膜生物反應(yīng)器（MBR）通過(guò)膜的高效截留作用，使反應(yīng)器內(nèi)部維持很高的污泥濃度，提高了系統(tǒng)的處理效率，污泥產(chǎn)率低、占地面積小，在污水處理中的應(yīng)用范圍和規(guī)模不斷擴(kuò)大和增加。目前。國(guó)內(nèi)外對(duì)MBR的研究發(fā)展迅速，MBR應(yīng)用于污水處理和回用的研究日益增多。但是膜價(jià)格昂貴、膜容易堵塞、膜清洗以及能耗高等問(wèn)題，限制了膜生物反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用。其中膜污染是當(dāng)前限制MBR廣泛應(yīng)用的主要瓶頸，其導(dǎo)致膜通量下降，增加膜組件更換和清洗的頻率，從而增加MBR的運(yùn)行費(fèi)用。因此研究者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究尋找有效的膜污染控制方法，主要是通過(guò)改善污泥混合液性質(zhì)或?qū)M(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理；優(yōu)化膜生物反應(yīng)器操作條件；膜改性或開(kāi)發(fā)新型抗污染材料來(lái)解決膜污染問(wèn)題。本文簡(jiǎn)要介紹污泥混合液中胞外聚合物（EPS）對(duì)膜污染的影響，詳細(xì)總結(jié)改善活性污泥混合液性質(zhì)的途徑，并提出主要的研究方向。

1 膜污染

膜污染是指被過(guò)濾液料中的某些組分在膜表面或膜孔中沉積導(dǎo)致膜通量下降的現(xiàn)象，包括膜孔吸附小分子溶質(zhì)、膜孔被大分子溶質(zhì)堵塞引起膜過(guò)濾阻力增加，膜表面形成濾餅層增加傳質(zhì)阻力。膜污染后其通量嚴(yán)重下降，過(guò)膜壓力增大，截留效率下降。膜污染可分為可逆污染和不可逆污染，也可分為生物污染、有機(jī)污染和無(wú)機(jī)污染【1】。

生物污染和有機(jī)污染都與活性污泥性質(zhì)相關(guān)，如污泥絮體、細(xì)菌新陳代謝以及細(xì)菌所產(chǎn)生的胞外聚合物。

2 污泥混合液EPS對(duì)膜污染的影響

活性污泥混合液是MBR中膜污染的物質(zhì)來(lái)源，不僅受進(jìn)水水質(zhì)的影響，也受操作條件的影響�；旌弦旱男再|(zhì)包括污泥濃度、污泥顆粒大小、污泥粘度、污泥表面電荷、混合液所含膠體粒子及溶解性有機(jī)物含量等都會(huì)對(duì)膜污染產(chǎn)生不同程度的影響，而且這些性質(zhì)之間相互交叉影響。胞外聚合物對(duì)于污泥的絮凝性能、沉降性能、脫水性能和對(duì)重金屬的吸附性能都有很重要的影響和作用，是近些年膜污染的研究熱點(diǎn)之一，因此，本文主要總結(jié)了活性污泥中胞外聚合物對(duì)膜污染的影響。

2.1固著性EPS和SMP的定義

有關(guān)污泥性質(zhì)方面的研究報(bào)道很多，特別是混合液中固著性EPS和SMP濃度對(duì)膜污染影響的報(bào)道。細(xì)菌胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances ,EPS ）是來(lái)自微生物細(xì)胞的高分子物質(zhì)，分為固著性和溶解性兩種。在微生物降解基質(zhì)和內(nèi)源呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的溶解性微生物產(chǎn)物（Soluble microbial product ,SMP）與EPS的關(guān)系一直較為模糊，Laspidou等【2】提出了SMP與溶解性EPS是同一物質(zhì)的理論。EPS的組成比較復(fù)雜，其中主要為多糖和蛋白質(zhì)，約占EPS總重量的70%~80%，含量較低的腐殖質(zhì)、核酸、糖醛酸、脂類和氨基酸等也是EPS中常見(jiàn)的物質(zhì)【3】。近年來(lái)，大量研究表明，EPS是優(yōu)勢(shì)污染物，微生物通過(guò)這些物質(zhì)相互粘連形成菌膠團(tuán)，并在過(guò)濾過(guò)程中顯示出較強(qiáng)的嚴(yán)密性，使過(guò)濾阻力不斷升高，膜污染加劇。

