2.2.7　膜生物反应器

膜生物反应器（MBR）是高效膜分离技术和传统活性污泥法的结合，几乎能将所有的微生物截留在生物反应器中，这使反应器中的生物污泥浓度提高，理论上污泥泥龄可以无限长，使出水的有机污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，对难降解的工业废水也非常有效。

目前，膜工艺被广泛用于城市用水的净化以及生活污水和工业废水的处理。膜工艺与传统生物处理工艺相比具有出水水质好、占地面积小、维修简便和操作灵活等特点。这些工艺的发展动力源于日益严格的环境标准对小型、高效的水处理工艺的需求，用于废水处理的膜反应器是其中一项很有发展前景的工艺。该工艺通过膜技术来强化生物反应器的功能。

2.2.7.1　膜生物反应器的历史

膜与生物处理工艺结合的膜生物反应器研究迄今已有40年了，其商业应用也有30年的历史。

1969年，美国的Smith首次报道了美国Dorr-Oliver公司把活性污泥和超滤工艺结合处理城市污水的方法。该工艺最引人瞩目的地方是用膜分离技术代替了常规的活性污泥二沉池，用膜分离技术作为处理单元中富集生物的手段，而不是采用常规的回流循环来增加曝气池中微生物的浓度。它是用一个外部循环的板框式组件来实现膜过滤的，在生活污水的处理中获得了极佳的处理效果（出水BOD<1mg/L，COD 20～30mg/L），是常规好氧系统的23倍；膜通量为7.5L/（m²·h），COD去除率为98%。Dorr-Oliver公司在20世纪60年代还开发了另一种膜处理工艺MST（membrane sewage treatment）。在该系统中，污水进入悬浮生长的生物反应器中，并通过超滤膜组件的抽吸作用连续进水。膜组件为板框式，进出口压力分别为345kPa和172kPa，膜通量为16.9L/（m²·h）。尽管这些工艺取得了良好的出水水质，但由于当时膜技术发展相对落后，膜材料种类少，价格昂贵，使用寿命短，限制了该工艺的长期稳定运行，污水膜生物反应器仍然处于研究阶段。

1970年，美国的Dorr-Oliver公司和日本的Sanki Engineering有限责任公司达成协议，使得该工艺首次进入日本市场。20世纪80年代以后，随着膜制造技术的发展、膜分离工艺的完善、膜清洗方法的改进和污水厂出水水质要求的提高，MBR开始在污水处理行业得到应用。1989年，日本政府联合许多大公司共同投资进行了为期6年的“90年代水复兴计划”科研项目，其目的是寻求满足中长期水量需求、解决水污染问题和从污染物中获取能量。特别是开发一种膜技术与生物反应器相结合来处理工业和城市污水，省能省地，出水水质好，适用于污水回用的工艺。项目耗资118亿日元。Kubota作为其中的公司之一，研制了平板式浸没MBR。到1993年，已经报道有39套外置式MBR系统用于日本的卫生和工业领域。今天，日本已经有数家公司提供成套产品，应用于家庭污水处理和回用以及废水中COD较高的工业领域，例如饮料行业等。

20世纪70年代早期，美国密歇根州的Thetford系统公司（现为Zenon环境公司的一部分）推出了自己的外置式膜分离系统Cyclc-Let工艺用于住宅污水的处理。该系统采用两级污泥好氧-缺氧流程，外置管式超滤膜来处理污水，出水经过UV消毒后用于冲厕。1974～1982年间，Thetford系统公司共安装了27套Cyclc-Let工艺产品。1982年，Dorr-Oiliver公司应用膜厌氧反应器系统（MARS）来处理高浓度食品废水。该工艺采用外部循环超滤膜，总负荷8kg COD/（m³·d），COD去除率达到99%。与此同时，英国采用超滤膜和微滤膜研制了两套污水处理系统，其概念在南非得以进一步发展而形成厌氧消化超滤工艺（ADUF）。ADUF系统采用管式超滤聚砜膜，稳定状态膜通量为37.3L/（m²·h），固体浓度为50g TSS/L。1994年，Thetford系统公司与Zenon环境公司合并为Zenon市政系统公司。在20世纪80年代末和90年代初，Zenon环境公司继续了美国的Dorr-Oliver公司早期在工业污水领域的研究工作，研制成功Zenon-ZeeWeed第一系列工艺。特别是形成ZW-145（膜面积13.5m²）、ZW-150（膜面积13.9m²）、ZW-500（膜面积46m²）、12件组合ZW-150（膜面积可达63m²）、8件组合ZW-500（膜面积可达146m²）等系列产品，大大推动了MBR技术的市场化进程。

