膜生物反应器工艺要分离的混合悬浮物主要是微生物絮凝物。

引起膜污染的物质有四大类，即无机物、有机物、胶体、微生物，这四大类造成膜的堵塞。堵塞的成因涉及五个方面的理论，即滤饼层的形成、吸附性污染的界面热力学、临界流量假设、气液两相流的性质、微生物污染。

1.滤饼层的形成 滤饼层的形成有三个原因，一是在错流过滤的情形下，进料液流动的方向平行于膜表面。膜表面的截留物，一部分被进料液的剪切作用带走成为浓缩液，一部分沉积在膜表面，形成不断增厚的滤饼层；二是滤饼层的形成与进料液的组成、膜表面性质和膜的运行方式有关；三是由于浓差极化的现象导致悬浮物在膜表面富集、浓缩，于是在超临界区形成了滤饼层。在流体压力作用下，滤饼层进一步压缩，并更牢固地附着在膜表面，加上分子间的相互吸引，膜表面的悬浮物有可能更牢固地吸咐在膜表面，这样形成的滤饼层难以通过膜表面的错流、空气擦洗所产生的剪切力去除，只有针对性的化学清洗才能去除。

2.吸附性污染的界面热力学 热力学是从能量转化的观点研究物质的热性质，它不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用，可以应用热力学第一定律来研究达到的热平衡。

膜污染与膜材料有关，膜材料的亲水化程度越高越耐污染，水的接触角θ_M<30°的膜不易发生污染，陶瓷膜的接触角θ_M<30°。

吸附性污染是源于膜表面的分子基团与透过液分子之间的吸附作用，它属于微观的、分子层次的现象。它的成因与防治对策需要精确地表征微观的相互作用与宏观的吸附之间的关系。当膜表面吸附极性相似的分子时，吸附界面的张力小，所以膜表面的吸附层能够稳定地存在。吸附性膜污染直接决定于膜表面的分子性质、凝聚态性质、污染源极性。组分贡献法比较精确地描述这种现象。分子间的力分为两种类型：Lifshitz-van der Waals力（表示为rLW）和酸碱力Lewis（r+，r-），任何一个表面张力都表示为它们的线性叠加。Lifshitz-van der Waals力包含色散力、偶极-诱导偶极力、偶极-偶极力。以上分类实质上是把分子间的力分类成极性作用和电子转移引起的酸碱力，对极性和非极性作用进行表征，就可评价污染源对膜表面的吸附性质。

ΔF_FWM=γ_FM-γ_FW-γ_WM （10-1）

式中 ΔF_FWM——吸附自由能；

γ_FM——污染物在膜表面的张力；

γ_FW——污染物浸没于水的张力；

γ_WM——水表面张力。

如果吸附自由能为负，说明目标污染物能够在膜表面吸附；如果吸附自由能为正，说明目标污染物不可能在膜表面吸附，高分子分离膜和污染物的表面性质都以Lifshitz-van der Waals力和L酸碱力来表征，式（10-1）可换算成该两力进行表达。所以在高分子膜应用于特定的体系之前，可以先测定该体系的目标污染物和膜的表面性质，然后通过式（10-1）评价膜污染的可能性。这种理论较深，这里只作简要介绍。

3.临界流量假设 膜污染有可恢复与不可恢复两种，膜通量长期降低，并且采用简单的清洗方法无法恢复，就表示不可恢复膜污染的存在，它一般由胶体物质在膜表面的沉积引起。在任何一个膜系统中，胶体物质在膜表面的传质直接影响膜通量的大小，胶体物质开始发生沉积时的膜通量被称为临界膜通量，在临界膜通量以下，膜通量的大小与膜驱动压力成正比，而且运行稳定，临界膜通量是水力条件的函数，随错流速度的增加而提高，是错流速度的线性函数，临界膜通量的值还与膜和污染物的性质有关。MBR在次临界膜通量下运行时可以维持轻污染、低能耗的状态，从而大大减少膜清洗。