2.2 固著性EPS對(duì)膜污染的影響

固著性EPS不僅是維持污泥絮體成三維矩陣的主要成分，也是膜生物反應(yīng)器中主要的污染物。Cho【4】等發(fā)現(xiàn)了固著性EPS和濾餅層比阻之間有密切關(guān)系。Ahmed【5】等也觀察到隨著固著性EPS濃度的增高，濾餅層比阻增加，最終導(dǎo)致跨膜壓差的增大。Choi【6】等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生污泥膨脹時(shí)，膜的污泥更為嚴(yán)重，其原因是絲狀菌比菌膠團(tuán)細(xì)菌產(chǎn)生更多的EPS，并且絲狀細(xì)菌如諾卡氏菌屬比正常污泥含有更多的類脂類物質(zhì)。但是一些研究發(fā)現(xiàn)固著性EPS和膜污染之間的關(guān)系不大。Rosenberger【7】得出了固著性EPS對(duì)污泥可濾性沒(méi)有影響，而溶解性EPS或SMP卻對(duì)污泥可濾性有重要影響的結(jié)論。Yamato【8】在研究中發(fā)現(xiàn)固著性EPS和膜過(guò)濾阻力之間沒(méi)有明確的關(guān)系，以TOC表征的EPS在40d后不斷下降，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中碳水化合物表征的EPS較為穩(wěn)定，沒(méi)有大的波動(dòng)，而以蛋白質(zhì)表征的EPS在44d時(shí)增加，和此時(shí)過(guò)濾阻力的突然增加一致，但是當(dāng)運(yùn)行到第120d時(shí)嗎，蛋白質(zhì)含量依然很高，而過(guò)濾阻力的增加卻不明顯。Yamato將結(jié)果的不同歸因于與前人實(shí)驗(yàn)處理對(duì)象水質(zhì)的不同。

2.3 SMP對(duì)膜污染的影響

最近，SMP對(duì)膜污染的影響受到越來(lái)越多的關(guān)注。因?yàn)槟さ慕亓簦嗟腟MP積累在反應(yīng)器內(nèi)，導(dǎo)致污泥的過(guò)濾性變差，SMP濃度對(duì)膜過(guò)濾壓差的上升速率有比較明顯的影響。陳宏宇【9】等在一體式MBR處理人工模擬生活廢水的試驗(yàn)中考察SMP對(duì)膜污染的影響，結(jié)果表明，SMP對(duì)膜污染的影響主要體現(xiàn)在對(duì)沉積層阻力的貢獻(xiàn)上。Geng and hall【10】指出，絮體粒徑分布和混合液中的溶解性EPS或者SMP濃度對(duì)污泥的致污性有較大的影響，但未發(fā)現(xiàn)固著性EPS與膜污染有直接關(guān)系。Lesjean【11】等人通過(guò)分光光度法和尺寸排阻色譜法（Size exclusion Cchromatography）研究活性污泥中的溶解性及膠體有機(jī)物，發(fā)現(xiàn)由微生物產(chǎn)生的可溶解性EPS中的多糖、蛋白質(zhì)及有機(jī)膠體是引起膜污染的主要物質(zhì)。在SRT為8d時(shí)，膜污染速率與多糖濃度線性相關(guān)。以腐殖質(zhì)、多糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)為主要成分的SMP是生物處理出水中溶解性TOC或COD得主要組成部分【12】。Bouhabila等【13】也認(rèn)為混合液中的膠體和溶解性物質(zhì)對(duì)膜污染起主要作用，并對(duì)于膜通量具有負(fù)面作用：TOC每增加50mg.L-1,膜通量就減少70%。Defrance等【15】研究了混合液中各組分對(duì)膜污染的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，溶解性物質(zhì)、膠體和懸浮固體在總過(guò)濾阻力中所占的比例分別為5%、30%和65%。