国内外MBR的研究大致可分为以下几个方面。

①探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化法、生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复合式工艺、两相厌氧工艺等。

②影响处理效果与膜污染的因素、机理及数学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性。

③扩大MBR的应用范围，MBR的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水（如食品废水、啤酒废水）与难降解工业废水（如石化废水、印染废水等），但以生活污水的处理为主。

另外，也有少数研究者采用硅橡胶膜生物反应器对废水中的挥发性有机化合物（VOCs）进行生物处理的传质动力学进行研究。

2.2.7.2　膜反应器工艺

（1）膜生物反应器的工艺特点

膜生物反应器工艺主要有以下特点：

①污染物去除效率高，不仅对悬浮物去除效率高，且可以去除细菌、病毒等，设备占地小；

②膜分离可使微生物完全截流在生物反应器内，实现反应器水力停留时间和污泥泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活、稳定；

③生物反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷；

④有益于增殖缓慢的微生物，如硝化细菌的截留和生长，系统硝化效率得以提高，同时可提高难降解有机物的降解效率；

⑤传质效率高，氧转化效率高达26%～60%；

⑥污泥产生量低；

⑦出水水质好，出水可直接回用；

⑧易于实现自动控制，操作管理方便。

（2）分类

水处理中的膜生物反应器由生物反应器与微滤、超滤、纳滤或反渗透膜系统组成，因而可分为微滤膜生物反应器、超滤膜生物反应器等。

据膜系统与生物反应器组合的方式和位置，膜生物反应器又可分为分置式（循环式）膜生物反应器和一体式（浸没式）膜生物反应器两种。

1）分置式膜生物反应器（RMBR）　生化后反应器中的废水经加压泵送入膜组件，透过液可回用于市政等；浓缩液再返回反应器，进一步生化降解或部分经循环泵加压后再返回膜组件中。

分置式膜生物反应器的特点是膜组件自成体系，运行稳定可靠，膜通量较大，有易于清洗、更换及增设等优点。但泵的高速旋转产生的剪切力对某些微生物细菌体会产生失活现象，而且一般条件下为减少污染物在膜表面的沉积，由循环泵提供的水流流速都很高，为此动力消耗较大。

2）一体式膜生物反应器（SMBR）　膜组件直接浸泡于反应器中，反应器下方有曝气装置，使空压机送来的空气形成上浮的微气泡，在曝气的同时，又使膜表面产生剪切应力，利于膜表面除污，透过液在抽吸泵的负压下流出膜组件。

一体式膜生物反应器不使用循环泵，可避免微生物菌体受到剪切力而失活。其最大特点是运行动力费用低，但其膜通量相对较低，易发生膜污染。通常膜部分的拆洗、清洗较困难，不过中空纤维式膜组件由于体积小、组装灵活，可分组设置成若干框架结构，便于从曝气池中拿出，克服了不易拆装、清洗的缺点。

（3）膜生物反应器运行的影响因素

膜生物反应器由膜分离单元与生物处理单元组成，因此影响其稳定运行的因素不但包括常规生物动力学参数（如容积负荷、污泥浓度、污泥负荷等），还包括膜分离的相关参数、膜的固有性质（如膜材料、膜孔径、荷电性等）、滤液的性质、操作方式、反应器的水利条件等。其中生物动力学参数主要影响MBR的处理效果，膜分离参数主要影响MBR的处理能力。

1）影响MBR稳定运行的生物动力学参数

①有机负荷。研究表明：好氧MBR出水受容积负荷与水力停留时间（HRT）的影响较小，而厌氧MBR出水受冲击负荷与BRT的影响较大。李红兵用MBR处理生活污水，在水力停留时间为1.5h、5.8h，COD容积负荷在高负荷［5.76kg/（m³·d）］与稳态运行条件下［0.8～1kg/（m³·d）］，处理效果基本相同，系统对COD去除率都达到90%以上。吴志超采用好氧MBR处理巴西基酸生产废水发现：COD容积负荷分别为1.2kg/（m³·d）、2.4kg/（m³·d）、4.8kg/（m³·d）时，出水COD浓度变化不大，且HRT对出水水质无明显的影响。而何义亮用厌氧MBR处理高浓度食品废水却发现：当COD容积负荷从2kg/（m³·d）升高到4.5kg/（m³·d），COD去除率从90%下降至70%。且HRT对处理效果有重要影响，对这些研究的比较发现：在好氧MBR中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化，而在厌氧MBR中，污泥浓度升高缓慢，因此厌氧MBR出水水质易受容积负荷的影响。

