具体时间根据表5-8中所示数据定；

i.关闭V1阀，打开反洗泵与反洗阀，进行反洗操作；

j.重新开始正常的过滤运行。

5.2.4.3MBR的经济性

需加强对MBR经济性的研究(如能耗、清洗费用、劳动力成本等)。目前，常规分离式MBR运行能耗为3～4kW·h/m，高于活性污泥法的0.3～0.4kW.h/m³。但研究表明，通过改进膜组件形式和工艺条件可降低能耗，如浸没式MBR的出现，就在解决能耗问题方面前进了一大步，其运行能耗为0.6～2.0kW·h/m³。可见浸没式MBR能耗已有明显降低，但仍高于传统的活性污泥工艺，通过研发更为高效的反应器和膜组件，发展新型气水错流技术，进一步降低能耗，才能使MBR技术更具竞争力。

5.2.4.4膜组件的标准化

为进一步降低膜的成本费用，提高MBR工艺的经济性和竞争力，有必要对MBR的膜组件进行标准化设计。

相关链接：膜生物反应器的运行控制参数对运行效果的影响

文章来源：《水处理新技术、新工艺与设备》

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