来源:《环境科技》

摘要：膜污染是制约膜生物反应器广泛应用的主要因素，而曝气过程又作为膜污染控制主要的手段而被普遍使用。曝气过程对膜污染的影响可以分为直接影响和间接影响2方面，直接影响主要为改变膜表面的流体动力学环境，增加膜表面的流体剪切力，以减少和去除膜污染物的附着；间接影响主要为改变反应器中混合液的特性，从而优化或劣化膜过滤的环境条件。

通过控制曝气过程中的关键要素，可以有效减缓膜污染，促进膜生物反应器在更多领域的应用。

关键词：膜生物反应器；膜污染；曝气

膜生物反应器（简称MBR，Membrane Bioreactor）是将生物处理技术和膜过滤技术有机结合的产物［1］。相较于传统生物处理技术，膜生物反应器具有处理效果好、污泥浓度高、可应用范围广等特点［2-4］。然而在近几十年的发展过程中，膜污染问题成为制约膜生物反应器技术广泛应用的主要原因。

膜污染是在膜过滤过程中，各类膜污染物在物理、化学、生物作用下吸附在膜表面，从而导致膜过滤性能下降的现象。常见的膜污染控制方法包括曝气冲刷、混合液特性调节、物理/化学反冲洗等方法，由于膜生物反应器通常需要通过曝气来维持反应器中一定的溶解氧浓度，因此利用曝气冲刷的方式来控制膜污染得到了最为广泛的应用。

虽然几十年来国内外相关学者对曝气控制膜污染相关的课题进行了广泛研究，但其中绝大多数集中在实验研究方面，对众多实验结果的归纳比较却鲜见报道。因此，本文在广泛总结国内外相关研究的基础上，归纳出曝气过程对膜生物反应器中膜污染的主要影响途径，并进一步提出该过程中有效控制膜污染的关键因素，以期为后续实验研究和工程应用提供技术参考。

1曝气过程对膜生物反应器中膜污染的影响途径

曝气过程对膜污染的影响途径可以从直接影响和间接影响2部分来进行分析。直接影响主要为对膜表面流体动力学环境的影响，间接影响主要为通过改变反应器中混合液的特性而导致膜污染特性发生变化，具体见图1。

1.1膜表面流体动力学环境

膜表面流体动力学环境主要影响膜污染物在膜表面的附着，而曝气作用通常会有效改善反应器内和膜表面的流体动力学环境。曝气作用的影响因子可以从曝气强度、气泡特性以及曝气模式3方面进行讨论。

1.1.1曝气强度

曝气强度是曝气过程最重要的参数之一，通常以曝气量和膜面积的比值作为衡量曝气强度的指标。张君等［5］以膜生物反应器处理模拟生活废水为研究体系，考察了曝气强度对系统污染物去除、混合液特性以及膜污染的影响。研究结果表明曝气产生的水力剪切力不是影响污泥粒径大小的主导因素，但水力剪切力有利于缓解膜污染。

陶中兰等［6］则使用计算流体力学的方法研究了曝气条件对浸没式膜生物反应器内流场的影响，模拟结果表明曝气孔径一定时，随着曝气强度的增加，膜面的液相速度也逐渐增加，曝气孔径为1mm时，曝气量为5.5m3/h是膜面的冲刷效果较好。虽然曝气强度的增加可以显著改善膜表面的流体动力学条件，但过高的曝气强度缺不利于污泥絮体的集聚，并且会导致不必要的能耗，因此曝气强度的选择要适中。1.1.2气泡特性

混合液中气泡特性同样改变着膜表面的流体动力学性能。YAMANOI等［7］研究了在平板膜生物反应器中膜间距和气泡大小对膜表面剪切力的影响，发现相比于小气泡，无定形的大气泡更容易在膜间形成较大的剪切力。