李红兵、顾平对MBR处理生活污水的研究表明：冲击负荷对有机物的去除没有显著的影响，但NH₃-N受冲击负荷影响明显，出水NH₃-N的恶化程度与冲击负荷的大小成正比。这一现象可能是由于膜的拦截作用对NH₃-N的去除并无贡献。因此，MBR对氮的去除效果易受生物反应器处理效果的影响。顾平的研究还发现：在冲击负荷条件下，膜通量衰减幅度是正常COD负荷的数十倍。通过分析冲击负荷期间进水COD和MLSS间的关系，发现反应器内MLSS的变化规律与最大膜通量的降低有类似之处，COD冲击负荷使反应器内活性污泥浓度迅速增加，混合液的黏度增加，从而使液-固分离困难；同对，处于增长期的污泥活性高，有大量细胞外聚合物存在，增加了膜过滤阻力，导致膜最大出水量降低。

②污泥浓度。污泥浓度是MBR系统的重要参数，不仅影响有机物的去除能力，还对膜通量产生影响。许多研究都表明污泥浓度与溶解性生物产物是影响膜通量的重要参数。这些研究成果表明：一定条件下污泥浓度越高，膜通量越低。顾平在一体式MBR处理生活污水的研究中却发现：当曝气强度足够大（气水比近似100∶1）、MLSS由10g/L变化到35g/L时，MLSS与膜通量没有明显的相关性；但如果降低曝气强度，MLSS对膜通量可能产生一定的影响。

污泥浓度对膜通量的影响程度与曝气强度、膜面循环流速、水力学条件等密切相关。桂萍应用正交试验的方法对一体式MBR中膜污染速度与污泥浓度、曝气量和膜通量的关系进行考察，研究结果表明：不同污泥浓度均存在一个污泥在膜表面大量沉积的临界膜通量，当膜通量小于临界通量时，膜污染主要由溶解性有机物在膜面的沉积引起；当膜通量大于临界膜通量时，膜污染主要由悬浮污泥在膜面的沉积引起；在污泥浓度较低时，曝气强度对膜的污染影响不大，在中、高污泥浓度条件下，增加曝气强度有利于减缓膜污染。临界膜通量J与污泥浓度MLSS和曝气强度Q_A有如下关系：

Q_A/J=8.34e^0.07MLSS　　（2-5）

但该试验中各变量的取值范围较窄。刘锐在桂萍试验的基础上，采用均匀设计法，扩大各变量的取值范围，以膜过滤阻力上升速率K作为膜污染发展速度的表征指数，建立了膜污染发展速度模型：

K=8.933×10⁷ΔP×MLSS^0.532J^0.376　　（2-6）

由该模型知膜过滤阻力上升速率K随膜通量J与污泥浓度MLSS的增加而增加，随膜间液体上升流速U_lr的增加而减小。

2）膜操作参数　在保证出水水质的前提下，膜通量应尽可能大，这样可减少膜的使用面积、降低基建费用与运行费用。因此，控制膜污染、保持较高的膜通量，是膜生物反应器的重要研究内容。

①膜通量或操作压力。膜生物反应器有两种操作模式：一种是恒定膜通量变操作压力运行；另一种是恒定操作压力变膜通量运行。

当采用恒定膜通量的操作方式时，膜通量的选择对于膜的长期稳定运行至关重要。对于某一特定的膜生物反应器系统，存在临界的膜通量，当实际采用的膜通量大于该临界值时，膜污染加重，膜清洗周期大大缩短。Kwon和Vigneswaran明确提出了临界膜通量的概念。

Ⅰ.狭义临界通量被定义为使粒子开始在膜表面沉积的膜通量。当膜通量低于此临界值时，无粒子沉积。

Ⅱ.广义临界通量是使膜过滤阻力不随时间明显升高的最大膜通量。此定义以膜过滤阻力随时间发生明显升高为准则，因此即使发生粒子在膜表面的沉积，但只要膜过滤阻力随时间不发生明显变化，则认为该通量仍小于临界值。