（1）膜通量。MBR运行的膜通量与一系列复杂的内在关联的参数有关，包括膜驱动压力（TMP）、错流速率、膜孔大小和污泥特性，对于膜孔径为0.4μm的浸没式板框NBR，标准设计膜通量为0.5m³/（m²·d），外置式MBR因为在较高的压力下运行，所以比浸没式的实际膜通量要大，较大的压力需要较大的膜表面液体剪切速率来控制膜的污染，浸没式MBR的比膜通量比相应的外置式MBR的比膜通量高2～4倍。

（2）污泥浓度。污泥浓度对于MBR动态层厚度和黏度都有作用，黏度可以改变水动力学、剪切力和滤饼层表面，剪切力增加时，黏度减小，间歇曝气可以加强胞外聚合物的降解程度，同时减小黏度，外置式黏度的增加变得很重要，因为黏度增加，错流速率减小，要保持紊流状态，就要增大驱动压力，在浸没式系统中，因错流速率较低，污泥浓度高是允许的。

（3）能耗。MBR能耗来自抽吸泵和曝气的运行，浸没式MBR必需的错流速率由曝气产生，必需的压力来自膜上的水头，而外置式采用泵来产生足够的压力和速度，因此浸没式总能耗要比外置式低。在外置式系统中，曝气占总能耗的20%～50%，在浸没式系统中，曝气占总能耗的80%～100%，计算与试验表明，外置式系统总能耗是浸没式系统总能耗的30倍。

（4）消毒。MBR具有去除大量细菌和病毒的能力，尽管膜孔径大于微生物的尺寸，MBR膜孔径0.4μm，细菌和噬菌体平均大小为0.2μm，膜污染后，膜表面形成凝胶层，造成膜有效孔径减小，病毒去除率更高。

（5）浸没式错流速率。浸没式错流速率很难准确定义，因为浸没式错流速率是由曝气产生的，曝气引起的运动与反应器的配置和构形有关，在板框式系统中，气泡运动引起的是流经刚性膜表面的表面液体速率，而在中空纤维系统中，曝气引起的是单根自由运动纤维的颤动。实验证实，空气量对板框式膜和中空纤维膜都有正面影响，在0.3m/s的速率以上时，气液两相流的流速和膜通量之间存在一个线性关系。

（6）临界流量。在边界状态，对于任何一个特定的微滤体系，都存在一个临界流量J_c，膜生物反应器工艺的临界流量如图10-2所示。当膜的渗透通量低于临界流量时，膜的边界层形成滤饼的速度为零，膜的过滤阻力不随时间或跨膜压差的改变而改变；当膜的渗透通量大于临界流量时，膜的边界层逐渐形成滤饼，膜的过滤时间延长，跨膜压差增加。

图10-2 膜生物反应器工艺的临界流量

大多数浸没式工艺都可以在亚临界区长期地稳定运行，临界流量对应的临界压力大多数处于20～30kPa之间，相应的水透率大约为15～30L/（m²·h），亚临界区不存在跨膜压差引起的滤饼层。

临界流量的测定介绍如下：(www.daowen.com)

浸没式膜生物反应器用抽吸泵负压吸引作用实现膜的驱动力，采用流量恒定的方式进行，即恒流过滤。在恒流过滤时，渗透通量超过临界流量时，悬浮物在膜表面沉积形成滤饼，由于需要维持恒定的流量，所以跨膜压差会增加；跨膜压差的增加同时又促进悬浮物在膜表面的进一步沉积。在这种情况下，跨膜压差会持续增加，基于这种现象就出现了流量阶梯测定法。

1）测量设备如下：

①有机玻璃做的透明的水槽。

②三台不锈钢泵，分工为：一台抽产水，一台反洗，一台曝气流量1m³/h，扬程2m。

③曝气嘴及其系统，能调节气水比及气泡形状。

④流量计两件，30L，每一格为1L。

⑤压力表两件，产水及反洗，表盘0.1MPa、1MPa各1件。

⑥用4inPVC管材。

2）采用2L、15min为一个阶梯。

①从较低流量开始恒定流量持续过滤一段时间，同时记录跨膜压差的变化。

②将通量提高一个“阶梯”，恒流过滤一段时间，同时记录跨膜压差的变化（阶梯的选择在2～5L/m²·h左右，时间采用15～20min左右）。③不断重复②，得到如图10-3所示的曲线，流量阶梯法测定临界流量。④对曲线进行分析，在临界流量附近会看到跨膜压差有突然的飞跃。

