膜生物反应器（MBR）堵塞类型、成因、影响因素、预防措施及清洗方式

膜生物反应器（MBR）堵塞类型、成因、影响因素、预防措施及清洗方式

膜生物反应器（MBR）在废水处理领域发挥着重要作用，但膜堵塞问题是其运行过程中面临的一个关键挑战，严重影响着系统的性能和运行成本。

 

 

一、MBR堵塞的类型及成因

1.膜表面污染堵塞

（1）. 有机物污染

成因：废水中含有的大量有机物质，如蛋白质、油脂、多糖等，在膜表面吸附、沉积，形成一层有机膜。这些有机物具有较强的粘附性，容易与微生物代谢产物结合，进一步加重堵塞程度。例如，在食品加工废水处理中，废水中的油脂和蛋白质容易在膜表面聚集，导致膜通量下降。据相关研究表明，当食品加工废水中油脂含量超过100mg/L，蛋白质含量超过200mg/L时，膜表面在运行24 - 48小时内就会出现明显的有机污染现象，膜通量下降幅度可达20% - 30%。

影响因素：废水的有机物浓度、种类、pH值以及温度等都会影响有机物在膜表面的污染程度。一般来说，有机物浓度越高、pH值接近蛋白质等物质的等电点时，污染越容易发生；温度较低时，有机物的活性降低，也更容易在膜表面沉积。例如，在pH值为4 - 6的条件下，蛋白质的等电点附近，其在膜表面的吸附量比pH值为7时高出约30% - 50%。

2. 无机物污染

成因：废水中的无机盐类，如钙、镁、铁、硅等的沉淀是导致无机物污染的主要原因。当废水中某些离子的浓度超过其饱和溶解度时，就会发生沉淀反应，在膜表面形成垢层。例如，在一些含有高浓度钙镁离子的硬水地区，MBR系统中容易发生碳酸钙垢的沉积。当废水中钙离子浓度达到200mg/L以上，镁离子浓度达到100mg/L以上，且pH值大于8时，碳酸钙的沉淀速率会显著增加，膜表面可能在短时间内形成较厚的垢层，导致膜通量急剧下降。

影响因素：废水的离子组成、pH值、温度以及水力条件等都会影响无机物的沉淀。例如，pH值的升高会使碳酸钙的溶解度降低，从而更容易形成沉淀；水流速度较低时，无机物颗粒有更多的时间在膜表面沉积。研究表明，当水流速度从1m/s降低到0.1m/s时，碳酸钙在膜表面的沉积速率会增加约5 - 10倍。

3.微生物及其代谢产物污染

成因：MBR系统中的微生物在生长代谢过程中会产生胞外聚合物（EPS），这些EPS具有粘性和吸附性，容易附着在膜表面。此外，微生物的繁殖和死亡也会导致细胞碎片等物质在膜表面的积累。例如，在长期运行的MBR系统中，微生物群落的演替可能导致某些产EPS能力较强的微生物大量繁殖，从而加重膜污染。据研究，在一些污水处理厂的MBR系统中，EPS的含量可达到10 - 50mg/L，其中蛋白质和多糖的含量分别占EPS总量的40% - 60%和20% - 40%，这些EPS物质会在膜表面形成厚厚的生物膜，导致膜通量下降。

影响因素：废水的营养物质含量、溶解氧水平、温度以及微生物的种类和数量等都会影响微生物及其代谢产物的产生和积累。例如，高营养水平的废水有利于微生物的生长繁殖，可能导致EPS的产生量增加；溶解氧不足时，微生物的代谢途径可能会发生改变，产生更多的粘性物质。当废水中化学需氧量（COD）与氮、磷的比值大于200时，微生物生长旺盛，EPS的产生量比正常条件下高出约20% - 30%。

2.膜孔堵塞

（1）. 微小颗粒和胶体物质的堵塞

成因：废水中含有的微小颗粒和胶体物质，如泥沙、黏土、藻类等，其粒径较小，容易通过物理过滤进入膜孔内部，逐渐堵塞膜孔。这些微小颗粒和胶体物质可能来自于原水的悬浮物、微生物代谢产物以及废水处理过程中产生的絮凝体等。据调查，在一些地表水为水源的MBR系统中，水中悬浮物粒径小于2μm的部分可占总悬浮物的30% - 50%，这些微小颗粒容易进入膜孔，导致膜孔堵塞。

影响因素：废水的悬浮物浓度、胶体物质的性质以及膜孔径大小等都会影响微小颗粒和胶体物质的堵塞程度。一般来说，废水悬浮物浓度越高、胶体物质的稳定性越差，越容易进入膜孔；膜孔径越小，被堵塞的风险也越高。当废水悬浮物浓度从50mg/L增加到200mg/L时，膜孔堵塞的风险会增加约3 - 5倍。