临界膜通量的概念近年来得到了广泛的关注，许多学者的研究证明了只有把膜通量选择在临界值之下，才能延长膜的运行周期，否则，膜会因迅速发生污染而停止运行。例如，Defrance和Jaffrin（1999）发现：当实际采用的膜通量低于临界膜通量时，膜过滤压力保持平衡且膜污染可逆；反之，膜过滤压力迅速上升而不能趋于稳定，膜污染的可逆性显著下降。膜污染向不可逆方向发展的主要原因之一是在膜过滤时浓差极化层转化成致密的滤饼层；另外，膜通量增加后膜面污染层的结构发生改变，最终也将造成污泥层和凝胶层的阻力显著增大。如果实际采用的膜通量低于临界膜通量，曝气量的提高可以显著去除污泥层，否则，曝气量的提高对污泥的去除作用不大。临界膜通量随膜面错流流速的增加而呈线性增长。

同样，当采用恒定操作压力变膜通量运行时，存在一个临界的操作压力，在高于临界操作压力的条件下运行会导致膜迅速污染。临界操作压力随着膜孔径的增加而减小。

②膜面错流流速。提高膜表面的水流紊动程度可以有效减少颗粒物质在膜面的沉积，减缓膜污染。但是，膜面错流流速并非越大越好，当膜面错流流速达到一个临界值后，其进一步增加将不会对膜的过滤性能有明显改善；而且，过大的膜面流速还有可能因打碎活性污泥絮体而使污泥粒径减小，上清液中溶解性物质的浓度增加，从而加剧膜污染。

③温度。温度对膜的过滤分离过程也有影响。Magara和Itdi在不同温度下进行活性污泥的过滤试验，发现在试验范围内，温度每升高1℃可引起膜通透量增加2%，他认为这是由温度变化引起料液黏度的变化所致。也有研究表明，提高温度不仅降低了混合液的黏度，还改变了膜面上污泥层的厚度和孔径，从而改变了膜的通透性能。

④操作方式。针对一体式膜生物反应器，Yamamoto提出间歇抽吸的操作方式，这种操作方式可以有效减缓膜污染的发展速度。桂萍进一步通过试验指出，出水泵开15min停5min能最经济有效地控制膜污染。

阶段启动也有利于减缓膜的不可逆污染。Chen发现，逐步提高膜通量到设定值要比直接应用该通量时的膜操作压力要低得多。

Defrance和Jaffrin对恒定膜通量运行和恒定操作压力两种情况进行了比较，认为釆用恒定膜通量的操作方式在运行初期能够避免膜面过度污染，更有利于膜的长期稳定运行。

2.2.7.3　膜生物反应器在污水处理中的应用

（1）生活污水处理

与传统生物处理工艺相比，膜生物反应器具有良好的污染物去除效果与较低的污泥产率。

表2-18为膜生物反应器与常规生物法反应器的比较。

生活污水经MBR处理后，COD、BOD、浊度都很低，大部分细菌、病毒被截留，出水水质已达到建设部《生活杂用水水质标准》（CJ 25.1—89），可直接作为建筑中水回用及城市园林绿化、清洁、消防、洗车等用。

（2）粪便污水处理

1）粪便污水　国外把粪便污水又称为黑水（black water），与黑水相对的另一概念是灰水。国外的黑水定义有两种：一种定义为含有粪便物质的生活污水；另一种定义为厕所污水，包括冲厕水和人类营养物溶液（anthropogenic nutrient solutions，ANS）。粪便（night soil）是指不含或含少量冲厕水的黑水。本书叙述中的粪便污水包括含有冲厕水的黑水和不含冲厕水的黑水即粪便。

黑水含有较高的COD、N、P等物质（是生活污水中80%～90% N、P和50%～57%的有机物质来源）和病原菌，而粪便中的有机物和营养物质浓度更高，见表2-19。

长期以来，粪便污水的处理方式以输送到污水处理厂或粪便处理厂集中处理为主。处理难度大，费用高。因此，解决粪便污水的就地处理问题已提上日程，与之相关的粪便和粪便污水处理的研究、开发与应用也得到不断发展。

粪便污水处理技术可分为两类：一类是以厌氧处理为主的技术，这种处理技术把粪便污水作为可回收资源，生物降解不完全，氮、磷去除少，粪便污水无害化后的产物作为肥料；另一类技术包括好氧、厌氧或厌氧和好氧混合工艺，它将粪便污水经过生物降解去除有机物和氮、磷等营养物质，使出水达到排放或回用标准。

2）MBR处理粪便污水技术　MBR处理粪便污水的典型工艺流程有5种。

①高效生物反硝化-超滤。根据小反应池位置不同有两种工艺。粪便的前处理用粗网和细网去除纤维和粗大固体颗粒。生物反硝化单元包括两个反应池，主反应池中用来去除大部分BOD₅和N，并加入甲醇加强除氮功能；小反应池利用反硝化菌的内源呼吸进一步去除N。好氧和厌氧段由计算机根据氧化-还原电位（oxidation reduction potential，ORP）、溶解氧（DO）情况调节供氧量。处理水的深度处理包括凝聚超滤、活性炭吸附和消毒。