盡管對(duì)EPS的研究結(jié)果不同，但不可否認(rèn)它與污泥特性（如SVI,絮凝能力，疏水性、表面電荷和污泥粘度）之間有著密切關(guān)系。從目前的研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)胞外聚合物的研究多是通過(guò)測(cè)定主要組成成分蛋白質(zhì)和多糖來(lái)確定其含量，提取方法、分析方法和反應(yīng)器運(yùn)行條件的不同有可能造成了研究結(jié)果的差異性，另外一種原因就是EPS和SMP兩者之間的關(guān)系不明確。

3 改變污泥性質(zhì)對(duì)膜污染的控制

3.1通過(guò)添加劑改變污泥性質(zhì)

在活性污泥中添加吸附劑或混凝劑能夠降低溶解質(zhì)和膠體濃度或者增加其絮凝能力，從而延緩膜污染。另外，吸附劑或混凝劑的添加還可以防止絲狀菌膨脹造成的膜污染。

3.1.1 添加粉末活性炭和沸石

添加粉末活性炭（PAC）是一種簡(jiǎn)單的控制制模污染的方法，國(guó)內(nèi)外研究很多，但是對(duì)其影響的認(rèn)識(shí)存在一定的差異。PAC不僅可以包裹在生物絮體內(nèi)形成生物活性炭【16】，還可以吸附污泥懸浮液中的EPS。Hu和Stuckey【17】認(rèn)為PAC為微生物生長(zhǎng)提供了固體基質(zhì)，減少了絮體的破壞。同時(shí)，PAC絮體強(qiáng)度大，能夠沖刷膜表面，防止顆粒物堆積在表面。JSKIM【18】等人通過(guò)投加PAC對(duì)膜污染的機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)MBR中投加PAC后，單位VSS的溶解性EPS減少，膜通量增加。AKram and Stuckey【19】研究了投加PAC對(duì)浸沒(méi)式厭氧膜生物反應(yīng)器的影響，當(dāng)PAC投加量為1.67g.L-1的時(shí)候，因?yàn)閷?duì)膠體和SMP吸附的雙重作用，在膜表面形成了很薄的濾餅層，從而使得膜通量從2L.M-2.H-1增加到了9L.M-2.H-1。但是當(dāng)投加量為3.4g.L-1時(shí)，膜通量又下降到5L.m-2.h-1。這說(shuō)明投加量有一個(gè)最佳值。Zhao【20】等通過(guò)3組平行膜生物反應(yīng)器研究了PAC投加量分別為0、0.75、1.5g.L-1對(duì)膜污染的影響，結(jié)果表明，0.75g.L-1的PAC能有效的去除固著性EPS，不可逆污染也減少，而在1.5g.L-1時(shí)該影響減弱。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)需要定期的更新PAC來(lái)提高M(jìn)BR的性能。Yamini【21】在處理高濃度廢水的MBR中加入PAC后緩解了膜污染，結(jié)果顯示PAC沒(méi)有加強(qiáng)生物活性，但是降低了污泥的SVI從而改善了污泥的脫水性能。PAC對(duì)污泥的粒徑變化沒(méi)有影響，也不影響EPS的濃度。但是EPS對(duì)污泥樣品進(jìn)行分析，可能是因?yàn)槎嗵堑墓δ芑鶊F(tuán)與PAC相互作用的結(jié)果。

關(guān)于PAC粒徑對(duì)膜污染影響的研究很少，張吉庫(kù)【22】等用膜孔徑0.2um的聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維簾式膜組件進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)投加粒徑為165~198um的PAC可緩解膜污染速度，平均膜比通量比對(duì)照反應(yīng)器的提高3.82*10-6m3.m-2.m-1.s-1。而粒徑太小的PAC會(huì)加劇膜污染，粒徑太大容易沉淀在反應(yīng)器底部，難以控制膜污染。