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2. 生物膜的生长堵塞

成因：在膜表面和膜孔内，微生物会在适宜的环境条件下生长形成生物膜。生物膜的生长会逐渐占据膜孔空间，导致膜孔堵塞。生物膜的形成与废水中的营养物质、溶解氧、温度等因素密切相关，同时也受到膜表面性质的影响。研究表明，在适宜的温度（20 - 30℃）、溶解氧（2 - 8mg/L）和营养物质条件下，微生物在膜表面的生长速率可达0.1 - 0.3mm/d，形成的生物膜厚度可在短时间内达到几十微米，严重影响膜的通量。

影响因素：废水的有机物浓度、溶解氧水平、温度以及膜的亲疏水性等都会影响生物膜的生长速度和堵塞程度。例如，在有机物浓度较高、溶解氧充足且膜表面亲水性较差的情况下，生物膜更容易生长和堵塞膜孔。当废水中COD浓度超过500mg/L，溶解氧含量为4 - 6mg/L，膜表面接触角大于90°（亲水性较差）时，生物膜的生长速率比正常条件下高出约40% - 60%。

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 二、MBR堵塞的影响因素

1.废水水质

废水的性质对MBR堵塞有着重要影响。高浓度有机物、无机盐、悬浮物以及微生物含量等都会增加膜污染的程度。例如，在印染废水处理中，废水中的染料、助剂等有机物以及重金属离子等无机物容易在膜表面和膜孔内沉积，导致堵塞。据研究，印染废水中染料浓度每增加100mg/L，膜通量的下降速率会增加约15% - 20%；重金属离子（如铜、锌等）浓度超过5mg/L时，也会显著加速膜的污染过程。

2.操作条件

（1）. 流速

较低的流速会使废水在膜表面的停留时间过长，增加了污染物沉积的机会，容易导致膜堵塞。而较高的流速虽然可以减少污染物的沉积，但也会增加膜的剪切力，对膜造成机械损伤。研究表明，当流速低于0.5m/s时，膜表面污染物的沉积速率会显著增加；而当流速超过2m/s时，膜的机械损伤风险会加大。因此，一般建议MBR系统的流速控制在0.8 - 1.5m/s之间。

（2）. 压力

 过高的跨膜压力会加速污染物在膜表面的吸附和沉积，同时也会使更多的污染物进入膜孔内部，导致堵塞加剧。据实验数据，当跨膜压力从0.1MPa增加到0.3MPa时，膜表面污染物的沉积量会增加约30% - 40%。因此，在实际运行中需要合理控制跨膜压力，一般将其控制在0.05 - 0.2MPa范围内。

（3）. 曝气强度

 曝气在MBR系统中起着重要的作用，不仅可以为微生物提供氧气，还可以通过气泡的上升作用对膜表面产生剪切力，防止污染物沉积。然而，曝气强度过大可能会对膜造成冲刷损伤，而曝气强度过小则无法有效防止膜堵塞。研究发现，当曝气强度为10 - 20L/(m?·h)时，能有效防止膜表面污染物的积累；当曝气强度超过30L/(m?·h)时，膜的冲刷损伤风险会明显增加。

3.膜的特性

（1）. 膜材料

不同的膜材料具有不同的表面性质和化学稳定性，对污染物的吸附和抗污染能力也有所不同。例如，聚偏氟乙烯（PVDF）膜具有较好的化学稳定性和抗污染性能，而聚丙烯腈（PAN）膜则相对容易受到有机物的污染。据对比实验，在相同废水条件下运行一段时间后，PAN膜的通量下降幅度比PVDF膜高出约25% - 35%。

（2）. 膜孔径

膜孔径的大小直接影响着污染物的截留效果和堵塞风险。较小的膜孔径可以更有效地截留污染物，但同时也更容易被微小颗粒和胶体物质堵塞；较大的膜孔径虽然可以减少堵塞的风险，但对污染物的截留效果会降低。研究表明，当膜孔径从0.1μm减小到0.01μm时，对污染物的截留率可从80%提高到95%以上，但膜堵塞的风险也会增加约3 - 5倍。

 三、MBR堵塞的预防措施

 1.优化废水预处理

在废水进入MBR系统之前，进行有效的预处理可以去除大部分的悬浮物、大颗粒物质以及部分有机物，减轻膜污染的程度。常见的预处理方法包括格栅、沉砂池、混凝沉淀、过滤等。例如，采用格栅可以有效去除废水中粒径大于10mm的漂浮物和悬浮物；沉砂池可以去除粒径大于0.2mm的砂粒等无机颗粒；混凝沉淀可以使废水中悬浮物的去除率达到80% - 90%；过滤则可以进一步去除粒径较小的颗粒和胶体物质，使进入MBR系统的废水水质得到显著改善。