王栋等［8］讨论了平板膜生物反应器膜间距与曝气气泡形态对膜污染形成的影响，结果表明在相同比曝气量下，膜间距为4mm时，膜污染程度最轻，气泡形状为球帽形，气泡扭曲变形程度和单个气泡冲刷面积最大，球帽形气泡对于控制膜污染有积极的影响，见图2。

1.1.3曝气模式

曝气模式主要包括曝气装置的形式、布气形式以及曝气系统运行方式等。魏鹏等［9］比较了自由曝气和活塞流曝气方式对平板膜MBR膜组件表面流体力学特性的影响，发现在相同曝气强度下，相比于自由曝气，可控制的活塞流曝气可以获得更佳的压力变化效果。

曝气频率0.33Hz，曝气量2.5L/min的活塞流曝气的压力系数变化幅度要大于5.0L/min的自由曝气。罗南等［10］则用数值模拟的方法分析导流及布气方式对MBR内部流场的影响，发现将曝气管设置于膜元件的正下方得到的膜表面剪切力要优于设置在膜元件间隔区域的情况。

1.2反应器混合液特性

曝气过程不仅直接改变膜生物反应器中混合液的流动特征，影响膜组件表面剪切力的大小，同时也会改变混合液的物理化学特性，间接地反馈到系统膜污染特性上来。

1.2.1EPS和SMP胞外

聚合物（EPS）和溶解性微生物产物（SMP）是2类最为常见的膜污染物，它们主要由蛋白质和多糖类物质组成。近几十年来，国内外学者对EPS和SMP的产生途径、污染机理和控制方法进行了大量的实验和工程研究，其中也包含了曝气作用对体系中EPS和SMP的影响。

刘阳等［11］研究了不同曝气强度下MBR中活性污泥和膜污染特性的变化，发现曝气强度主要影响EPS中外层（LB-EPS）的变化，LB-EPS和蛋白质类LB在整个实验过程中与膜污染速率成正相关，蛋白质是膜污染的主要污染物。

欧阳科等［12］同样比较了曝气量对膜生物反应器污泥特性和膜污染的影响，分别使用了150，200和300L/h的曝气量，结果表明，随着曝气量的增加，混合液中溶解性微生物产物（SMP）的浓度发生了显著升高，其中的成分（蛋白质/多糖）也随曝气量增加而增加，表明膜污染以SMP污染为主。

MENNITI等［13］比较了2套MBR系统在不同曝气强度下EPS的产生情况，其中一套装置的曝气量为另一套的3倍，结果发现曝气量的增加对MBR系统中的EPS和SMP没有直接的影响。因此不同条件下曝气过程对EPS和SMP的影响机制是有差异的，只能根据具体的实验参数针对性分析。

1.2.2污泥粒径

污泥粒径是影响膜孔堵塞、污染物在膜表面附着的另一项重要参数。曝气过程对污泥的粒径分布有显著影响，高曝气量虽然有助于污染物从膜表面去除，但常常会导致污泥絮体大量解体，形成易造成严重膜污染的小颗粒。

张海丰等［14］搭建了500和100L/h2套膜生物反应器以研究曝气量对污泥特性的影响，结果表明500和100L/h的反应器中污泥絮体的平均颗粒粒径分别为57和74.3μm，高曝气量下细小颗粒明显增多，增加了膜孔堵塞的概率，从而减少了膜的有效过滤面积，加快了膜污染过程的发生。

进一步分析发现，高曝气量下小颗粒的增多主要原因为过高的水力剪切作用。然而高小波等［15］则发现曝气强度分别为3和1.5m3/(m2˙h）的条件下，MBR处理石化废水的过程中高曝气量减少了混合液中0~2μm的小颗粒、EPS和SMP，从而降低了膜污染。1.2.3微生物群落结构

曝气方式的不同同样影响着膜生物反应器中微生物群落结构的组成。微生物是MBR中降解污染物的主要角色，同时也是膜污染物质EPS和SMP的产生来源。微生物代谢途径随周围环境的变化而变化，曝气主要通过改变反应器中的溶解氧来影响微生物的组成和代谢。