②高负荷反硝化-超滤。污水经粉碎、絮凝-筛网后经过生物反应池。与高效生物反硝化-超滤流程不同，生物反应池只有1个，采用间歇曝气式除去总氮，生物处理出水经深度处理后排放。

③高负荷活性污泥-超滤。日本静冈的粪便处理厂采用高负荷活性污泥-超滤的MBR处理粪便和化粪池的污泥，处理量是160m³/d，污水中含BOD和TN分别是1199kg/d和356kg/d。生物反应分为两个阶段：第一阶段生物反应包括厌氧/好氧两个反应池，污水经格栅前处理，进入第一阶段生物反应器，处理出水经膜过滤，膜过滤液进入第二阶段生物反应器，浓缩液回到第一阶段的厌氧反应器；第二阶段反应池处理第一阶段反应的膜过滤液和厂中的低浓度污水，第二阶段处理出水经包括凝聚超滤、活性炭吸附和消毒的深度处理，系统中产生的污泥经脱水后焚烧。

④活性污泥-超滤。上述3种工艺流程均是日本粪便污水处理厂的工程实例，活性污泥-超滤MBR是国内河海大学实验规模的工艺流程。粪便污水经稀释后储存在调节池中，然后气提至曝气池，再进入浸没式MBR。粪便污水中有机污染物被微生物降低，处理水由负压抽吸经膜过滤后出水。

⑤高效沼气发酵-超滤。处理量为0.5m³/d，粪便经筛网过滤处理，一部分进入沼气发酵反应器，另一部分经过膜分离。分离浓缩液进入沼气发酵反应器，透过液与沼气发酵反应器的超滤出水进入UASB沼气发酵反应器，反应后的混合液进入沉淀池进行泥水分离，澄清水排出系统，该工艺的前半部分可看作是MBR法。

以上5种流程是采用MBR处理粪便污水的典型工艺，前4种处理工艺是工程实例，后1种是试验工艺。

与膜结合处理粪便污水的生物技术依据硝化与反硝化是否在同一个反应池内进行可分为间歇曝气和A/O形式。目前，大部分工艺都采用间歇曝气或A/O工艺去除氮，可外加碳源如甲醛、甲烷、甲醇等促进反硝化。

3）MBR处理粪便污水的效果　处理粪便污水有很大的优势：由于污泥浓度高，一般在15g/L左右，所以食物/微生物比（F/M）很小，BOD污泥负荷一般为0.1～0.2kg/（kg·d），TN污泥负荷一般为0.05kg/（kg·d）；容积负荷相对较大，BOD容积负荷为1.5～3.0kg/（m³·d）；TN容积负荷为0.6～1kg/（m³·d）；MBR内污泥浓度高，MBR的HRT和SRT可以独立控制，一般HRT可以控制在4h左右的较短时间内而不影响处理效果。MBR处理粪便污水时污泥浓度高、容积负荷大，生物降解及膜分离单元的水力循环使生物反应器能维持在一定温度，一般在36℃左右，这有利于生化降解效率的提高。MBR处理粪便污水的操作参数和处理效果见表2-20和表2-21。

由于传统的固液分离技术分离效果不稳定，从而导致出水水质恶化。采用膜分离技术后，由于不受污泥浓度和沉降性能的影响，膜可以截留微生物、悬浮物质和蛋白质等大分子有机物，致使出水悬浮物和有机物浓度低、浊度小，保证了出水水质。表2-21中列出的数据说明了MBR处理粪便污水出水水质优于其他传统技术。

比较处理工艺1、2、3、4的UF1出水与工艺5、6的出水不难看出：MBR处理高浓度的粪便污水采用间歇曝气或A/O工艺的处理效果优于连续曝气的好氧处理，采用厌氧处理的出水水质最差。

据报道，MBR在处理粪便污水时出水中大肠杆菌超标。还有报道认为，粪便中含有大量的难降解BOD₅成分（大部分为颜色物质），预计COD_Cr最大去除率为80%～85%。由表2-21看出，仅靠MBR一级处理的出水水质较差，需加上深度处理出水才能排放或回用。深度处理一般包括絮凝-超滤、活性炭柱吸附、消毒（氯消毒、臭氧和紫外消毒）。絮凝-超滤的作用是去除磷、难降解COD、颜色物质和胶体物质。絮凝剂一般选用聚合氯化铝、氯化铁或其他有机絮凝剂。工艺中活性炭柱的作用是去除痕量的COD和颜色成分。消毒能保证出水中不含病原菌。

