MBR工艺微生物对膜污染的影响分析
1 引言
膜生物反应器是一种高效膜分离技术与活性污泥法相结合的污水处理工艺。MBR具有较高的生物降解效率和较低的污泥产率，占地面积小，硝化能力强，出水水质稳定等特点。另外，在膜生物反应器中，原污水中的各种可溶解和难分解的有机物质，以及微生物产生的代谢产物，可以分别保留在生物反应器内，从而提高了出水水质。MBR系统是一种新型的高效生物处理技术，特别是它在废水资源化及中水回用方面存在巨大的潜力，受到了国内外的普遍关注。但是由于存在膜污染和膜组件替换带来的影响等方面的问题，使其运行成本和费用大幅度提高，从而阻碍了该技术的广泛推广和应用。
2 膜污染的影响因素
MBR运行一段时间以后，随着膜内表面微生物的滋生和膜外表面污染层的附着，膜组件会被污染物堵塞，膜通量逐渐下降，直至不再出水。膜污染问题缩短了膜的使用寿命，导致了泵的抽吸水头增大和曝气量的增加，是造成MBR能耗较高的主要原因。因此研究MBR运行过程中膜污染的发生机理，对MBR系统加以改进，以达到有效降低和控制膜污染的目的，此举对维护MBR工艺运行性能、确定工艺费用、指导工艺的放大设计具有重要的现实意义。
2.1膜污染的成因
当前，对于膜生物反应器的研究主要集中在膜污染上，相关研究表明，膜污染物质的积累过程分为两步：（1）初期污染：由于浓差极化造成初始膜通量下降，混合液中溶解性物质造成膜保留侧溶质的积累，产生较小渗透能力的膜面表层。（2）长期污染：由于溶质吸附和粒子沉积造成膜表面溶质浓度较高，导致凝胶层在膜表面形成，胶体粒子迁移至膜表面，从而形成沉积，减小了水力渗透性和膜通量。
目前，对于膜污染的形成机理，众说纷纭。但是对于影响膜污染的因素，归纳起来主要有以下几个方面：微生物特性、运行条件、膜的结构性质等。本文主要从微生物性质对膜污染的影响方面进行探讨。
2.2微生物性质对膜污染的影响
2.2.1污泥浓度对膜污染的影响
膜生物反应器运行过程中，膜污染物质来源于污泥混合液，其成分主要包括微生物菌群及其代谢产物，废水中的有机大分子、小分子，溶解性物质和固体颗粒。上述物质对膜通量产生很大影响。由于膜的截留作用，反应器内污泥具有较高的污泥浓度和污泥停留时间。随着污泥浓度的增加，活性污泥更容易在膜表面沉积，从而加快了膜污染速度，导致膜过滤阻力增加，进而降低了膜通量；同时，污泥浓度升高，污泥粘度也随之升高，膜通量也会减小；再者，反应器内污泥浓度过高，还会造成污水粘度增大，影响氧气的传质效率。因此要对反应器内污泥浓度进行严格控制，污泥浓度过高或者过低都会对出水水质产生不利影响。
2.2.2胞外聚合物对膜污染的影响
胞外聚合物（EPS）在污泥处理系统中对污泥的絮凝性能、沉降性能、脱水性能以及重金属吸附性能产生很大影响。胞外聚合物是微生物在一定环境条件下，在其代谢过程中分泌的包围在微生物细胞壁外的多聚化合物，其主要物质为蛋白质和多糖（3）。胞外聚合物不但可以在膜生物反应器内积累，而且会在膜表面积累，从而引起混合液粘度和膜过滤阻力的增加。膜表面的胞外聚合物直接改变沉积层的孔隙率和结构，胞外聚合物和细微颗粒一并沉积并吸附在膜表面，形成粘结性很强的凝胶层，Huangd等人发现胞外聚合物浓度每增加50mg/L，膜通量减小70％（4）；各种生物状态的活性污泥中，胞外聚合物含量和膜污染之间存在线性关系，并且胞外聚合物中蛋白质和糖类的比例不同，超滤的膜通量也不同，膜通量随着蛋白质比例的增加而减小。胞外聚合物过高或过低都会加剧膜污染，因此存在一个最佳胞外聚合物浓度，使污泥过滤性能最佳。
2.2.3溶解性有机物产物对膜污染的影响
近年来，溶解性有机物产物（SMP）对膜污染的贡献越来越得到重视。以腐殖质、多糖、蛋白质等物质为主要成分的溶解性微生物产物，主要产生于微生物的基质分解过程和内源呼吸过程，其中高分子物质的含量较高且可生物降解性差，因此，在膜生物反应器中会产生积累。溶解性微生物产物极易堵塞膜孔，并容易沉积在膜表面形成凝胶层；溶解性微生物产物的过高积累不仅有可能降低膜过滤出水的水质稳定性，而且有可能影响污泥活性，引起严重的膜污染。膜生物反应器中的SMP主要由微生物代谢及细胞破碎释放的EPS等物质，或者称之为溶解性EPS，其分子量分布一般在1000～100000左右。研究表明,EPS与SMP之间呈显著正相关,随着EPS浓度的增大,SMP急剧增加。因此，EPS是引起反应器内SMP累积的决定性因素。
2.2.4丝状菌对膜污染的影响
丝状菌对膜污染也有很大的影响，在污泥絮体中丝状菌数量过多或者过少对MBR系统的运行都能产生不利影响。这是因为丝状菌的密度对活性污泥性质影响很大，而这些性质是影响膜通量的根本因素。如果污泥絮体附着数量极少的丝状物，则它们体积会很小，从而引起严重的膜孔堵塞；而如果这些絮体附着的丝状物很多，就会在膜表面形成不透水的泥饼层。过多的丝状菌很容易导致胞外聚合物（EPS）的大量滋生，从而产生低的ZETA电位和较强的疏水性，因此会引起膜污染。丝状菌与膜表面污染物形成过程及结构、附着形式密切相关，丝状菌以黏着、穿透膜材料等固定形式，增加膜表面污染物的附着强度。立体网状结构形式的丝状菌对膜表面污染物的形成、污染物的结构具有重要作用，严重影响膜生物反应器的处理能力及膜清洗的效率。由此我们得知，当污泥絮体中附着适当数量的丝状菌时有利于膜的渗透性。
3、结语
引起膜污染的主要因素是污泥，污泥浓度过多或者过少都会使膜产生污染。在膜生物反应器运行中，存在一系列最佳值，如经济曝气强度、经济曝气量、临界污泥浓度等。在这一系列最佳值的状态下运行，膜生物反应器能达到最佳的处理效果，并且能降低膜污染的程度，延长膜的清洗周期和膜的更换时间，从而降低了膜生物反应器的能耗，降低了成本。但应该指出的是，在实际运行过程中，很难使以上各种运行参数都处于最佳状态。
从微生物角度对膜污染进行研究将逐渐成为研究的热点，胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物产物（SMP）对膜污染有重要影响，可以通过调节固体停留时间(SRT)、水力停留时间（HRT）、负荷来控制微生物特性，进而缓解膜污染。丝状菌过多或者过少都会对膜产生污染，引起泥饼层的形成和膜孔的堵塞；同时丝状菌过多，引起污泥膨胀，会使胞外聚合物大量繁殖，也会对膜污染造成影响。
在今后的研究中应该更加注重对于膜污染控制的研究，在理解污染机理的基础上对膜污染进行防治，最大程度上降低膜生物反应器的成本。
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