2.合理控制操作条件

（1）. 流速控制

根据膜的特性和废水的性质，合理调整废水的流速，使其既能保证污染物的有效去除，又能减少膜堵塞的风险。一般来说，建议采用较高的表面流速，以增强膜表面的剪切力，防止污染物沉积。例如，在一些实际运行的MBR系统中，将表面流速控制在1.0 - 1.2m/s时，膜表面的污染物沉积速率明显降低，膜通量的稳定性得到提高。

2. 压力控制

严格控制跨膜压力，避免过高的压力导致膜堵塞加剧。可以通过安装压力监测装置，实时监测跨膜压力的变化，并根据实际情况调整运行参数。例如，当跨膜压力超过设定值（如0.15MPa）时，自动降低曝气强度或调整废水流量，以维持跨膜压力在合理范围内。

（3）. 曝气控制

合理调整曝气强度，确保膜表面有足够的剪切力来防止污染物沉积，同时避免对膜造成损伤。曝气强度可以根据膜的类型、废水的性质以及系统的运行情况等因素进行调整。例如，对于容易发生污染的废水，在系统运行初期，可以适当增加曝气强度，以增强膜表面的清洗效果；随着系统运行的稳定，再逐渐降低曝气强度，以节约能源。

3.选择合适的膜材料和膜组件

根据废水的水质特点和处理要求，选择具有良好抗污染性能的膜材料和膜组件。例如，对于容易受到有机物污染的废水，可以选择表面亲水性好的膜材料；对于含有高浓度无机盐的废水，可以选择耐化学腐蚀的膜材料。据研究，表面接触角小于70°（亲水性较好）的膜材料在处理有机废水时，其抗污染性能比接触角大于90°的膜材料高出约40% - 50%。

四、MBR堵塞的清洗方法

1.物理清洗

（1）. 反向冲洗

反向冲洗是一种常用的物理清洗方法，通过反向水流的作用，将膜表面的污染物冲刷掉。反向冲洗的频率和强度需要根据实际情况进行调整，以避免对膜造成损伤。一般来说，定期进行反向冲洗（如每隔8 - 24小时冲洗一次），每次冲洗时间为10 - 30分钟，可以有效去除膜表面的大部分污染物，恢复膜通量。实验表明，经过反向冲洗后，膜通量可恢复到初始通量的80% - 90%左右。

2. 气水混合清洗

    气水混合清洗结合了气泡的上升作用和水流的冲刷作用，可以更有效地去除膜表面的污染物。在气水混合清洗过程中，气泡在膜表面破裂时产生的冲击力可以将污染物从膜表面剥离下来，同时水流可以将剥离下来的污染物带走。据研究，气水混合清洗（气水比为1:1 - 2:1）的效果比单纯的水力冲洗要好，膜通量的恢复率可提高10% - 20%。

2.化学清洗

（1）. 酸洗

 对于无机物污染，如碳酸钙垢、硫酸钙垢等，可以采用酸洗的方法进行清洗。常用的酸包括盐酸、柠檬酸等。酸洗时需要注意控制酸的浓度和清洗时间，避免对膜造成腐蚀。例如，采用浓度为2% - 5%的盐酸溶液进行酸洗，清洗时间为30 - 60分钟，可以有效去除碳酸钙垢，但酸洗后需要对膜进行彻底的冲洗和中和处理，以防止残留的酸对膜造成损害。

（2）. 碱洗

 对于有机物污染，如油脂、蛋白质等，可以采用碱洗的方法进行清洗。常用的碱包括氢氧化钠、氢氧化钾等。碱洗时需要注意控制碱的浓度和温度，防止膜材料受到损伤。例如，采用浓度为1% - 3%的氢氧化钠溶液，在温度为40 - 60℃的条件下进行碱洗，清洗时间为40 - 90分钟，可以有效地去除膜表面的有机污染物。

（3）. 氧化剂清洗

对于微生物及其代谢产物污染，可以采用氧化剂进行清洗。常用的氧化剂有次氯酸钠、过氧化氢等。氧化剂可以破坏微生物的细胞结构，去除生物膜和胞外聚合物等污染物。例如，采用浓度为50 - 200mg/L的次氯酸钠溶液进行清洗，清洗时间为60 - 120分钟，可以有效地杀灭微生物，去除生物膜，恢复膜通量。

五、总结

MBR堵塞问题是影响其运行效果和使用寿命的关键因素之一。深入了解MBR堵塞的类型、成因以及影响因素，采取有效的预防措施和清洗方法，对于保证MBR系统的稳定运行和提高废水处理效率具有重要意义。在实际应用中，需要根据具体的废水水质和运行情况，综合考虑各种因素，制定合理的运行和维护方案，以确保MBR系统的高效、稳定运行。