2.2.7.4　工艺系统设计

设计基本原则：对一定的污水或废水，在MBR设计中，通常据物料特性和工艺要求，确定反应器类型和结构，确定最佳工艺、操作条件和工艺控制方式，确定反应器大小和结构参数等。

（1）膜孔径的选择

曝气池中活性污泥由聚集的微生物颗粒构成，其中一部分污染物被微生物分解或黏附在微生物絮体和胶质状的有机物质表面。尽管微生物颗粒的直径取决于污泥的浓度、混合状态以及温度条件，但仍有一定的分布规律。普通颗粒直径在接近10μm处有个高峰，而一般小颗粒的直径大于0.2μm。Masaru Uehara认为应用MBR处理污水在选择膜孔径时，应考虑到活性污泥的状态与水通量，通常选择0.1～0.4μm孔径的膜。高从皆认为，膜的孔径在0.01～0.1μm为好，优选孔径分布窄、单皮层非对称膜以耐污染和易清洗；膜纯水渗透性在4～40L/（m²·kPa）；据实际需求，运行中膜通量能保持在20～200L/（m²·h）。

（2）膜表面亲、疏水性的选择

目前，几乎所有的膜技术都依赖于有机高分子化合物。应用于MBR的膜材料不仅要有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性，同时最好为亲水性的膜，以提高水通量和抗污染能力，常用的方法是进行膜材料改性或膜表面改性。目前在日本，一些有机膜材料如聚乙烯、聚砜都经改性而具有稳定的亲水性。日本Mitsubishi Rayon公司的研究证实，中空纤维膜组件应用于污水处理时，亲水性的膜组件抗污染能力远远超出疏水性的膜组件。

（3）MBR抽吸过滤的压力选择

MBR出水采用抽吸过滤的压力是一个关键性的技术指标，压力过高会导致膜破裂；压力过低则出水通量达不到。T.YAhashi通过试验证实了最好使压力<0.1MPa，在这种压力下膜不会受到损伤，同时能有效减缓由于压力过滤而导致污染物层加厚带来的膜清洗困难。一般情况下操作压力在0.1～0.3MPa。

对于一体式MBR，浸泡的膜组件在负压下工作，曝气之后控制在1m³/（m²膜面积·h）左右。

（4）膜面流速与浓差极化和凝胶层形成

膜面流速取决于膜组器的型式和MBR的类型，对浸泡式MBR，取决于曝气强度等；对RMBR，为消除浓差极化和凝胶层形成，内压式中空纤维组件膜面流速通常应在1.5m/s以上，这与进料的黏度和MLSS有关；对高黏度的进料应选择管式膜组件，膜面流速通常应在3m/s左右。

（5）MBR膜组件的设计

MBR中膜组件的设计宗旨是考虑如何使膜抗堵塞，从而维持较长的使用寿命。现在日本采用最多的型式是以中空纤维膜制成膜块和膜堆，整齐排列并浸没在污水中和集水管相连，通过抽吸作用出水。这种型式可以有效地防止膜内部的阻塞。

2.2.7.5　膜污染与清洗

（1）膜污染

膜工艺的一大缺点是膜在运行一段时间以后会因为膜受到污染而导致膜通量降低，如何减缓膜污染进程从而维持膜通量，是应用膜工艺时所面临的一大挑战。

1）膜污染概念　膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或者溶质大分子，由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜面上沉淀与积累或膜孔内吸附造成膜孔径变小或堵塞，使水通透膜的阻力增加，妨碍了膜面上的溶解与扩散，从而导致膜产生通透流量与分离特性的不可逆变化现象。广义的膜污染不仅包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的污染（不可逆污染），而且包括由于可逆的浓差极化导致凝胶层的形成（可逆污染），两者共同造成运行过程中膜通量的衰竭。水力清洗着重去除可逆污染物（凝胶层）及部分不可逆污染物（膜面污染物）。归结起来，浓差极化作用、凝胶层的形成和微生物的滋生是使膜分离过程的运行阻力增加、通量降低的主要因素，并且浓差极化会加剧膜的污染。

