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水处理中超滤膜污染的研究进展及其控制措施
洪得香,刘宏远** ，张燕
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（1 浙江工业大学建筑工程学院,杭州 310014. 2 浙江大学建筑工程学院)
摘要:膜污染制约着膜滤技术的广泛推广，因此膜污染成为研究热点。本文综述了超滤膜污
染机理，以及影响膜污染的因素，包括膜材料、曝气强度、进水性质、间歇出水、污泥龄、
水力停留时间、膜面速度、pH、离子强度、污泥混合液性质等，并着重从预处理和膜清洗来
介绍膜污染的防制措施。
关键词：膜污染；污染机理；影响因素；防制措施
Research Progress in Fouling and Control of Ultrafiltration Membrane in Water
Treatment
HONG De-Xiang; LIU Hong-Yuan**，ZhangYan
(1 College of Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China
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2 College of Civil Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)
Abstract:Membrane fouling is the key factor restricting the popularization of membra -ne filtration. therefore it becomes a hot issue.In this paper, mechanism of the pollution of
ultra-filtration membrane are introuduced and then the main factors including the characteristics of the materials membrane made of, aeration intensity, influent composition ， Periodical enfluent,sludge and hydraulic residence times,The velocity through the membrane,pH, characteristics of mixed liquor of activated sludge and so on,This paper put emphasis on introducing membrane fouling prevention and control measures from the pretreatment and membrane cleaning.
Keywords Membrane fouling; mechanism of the pollution; main factors; membrane fouling control
前言
近三十几年，膜滤技术在污水处理应用得到飞速发展，它能有效地分离去除水和污水中
的微生物、无机颗粒和有机物质等,并且具有处理效果稳定高效、占地面积小、节省消毒剂
投加量、易于实现自动化操作等优点。但由于膜表面极易形成泥饼层，引起膜污染，减少膜 通量，导致需要更为频繁的反冲洗及减少膜的寿命，从而增加了运行和经营成本，膜过滤工 艺的最终目标是要实现最低能耗下的高膜通量，因此如何控制水处理膜工艺的膜污染问题， 提出相应的防制措施成为该领域内的研究重点。
1.膜污染机理
*项目来源：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07421-003）
**通讯作者：刘宏远，lhyzyy@yahoo.com.cn，地址：浙江工业大学建筑工程学院，310014
对膜污染机理的研究是膜滤技术的关键，关于膜污染的机理说法不一，可以肯定的是处
理溶液中粒子与膜材料的互相作用是影响膜污染的最主要的因素，广义的膜污染不仅包括
[1]
由于堵塞引起的污染，不可逆的吸附污染，而且包括由于浓差极化形成的凝胶层的可逆污染。
Katsoufidou[2]等人在对膜机理研究过程中发现，膜孔堵塞和泥饼层形成是造成膜污染的 主要原因。Zheng[3]等人研究也发现，在处理生活污水中，比超滤膜孔径大的溶解性有机物
是构成膜污染的主要成分，产生的膜阻力超过总膜阻力的50%，整个膜污染阶段分为三个阶
段，第一阶段生物聚合物不断进入到膜孔里，随着生物聚合物浓度相对较高时，所有的孔在
短时间内被堵住；第二阶段是随后的迁移性生物聚合物沉积在之前的已经吸附在孔内的生物
聚合物上，从而形成膜污染，第三阶段，随着越来越多的迁移性生物聚合物聚集在膜表面，
形成凝胶层和泥饼层。随着生物聚合物浓度的变化，膜污染阶段可能变成两种阶段或阶段之
间可相互转换。
2.膜污染的影响因素
影响膜污染主要有膜或膜组件自身特性、运行条件、原水水质、污泥混合液的性质等四
大因素。
2.1膜或膜组件自身特性
膜或膜组件自身特性对控制膜污染十分重要。在超滤过程中,膜、溶质和溶剂之间的相
互作用受到膜材质、孔径、孔分布、外形尺寸、憎水性、带电荷、表面粗糙度等因素的影响, 且膜表面特性对于细菌的生存也起着重要作用。Choo等[4]研究发现，在对聚矾膜、纤维素膜
和聚偏二氟乙烯(PVDF)膜的污染比较中得出，PVDF的膜污染最小，膜表面张力的分散组分 越多，越容易发生粘附污染，且疏水性膜的膜阻力大于亲水性膜；Shimizu等[5]研究了MBR