图10-3 流量阶梯法测定临界流量

4.气液两相流的性质 在膜丝垂直放置的情况下，曝气除了提供微生物新陈代谢必需的氧外，还起到了清洗滤饼的作用，减小浓差极化和膜污染，最常见的是气泡流和节涌流。节涌流的效果比较好，只有当子弹状的气泡大小接近（≈60%）管道尺寸时才会出现节涌流，一些小气泡紧跟着子弹状的大气泡。

气液两相流的模式也能够根据两相流动速度或体积流量（Q_气、Q_液）来区分，空气注射因子ε的计算公式为

当ε＜0.2时，气泡分散于液体里成为气泡流；当0.2<ε<0.9时，部分气泡聚集产生子弹状气泡的节涌流；当ε>0.9时，大多数小气泡聚集而形成扰动流或环型流。与小气泡相比，一方面大气泡的节涌流能够产生更强大的次级流，并激发更大的涡旋区，可以更好地促进浓差极化层的物料混合；另一方面大气泡的节涌流还减少了潜在起泡沫的风险。节涌流是较理想的在膜组件中起到曝气清洗作用的气液两相流，要避免使用多孔管式分布器，而采用T型曝气器或电磁阀导入气流的方法才容易实现，导入气流的速度可以根据空气注射因子作初步估计。曝气频率太高或太低都不利于产生节涌流，所以存在一个恰当的间歇周期可以获得最佳的清洗效果。2～5mm的气泡作为曝气工艺的设计参数。

加拿大Zenon公司的帘式膜组件，每片膜元件（长0.7m、宽0.2m、高2m）的膜面积368m²，膜组件由8块膜元件组成。毛细管式膜（外径1.9mm）组装成一簇簇成环型的束，垂直地浇注在顶部和底部的模块内。曝气器固定安装在膜单元的底部，连续的曝气流在两束膜丝之间向上浮动，引起膜丝振动并在膜丝之间产生激烈的湍流。此外，曝气器还循序地在膜单元的两边间歇曝气，这样能在膜丝之间产生脉冲式气流，试验发现10s/10s的间歇周期要比5s/5s、15s/15s的周期更有效地去除滤饼层的污染，这个周期易产生节涌流。

5.微生物污染 微生物污染是导致膜水通量衰减的主要原因。微生物污染有两种形式：第一种形式是胶状物质粘连，这种胶状物质称为胞外聚合物，是微生物新陈代谢产生的，外表很黏稠，似凝胶体，是细菌新陈代谢的分泌产物，包裹在细胞壁外面，由大量高分子组成，如蛋白质和杂多糖类物质，并呈负电性，该胶状物质在膜分离过程浓缩并吸附在膜表面或孔道内壁，严重地堵塞了膜孔；第二种形式是生物膜，这种生物膜是细菌吸附在膜表面并不断增殖而形成的。微生物的代谢产物，如胞外聚合物、溶解性微生物产物等胶体物质或溶解性大分子仅占相当少的分量。

对微生物污染第一种形式的去除，物理清洗、化学清洗都束手无策，许多学者将其归为不可逆转的污染，采取的修复措施就是换膜。实际上可用生物清洗法解决这一难题，用酶制剂，用蛋白水解酶清洗，能有效地切断蛋白质和有机污染物的分子链，百分之百恢复膜的水透率，具体方法是用低温清洗法：将蛋白水解酶和碱性清洗剂混合，用盐酸调pH=9.3，25～30℃。先用含清洗剂的水溶液循环冲洗膜组件1h，然后在调好的清洗剂中静置浸泡24h，再次循环冲洗膜组件1h，最后用水清洗干净残留的清洗剂。其清洗成本比化学清洗高一些，但尚可接受。微生物污染第二种形式生物膜，可用物理清洗法，即水力清洗去除。

保证膜稳定运行的理论，即膜堵塞的五个方面的理论，指明了膜发展的前景，前四点理论解决了膜水通量衰减的问题，最后一点从根本上解决生物污染问题，正确地运用该理论可使膜能长期低成本运行。