GAO等［16］在不同的溶解氧浓度下研究了MBR中微生物群落结构的组成，发现在其搭建的好氧MBR中，生物污染主要受到微生物群落结构的影响，低溶解氧浓度导致膜表面的滤饼层中发生了以β-变形菌向δ-变形菌演替的过程，污染类型也从不可逆污染为主向生物污染为主转变。

2曝气过程中有效控制膜污染的关键因素

通过分析曝气过程对膜污染产生的影响，总结出膜生物反应器运行过程中应当关注的重点方面，以达到控制膜污染的目的，从而增加膜寿命，延长使用周期，节约运行成本，推动膜生物反应器技术在更为广阔的范围内得以应用。

2.1确定最优曝气强度

曝气强度是曝气系统运行过程中最为重要的一项参数，过低的曝气强度不利于创造膜表面良好的流体动力学条件，导致膜污染物的自然去除作用减弱；而过高的曝气强度可能导致污泥絮体的解体，产生大量小颗粒，改变混合液中微生物的组成结构和代谢途径。葛根等［17］研究了曝气强度对MBR中污泥混合液可滤性的影响，具体见图3。

发现过高的曝气强度导致污泥混合液的可滤性发生恶化，反应器上清液中相对分子质量大于10000的SMP浓度、细小颗粒和EPS的含量增加，加重膜污染过程。因此应当通过实验或经验公式模拟的方法选择曝气强度的最优值，并在应用过程中根据实际情况进行修正。

2.2选取合适的曝气装置

曝气装置决定着产生气泡的类型、大小、频率，高效合理的曝气装置不仅能在反应器中制造良好的流体动力学条件，增加膜表面剪切力和膜污染物去除概率，同时也有利于能源的节约。射流曝气比传统自由曝气更容易去除膜表面的污染物质，然而同样需要注意使用过程中的参数控制。

陈宇等［18］曾发现射流曝气可以增加MBR系统的氧传质效率和利用效率，增加COD、氨氮等污染物的去除效果，而射流曝气的高强度喷气也使得反应器的污泥絮体变得分散，胶体粒子和细小颗粒明显增加，造成更多的膜孔吸附和堵塞，加剧了膜污染过程。

2.3利用计算流体力学方法优化曝气参数

传统的曝气运行参数优化方法通常为实验法，主要存在效率低、过程复杂等问题。为高效模拟曝气过程对膜表面的流体动力学条件产生的影响，可以采用计算流体力学（CFD）的方法来进行合理的预测与研究。计算流体力学在MBR中的应用近些年得到了长足的发展。

WEI等［19］使用3D-CFD模型模拟平板膜MBR中弹状气泡流的流体动力学特性，与电化学实验得到的数据具有一致性。而LIU等［20］使用CFD方法对MBR中气泡产生的剪切力进行数值模拟，以探究混合液流变学特性和膜组件结构的影响。在国内，也陆续有学者开始进行该方面的研究。

陶中兰等［6］就应用模拟软件对浸没式膜生物反应器内气液两相的流动进行了三维数值模拟研究，考察了不同曝气条件对膜表面气液速度场的分布，发现在相同曝气强度下，最小的曝气孔径可以带来最快的液相速度，形成较大的漩涡区，提升气液两相的接触面积，从而改善膜面冲刷效果。

3结论

曝气作用作为最有效的膜污染控制方法在膜生物反应器应用的过程中得到了广泛的研究，从曝气带来的膜表面流体动力学条件的变化到反应器中混合液特性的变化。虽然目前通过大量研究，学界掌握了该过程的一些基本共识，但仍有许多问题等待解决，如同类型研究结论相悖、缺乏统一的研究标准、实验研究远多于理论模型探讨等。本文梳理了该领域的研究现状，以期为今后的研究和应用提供一定的技术参考。