國(guó)內(nèi)外對(duì)PAC減緩膜污染影響的研究較多，也有個(gè)別學(xué)者研究了投加沸石的影響。沸石是表面極性較強(qiáng)的多孔性含水鋁硅酸鹽結(jié)晶體的總稱，其比表面積大、表面粗糙、截污能力強(qiáng)，且具有多孔性，篩分性、離子交換性、耐酸性及與水結(jié)合性較強(qiáng)等特點(diǎn)，作為一種天然、廉價(jià)的吸附劑，已被應(yīng)用于給水和污水處理中。Lee等人【23】研究了在MBR中投加鋁鹽和沸石粉末對(duì)膜過(guò)濾性能的影響，發(fā)現(xiàn)沸石粉末能夠吸附溶解性有機(jī)物、膠體顆粒和游離微生物，因此投加沸石粉末后膜通量顯著增加。李洋洋【24】等用添加沸石的MBR處理模擬染料廢水，結(jié)果表明，在出水流量為12L.H-1、MLSS質(zhì)量濃度為4g.L-1的條件下，投加沸石不但可以減少膜過(guò)濾阻力，而且還可以提高系統(tǒng)的脫色率；減小膜過(guò)濾阻力的最佳沸石投量為500mg.L-1,提高系統(tǒng)對(duì)染料廢水脫色率的最佳沸石投量為1000mg.L-1。

3.1.2投加無(wú)機(jī)混凝劑

污泥菌膠團(tuán)的解絮會(huì)引起上清液中溶解性有機(jī)物、膠體顆粒即SMP的增加，導(dǎo)致嚴(yán)重的膜污染�；炷齽┠軌蛲ㄟ^(guò)電中與架橋作用去除SMP，同時(shí)能夠破壞混合液中膠體的穩(wěn)定性，增強(qiáng)污泥的絮凝性，降低上清液小顆粒物，減緩此類物質(zhì)引起的膜污染。目前使用的絮凝劑主要是鋁鹽和鐵鹽等。劉浩【25】等進(jìn)行了在MBR中投加聚合硫酸鋁鐵的試驗(yàn)，結(jié)果表明，SMBR中污泥的平均粒徑從80um增大到400um，過(guò)濾總阻力從4.9649*1012m-1減為1.3825*1012m-1，沉積阻力從4.4572*1012m-1減為1.2986*1012m-1，污泥比阻變?yōu)樵瓉?lái)的1/10，同時(shí)混合液中的生物相變得更加豐富，抽吸壓力的增長(zhǎng)速率有所降低。Kyung【26】等對(duì)比了硫酸鋁和三氯化鐵對(duì)MBR的膜污染的影響，考慮到除磷、PH范圍和比阻，在200~500mg.L-1的投加量范圍內(nèi)硫酸鋁的效果較好。三氯化鐵雖然對(duì)減低比阻較有效，但是會(huì)引起明顯的PH下降。WU【27】等人在向MBR中投加無(wú)機(jī)絮凝劑對(duì)污泥性質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)與單體絮凝劑相比，高分子絮凝劑能夠提供更多的正電荷，并且加強(qiáng)了電中和作用，使得上清液中的有機(jī)物去除率增加，同時(shí)增大了污泥絮體粒徑。另外，投加適量的鈣溶液也能夠降低SMP濃度，降低疏水性，降低絲狀菌濃度，更好的絮凝從而減少濾餅層阻力和膜孔阻塞阻力【28】。趙英等【29】向MBR中投加100mg.L-1帶正電的高分子聚合劑，結(jié)果表明對(duì)MBR出水水質(zhì)有所降低，混凝劑投加前后模污染速率分別為0.84KPA.M-1,0.67KPA.M-1。

3.2優(yōu)化MBR操作條件改變污泥性質(zhì)