中膜孔径为0.01-1.60μm的一系列膜的过滤性能，结果表明膜孔径为0.05-0.20μm的膜的通
量最大；当膜所带电荷性与溶液所带电荷性相同时，产生电斥力能够减轻膜污染；膜表面的 粗糙度对膜孔堵塞也有一定的影响。膜表面粗糙度的增加会使膜表面吸附污染物的可能性增 加，增加了膜表面孔的吸附，导致的膜孔堵塞，但同时也增加了膜表面的扰动程度，阻碍了
污染物在膜表面的形成，减少了膜孔对污染物质的机械截留所导致的膜孔堵塞，因此膜表面
粗糙度对膜孔堵塞的影响是两方面效果的综合体现。 2.2 运行条件的影响
运行条件如曝气强度影响、间歇出水、污泥龄、水力停留时间、膜面速度等等对控制
[6]
膜污染非常重要。曝气产生的气、泥、水、三相流对于提高膜通量以及抑制膜污染具有不可
忽视的作用，Chang S等发现曝气能很好的控制颗粒在膜表面的沉积和提高膜通量，同时
[7]
验证了曝气只对控制可逆污染起作用,对不可逆污染效果并不明显。但曝气量较高时可以产
生较大的膜面剪切力，导致的污泥颗粒粒径的变化却也加重了膜污染；此外在高曝气量时，
污泥颗粒的均质性遭到破坏，胶体物质以及可溶性有机物的含量也有升高，也是引起膜污染
的重要因素。
对于一体式MBR中，间歇出水有利于降低浓差极化的形成，从而有利于降低膜污染。 徐慧芳[8]等发现抽吸和间歇时间比值在5:1～12:1时对膜比通量的影响规律性较差。过短的污
泥龄，污染物的浓度尤其是可溶性有机产物（SMP）会增加，进而导致膜污染速率增加， Zubair Ahmed等[9]发现污泥龄为20d时膜污染速率要比污泥龄为60d时高出很多, 膜丝表面泥
饼层阻力以及化合态胞外聚合物（EPS）浓度也是随着污泥龄的延长而降低的。试验同时表
明膜污染随污泥龄降低而加重的另一个原因是在较低污泥龄工况下的细小颗粒（1μm）数
目比高污泥龄时要多。但是过长的污泥龄会导致污泥浓度上升和引发传质效率的降低，而且
过长的污泥龄可能使微生物处于内源呼吸状态，难免会降低微生物活性甚至造成一定数量微 生物的死亡，产生更多的细胞碎片和溶解性代谢产物，从而加重膜污染[10]。
同时研究发现较长的水力停留时间条件下膜污染得以缓解[11]。膜面速度大小和流态是
曝气和膜组件形状共同作用的结果，当膜面存在不稳定流时，能打乱靠近膜壁物质转换的边
界层,即大大缓解了膜表面的浓差极化和膜污染,从而增大膜通量，同时提高膜面流速能提高 了泥水混合液对膜表面的剪切力作用，可以降低浓差极化和沉积层的形成，提高膜通量[12]。 2.3 原水水质
pH值和离子强度对膜污染的影响跟进水水质有很大关系，原水中带负电荷的腐殖酸是
造成不可逆孔吸附和堵塞的主要原因，在低pH值下，膜表面电位为正值，这时膜表面和腐 殖酸之间存在静电引力，使得表面附着现象明显，从而产生膜污染，降低膜通量。随着 值升高，引力减小，斥力增大，减轻膜污染。Yuan等[13]研究发现，pH、离子强度可以
通过
改变分子之间的静电斥力来造成天然有机物在膜表面的污染。很低浓度的多价阳离子就可以
达到使腐殖酸微滤过程膜污染加重的结果。
纪磊[14]等人采用进水组成正常、限氮、限磷三个MBR对比实验发现，在其它试验条件
相同时，进水组成中限氮或限磷均会加重膜的污染,
尤以限氮时更为严重，原因是进水中限
氮或限磷时，污泥絮体的相对憎水性和膜的憎水性都增加及污泥中丝状菌的相对含量增加，
从而加速了污染物在膜表面的沉积和/或吸附及增加膜阻力。
2.4 污泥混合液的性质
研究表明[15,16]，在活性污泥混合液的各项性质或者组成中,污泥中悬浮颗粒浓度、絮体
颗粒粒径、上清液中的胶体物质和微生物胞外多聚物对于超滤MBR中的活性污泥过滤性能
起主要决定作用。
Grasmick[17]等人发现混合液中的溶解性物质、胶体、MLSS产生的阻力是不同的，且使
用不同的膜材料，不同运行条件或是不同混合液物质其贡献值是不同的，且混合液中的溶解
性物质、胶体、MLSS对膜污染的影响与曝气强度也有很大关系，当不曝气时，MLSS产生
的阻力占62-87%，并且随着MLSS增加，膜压力增长速度加快，而溶解性物质、胶体产生的
阻力分别占小于13%、36%；当存在曝气时，胶体和溶解性物质产生的阻力占主导地位，并
且后期由于曝气对膜表面的剪切力，MLSS产生的阻力逐渐减少，甚至在增加进水MLSS时，
总阻力增长速率还有轻微的下降，这可能是由于MLSS对泥饼有侧向冲刷作用或是构成了第
二层膜。
3.膜污染的防制措施
通过有效的技术可以尽量延缓膜污染的进程，降低膜污染的程度，在防控浓差极化和膜
污染面的研究主要集中在改良膜的性质、改变原水的特性、优化分离操作条件及对膜进行预
处理、定期反冲洗等方面。前面影响因素中已提到很多方面，这里主要对预处理方法和定期
反冲洗进行阐述。
3.1 预处理
它是降低膜污染的研究方法之一，其中包括混凝、吸附、预氧化、预过滤等方法。预处
理影响膜的过滤性主要表现为三个方面：改变污染物粒径分布；改变污染物之间相互作用或
它们在膜表面的沉积性；抑制微生物生长或是去除可生物降解的微生物。
混凝是目前为止用得最为广泛和有效的预处理方法，研究表明投加混凝剂后能大大降低 膜污染，增加膜通量，而且比投加活性炭更为有效。
活性炭投加能吸附水中8～15μm的颗粒，而这些颗粒是控制膜通量的主要因素[18]。但 过多地投加活性炭可能会加剧膜污染，目前国内普遍采用的是2g/L的投加量。
采用强氧化剂如氯、过氧化氢、高锰酸钾、臭氧等[19]来氧化和改变有机物组成部分， 从而改善出水水质，减轻膜污染。国内外对于预氧化控制膜污染的研究主要限于臭氧。适度 的臭氧预氧化能增加了可生物同化有机碳和改善污泥性质,从而可能减轻膜污染，He[20]等人
发现臭氧化能够促进活性污泥中微生物细胞的分解和控制丝状菌膨胀，从而减轻膜污染。然