2）无机污染　膜的无机污染主要是指碳酸钙与钙、钡、锶等硫酸盐及硅酸等结垢物质的污染，其中碳酸钙和硫酸钙最常见。在膜反应器中保持水的紊流态对防止膜的污染是重要的，碳酸钙垢是由化学沉降作用引起的、二氧化硅胶体富集作用决定的。有机污染膜的特性，如表面电荷、憎水性、粗糙度，对膜的有机吸附污染及阻塞有重大影响。国外学者研究了细胞外聚合物的变化、溶解性有机物质的积累、上清液对膜分离的影响，发现细胞外聚合物、溶解性有机物及细微胶体对形成凝胶层、导致水通量下降有重要影响。无机膜-生物反应器处理啤酒废水时出现的膜污染现象，也主要是由于微生物代谢产生的多糖类黏性物质和一些胶体在膜内表面形成一层凝胶层，增加了过滤阻力。

3）微生物污染　微生物污染主要是由微生物及其代谢产物组成的黏泥。膜表面易吸附腐殖质、聚糖脂、微生物进行新陈代谢活动的产物等大分子物质，具备了微生物共存的条件，极易形成一层生物膜，因此造成膜的不可逆阻塞，使水通量下降。

（2）膜清洗

对于不同的分离对象，造成膜面堵塞的物质有矿物质、脂类、蛋白类、糖类等多种类型。膜分离的对象一般是多组分的混合物，组分之间存在着较复杂的物理化学作用，膜表面的堵塞也往往是各组分协同作用的结果。因此，从化学组成的角度来确定膜面堵塞物的种类常有很大的困难，甚至是不可能的，这就使得对超滤膜、微滤膜清洗机理与技术的研究进展十分缓慢。

膜面堵塞发生后，一般可用物理或化学的手段对膜进行清洗以恢复其通透能力。膜的清洗技术因此可大致分为物理清洗技术、化学清洗技术两大类。在实际的清洗操作中常常是两类清洗技术交叉使用，以达到预期的清洗效果。

1）常用的物理清洗技术

①清水或气、水混合物正向冲洗。采用膜出水或气、水混合物，以高速低压冲洗超滤膜、微滤膜表面。借助水力剪切作用减少膜面上的堵塞物，使膜的透水性能得到一定程度的恢复。这种方法单独使用时，膜通透能力的恢复效果不明显，一般需结合其他清洗技术来使用。

②清水或气、水混合物反向冲洗。采用膜出水或气、水混合物逆膜出水方向反冲超滤膜、微滤膜面。根据堵塞程度的不同，可选择不同的反冲压力、反冲洗流速和反冲洗历时，以达到较好的清洗效果。此方法仅对堵塞初期膜的清洗有一定效果，而且所需的冲洗频率较高。

③水力输送海绵球去除软质堵塞物。采用海绵球直径略大于膜管直径，海绵球在水压的推动下流经堵塞的超滤膜、微滤膜表面，对堵塞物进行强制性清除。该技术特别适用于以有机胶体为主要成分的膜面堵塞的清洗，但操作较复杂，而且堵塞物中硬质组分往往会损伤膜表面。

2）常用的化学清洗技术　常用的化学清洗技术可谓多种多样。按化学清洗剂的种类来分，有碱洗剂清洗、酸洗剂清洗、酶洗剂清洗、表面活性剂清洗、络合剂清洗、消毒剂清洗、复合型清洗剂清洗七大类，并且分类间存在交叉。化学清洗的效果与清洗剂的种类、清洗剂浓度、温度、pH值等有密切关系，特别是和清洗剂的种类直接相关。

①碱性清洗剂。氢氧化物在某种程度上能溶解SiO₂、皂化脂类、溶解蛋白类物质。

碳酸盐直接清洗能力很弱，主要用于调节pH值。

磷酸盐呈弱碱性，清洗效果有限。常被用作分散剂、溶解碳酸盐、调节pH值、乳化脂类、胶溶蛋白等。

过硼酸盐如过硼酸钠，用于清洗膜孔内的胶体堵塞。

②酸性清洗剂。硫酸反应剧烈，使用时有危险。可用于较宽的温度范围，不挥发，其成盐的溶解度较硝酸、盐酸小，钙盐溶解度小。常与柠檬酸混合用于锅炉等设备的清洗，很少用于膜面堵塞的清洗。

盐酸是常用的一种清洗用酸，其溶解力强，广泛用于除二氧化硅外的几乎所有堵塞物的清洗，而且适于低温。但清洗过程中可能产生的氯化氢气体对钢材有腐蚀性，这使其应用受到一定的限制。