污泥齡（SRT）是影響MBR運(yùn)行的重要參數(shù)之一，特別是對(duì)于膜污染的影響。Masse【30】等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)SRT從10d增加到53d時(shí)，附著性EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)從45~70降到20~40mg.g-1。Zhang【31】等人研究了SRT分別為10d，穩(wěn)定MLSS質(zhì)量濃度為5000~6000 mg.g-1；SRT為30d時(shí)，穩(wěn)定MLSS質(zhì)量濃度為8500~10000 mg.g-1。SRT為10d的污泥混合液中小顆粒以及上清液中SMP和多糖類EPS高于其SRT為30d時(shí)的數(shù)值。同時(shí)，SRT為10d時(shí)的可持續(xù)通量或臨界通量要低于SRT為30時(shí)的數(shù)值。Lee等人【32】研究了不同污泥齡（SRT分別為20d、40d和60d）的條件下，微生物絮體和上清液對(duì)膜污染的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)SRT為20d時(shí)污泥中溶解性有機(jī)物和膠體顆粒對(duì)膜污染的貢獻(xiàn)很大，但總污染阻力隨SRT增加而增大。以上說(shuō)明SRT太短對(duì)控制膜污染不利，但是SRT太長(zhǎng)會(huì)因污泥濃度過(guò)大對(duì)膜組件造成不利影響，最佳SRT范圍是20~50d【1】。

PGUI等人【33】用正交實(shí)驗(yàn)法研究了曝氣強(qiáng)度、膜初始通量、抽吸時(shí)間、停抽時(shí)間等操作參數(shù)對(duì)膜污染的影響。研究結(jié)果表明，膜初始通量對(duì)過(guò)膜壓力的影響最為明顯，且存在一臨界通量；在污泥濃度高時(shí)，曝氣強(qiáng)度對(duì)過(guò)膜壓力有較大影響；抽停時(shí)間對(duì)過(guò)膜壓力也有一定程度的影響。JI等人【34】研究了曝氣量對(duì)活性污泥中溶解性EPS、附著性EPS和絮體總聚合物的濃度和組成的影響。發(fā)現(xiàn)，隨著曝氣量的增加，溶解性EPS的濃度增大而其蛋白質(zhì)/多糖比例減�。坏珜�(duì)于固著性EPS和絮體總聚合物來(lái)說(shuō)，其濃度和蛋白質(zhì)\多糖比例都隨曝氣量的增大而減小。張海豐【35】采用曝氣強(qiáng)度分別為500和100L.H-1的2套MBRs進(jìn)行研究，試驗(yàn)中對(duì)不同曝氣強(qiáng)度下的SMP分子質(zhì)量分布、顆粒粒徑分布和總EPS含量進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明，過(guò)高的曝氣強(qiáng)度將惡化污泥混合液的可濾性，增加了膜污染速率。

3.3培養(yǎng)好氧顆粒污泥改變污泥性質(zhì)

好氧顆粒污泥具有較高的反應(yīng)活性，因其同時(shí)具有厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，所以處理效率通常的高于傳統(tǒng)的活性污泥處理系統(tǒng)，尤其是脫氮效率的提高【36】。同時(shí)，好氧顆粒污泥的沉降性能、比阻等污泥性狀指標(biāo)也明顯優(yōu)于絮狀污泥。因此將好氧顆粒污泥與膜生物反應(yīng)器結(jié)合，不僅能夠提高污染物去除效果還能減輕膜污染。

王景峰【37】等研究了好氧顆粒污泥膜生物反應(yīng)器（GMBR）中的污泥性狀，通過(guò)對(duì)GMBR中污泥粒徑分布變化研究發(fā)現(xiàn)，GMBR中污泥濃度的增加主要是由于粒徑0.18~0.45mm的小顆粒污泥及小于0.18mm的絮狀污泥的增加造成的，粒徑大于0.45mm的顆粒污泥能夠基本穩(wěn)定維持其顆粒形態(tài)。反應(yīng)器運(yùn)行末期，GMBR中顆粒污泥（粒徑大于0.18mm的污泥）含量穩(wěn)定在污泥總量的60%~65%以上。另外，GMBR中SVI穩(wěn)定在60~90ML.g-1，并且隨著污泥表面電荷負(fù)電性的增加污泥SVI值增加，兩者之間具有一定的相關(guān)性。