硝酸化学反应强烈，成盐溶解度大，可钝化不锈钢、铝等。应用范围较盐酸、硫酸等都广，但对低碳钢有轻微的腐蚀。

氢氟酸化学反应强烈，溶解度大，可较好地溶解SiO₂类堵塞物质。由于其挥发性、腐蚀性极强，毒性大，难处理，极少用于膜堵塞的清洗。

氨基磺酸（氨基硫酸）粉状，易处理。与碳酸盐、氢氧化物等类堵塞物反应强烈，对铁氧化物的溶解力弱。其钙盐的溶解度大，尤其适用于钙盐和氧化铁水合物为堵塞物主体的膜面堵塞的清洗。

柠檬酸固体易处理，危险小。与堵塞物形成的盐溶解度较大，常作为清洗剂的助剂使用。即使在碱性条件下，对铁离子的络合力大，也难以形成氢氧化物沉淀。但常需在80～100℃下使用，而且清洗历时较长。

③酶清洗剂。对有机物，特别是蛋白质、多糖类、油脂类膜面堵塞物的清洗是有效的。其突出缺点是价格昂贵，反应速率慢，需长时间浸渍，而且残留的酶清洗剂会影响微生物的正常生长。

④表面活性剂。主要有阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂三种，它们可以改善清洗剂和膜面沉积物的接触，减少水的用量，缩短清洗所需的时间。

阴离子表面活性剂pH呈中性，可作为有机发泡剂，如肥皂、磺酸盐等。

阳离子表面活性剂由四元氨基化合物构成，较阴离子、非离子表面活性剂的活性差，但即使很低的浓度也能抑制微生物的生长、繁殖活性。

非离子表面活性剂，这类表面活性剂由浓缩产品组成如环氧乙烷，具有低泡、易洗脱、不受pH值限制的优点，但比阴离子表面活性剂的活性差。

⑤络合剂。如EDTA，它几乎能与所有金属离子络合，反应速率快，生成的螯合物大都水溶性好，并且比较稳定。

⑥消毒清洗剂。这类物质一般都具有较强的氧化能力，在消毒的同时，能有效地清除掉膜面堵塞物中有机物成分，使膜通透能力得到恢复。常用的有次氯酸钠、双氧水等。

次氯酸钠能非常有效地清除以有机质为主的膜面堵塞物，化学反应迅速，清洗历时短。其缺点是腐蚀性强，特别在pH值较低时，对不锈钢有明显的腐蚀作用。当清洗温度较高时，其中溶解的氯气会逸出，刺激人的呼吸系统。

双氧水为二元弱酸，遇光、氧化物、还原物即分解，并产生大量泡沫，是一种较温和的消毒杀菌剂。1.2%的水溶液对清洗有机质堵塞的超滤膜、微滤膜具有良好的效果。

⑦复合型清洗剂。这类清洗剂常常是碱性清洗剂、磷酸盐、络合剂、酶洗剂等的混合物，它具有比单纯的碱性清洗剂或酸性清洗剂都好的清洗效果。

上述7类膜清洗剂中，最常用的酸性清洗剂是硝酸、柠檬酸、盐酸；最常用的碱性清洗剂是氢氧化钠、氢氧化钾；最常用的消毒清洗剂是次氯酸钠，同时也是碱性清洗剂。复合型商品化的膜清洗剂在欧美地区使用较为普遍。

选定的膜面堵塞清洗技术必须能有效地清除膜面堵塞物，使超滤膜、微滤膜的正常通透能力与分离性能得到恢复。理想的清洗剂应具备以下特征：a.能松动或溶解膜面堵塞物；b.能使膜面堵塞物分散或呈溶解状态；c.不能导致新的堵塞；d.对超滤膜、微滤膜本身和装置的其他部分不能有腐蚀；e.对膜面及管路系统同时有消毒作用。

在实际的膜清洗操作中，针对不同材质和型式的膜组件、不同的分离对象，应当选择不同的清洗剂和清洗程序。特别是在选择清洗剂时，还必须考虑整个管路系统及循环泵各部件的耐受能力。一般，对含油膜面堵塞物，釆用碱洗+表面活性剂进行清洗；对钙盐、铁锰氧化物，可采用酸洗+表面活性剂进行清洗；对凝胶、黏泥等以有机质为主体的膜面堵塞物，最好采用碱洗+氧化剂进行清洗。

清洗技术要求的环境条件也很重要。在其他条件不变的情况下，温度越高化学反应速率越快，对膜材料的腐蚀也越严重。膜面流速越高，水力剪切产生的物理剥离作用就越显著。另外，清洗剂的价格、各步操作的简便程度也是选择超滤膜、微滤膜膜面堵塞清洗技术时应该考虑的问题。