在朱振中等【38】的研究中，絮狀污泥MBR的膜通量在反應(yīng)器運(yùn)行的前6d內(nèi)，下降幅度很大。從第一天的25.6ml.min-1下降至第六天的8.5ml.min-1。在其后的10d內(nèi)反應(yīng)器膜通量以相對(duì)較小的幅度繼續(xù)下降，直至運(yùn)行第16天的4.5ml.min-1。好氧顆粒污泥MBR的膜通量在反應(yīng)器運(yùn)行的前10天內(nèi)較為穩(wěn)定，從第一天的25.6ml.min-1下降至第10天的22.5ml.min-1。其后3d降幅較大，到第13天降為15.7ml.min-1。然后緩慢下降，至第16天的14.2ml.min-1。與絮狀活性污泥相比，好氧顆粒污泥呈顆粒狀使MBR中混合液的污泥特性發(fā)生了改變，在顆粒污泥MBR中懸浮污泥較絮狀污泥MBR中的少，污泥沉積造成的膜污染較輕；好氧顆粒污泥較大的顆粒粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膜的孔徑，有效的減少了污泥物質(zhì)在膜孔內(nèi)壁的吸附和引起膜孔道阻塞的可能性，從而提高了膜通量。Xiufen Li【39】通過(guò)對(duì)比普通MBR和好氧顆粒污泥MBR也發(fā)現(xiàn)，好氧顆粒污泥MBR對(duì)膜污染的減緩作用強(qiáng)于普通MBR，在運(yùn)行期間，好氧顆粒污泥MBR的膜的通量比普通MBR高50%。

周軍【40】建立浸沒(méi)式好氧顆粒污泥膜生物反應(yīng)器和分體式好氧顆粒污泥膜生物反應(yīng)器，浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器在加入膜組件2D后開(kāi)始出現(xiàn)大面積顆粒解體現(xiàn)象，顆粒性能發(fā)生了較大的變化，運(yùn)行6d后，反應(yīng)器內(nèi)好氧顆粒污泥幾乎全部解體為絮體污泥，在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的膜污染。而分置式膜生物反應(yīng)器中的顆粒污泥除了顆粒粒徑略有增大外，其他性狀變化不大，體系中的好氧顆粒污泥狀態(tài)良好，對(duì)膜污染起到良好的減緩效果�？梢�(jiàn)一體式膜生物反應(yīng)器中顆粒污泥的形成和穩(wěn)定性是其在控制膜污染中的應(yīng)用難點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

膜生物反應(yīng)器由于其處理出水水質(zhì)好，滿足回用水的要求而備受關(guān)注，所以膜污染的有效控制對(duì)膜生物反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用有著重要意義。綜上所述，通過(guò)改變污泥混合液性質(zhì)來(lái)控制膜污染機(jī)理及方法需要進(jìn)一步的深入研究，特別是胞外聚合物的組成成分對(duì)膜污染的影響和分離提取方法的研究。通過(guò)投加吸附劑或混凝劑這一方法對(duì)膜污染物質(zhì)的去除效果顯著且可操作性強(qiáng)。目前常用混凝劑為化學(xué)試劑，其使用可能對(duì)生物有潛在影響，需要考慮釋放到環(huán)境中所帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。與之相比，使用粉末活性炭、沸石等天然吸附劑則不會(huì)帶來(lái)潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。另外可以尋找合適的帶正電的天然高分子混凝劑代替化學(xué)混凝劑，不僅可以有效控制膜污染，還能消除混凝劑給環(huán)境和人類健康所帶來(lái)的不利影響。

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