用于工业废水处理的膜生物反应器中聚合物膜的稳定性和耐久性

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Stability and durability of polymeric membranes in membrane bioreactors for industrial wastewater treatment

本研究评估了两套MBR系统处理混合石化及制药工业废水的长期稳定性与膜耐久性。结果表明，MBR2因预处理更稳定，COD去除率达88.4%，但MBR1在THF冲击下膜结构更完整，长期耐久性更优。

　　膜生物反应器（MBR）技术近年来在工业废水处理中得到了广泛应用，因其在废水处理效率和水质保障方面表现出色。然而，面对复杂且多变的进水条件，如何维持系统的稳定运行以及膜的耐久性仍然是一个亟待解决的问题。本研究通过评估两个不同规模的MBR系统在处理混合石油化学与制药工业废水时的表现，深入探讨了膜生物反应器在实际应用中的性能与耐久性关系。

在实验过程中，这两个MBR系统在一年的连续运行中，均表现出较高的化学需氧量（COD）和氮的去除效率。特别是在动态变化的进水条件下，系统的运行表现依然稳定。其中，MBR2表现出更优异的性能，其平均COD去除率为88.4%±5.3%，而氨氮（NH??）的去除率为93.0%±15.0%。这种差异主要归因于MBR2中安装了预过滤装置，该装置有效减少了泡沫生成和生物量损失，从而提升了膜的运行效率和稳定性。

尽管两个系统都经历了膜污染问题，但通过合理的清洗策略，这些污染在一定程度上是可控且可逆的。在一年的连续运行后，两系统的膜在物理结构上仍然保持完整，这表明膜材料具有一定的耐久性。然而，实验还发现，有机溶剂——特别是四氢呋喃（THF）——对膜的去除性能产生了显著影响。在THF冲击负荷下，MBR1的膜表现出更强的耐久性，其物理化学性质变化较小，因此在去除效率上保持相对稳定。相比之下，MBR2虽然在整体性能上更优越，但其对操作波动和进水冲击负荷的耐受能力较弱。

本研究不仅揭示了膜生物反应器在处理工业废水中的性能特点，还强调了膜耐久性与系统稳定性之间的平衡关系。通过分析不同处理条件下的膜性能变化，研究团队提出了适用于实际工程的膜污染控制和清洗优化策略。这些策略对于提高膜生物反应器的长期运行效率和减少维护成本具有重要意义。

在实际应用中，膜生物反应器的性能表现受到多种因素的影响，包括进水水质、操作条件、膜材料特性以及清洗策略的有效性。工业废水通常含有高浓度的有机物、难降解化合物和有毒化学物质，这些成分对生物处理系统和膜组件都构成了挑战。此外，工业废水的负荷和成分变化较大，容易导致生物处理系统的运行不稳定。例如，COD浓度的突然升高可能会显著降低氨氮和总氮的去除效率，而有机溶剂的冲击负荷则可能导致膜性能的急剧下降。

因此，提高膜生物反应器在复杂工业废水处理中的适应能力，是实现其大规模应用的关键。研究团队通过设置两个不同的MBR系统，模拟了实际工业废水处理的复杂条件，并对系统的运行稳定性、膜性能变化以及污染控制策略进行了系统的评估。实验结果显示，膜生物反应器在长期运行中能够保持较高的处理效率，但其耐久性仍然受到进水成分和操作条件的显著影响。

在实际工程中，膜污染是影响MBR系统运行效率和经济性的主要因素之一。膜污染通常由有机物质的沉积和孔隙堵塞引起，这些物质包括多糖、腐殖酸和蛋白质等，它们会在膜表面形成滤饼层，导致跨膜压（TMP）的快速上升。为控制膜污染，通常采用机械清洗（如反冲洗和曝气）、化学清洗（如使用次氯酸钠）或生物清洗（如利用群体感应淬灭）等方法。其中，化学清洗是最常用于恢复膜通量的方法，但频繁且强烈的化学清洗可能会导致膜材料的退化，缩短其使用寿命，增加维护成本。

本研究通过实验数据，进一步验证了膜生物反应器在处理工业废水中的实际可行性。实验中，两个系统在不同进水条件下持续运行，并对膜的物理结构和化学性质进行了详细的分析。这些分析包括拉拔测试、固化硬度测量、泡点压力测试以及膜表面形貌的显微观察。通过这些测试，研究团队能够评估膜的耐久性，并为优化膜污染控制策略提供依据。

此外，研究还发现，膜材料的化学特性在很大程度上决定了其在工业废水处理中的性能表现。大多数膜材料由聚偏二氟乙烯（PVDF）或聚醚砜（PES）等聚合物制成，这些材料在面对化学复杂的工业废水时，容易发生降解。尽管PVDF因其良好的化学稳定性而被广泛采用，但其对某些极性有机溶剂的敏感性可能导致膜材料的膨胀、溶解或脆化，从而影响其长期性能。因此，选择合适的膜材料以及优化其使用条件，对于提高膜生物反应器的运行效率和延长其使用寿命至关重要。

综上所述，膜生物反应器在处理工业废水方面具有显著的优势，但其在复杂和多变的进水条件下，仍然面临性能稳定性和膜耐久性之间的权衡问题。通过合理的设计、优化的运行条件以及有效的污染控制策略，可以最大限度地提升MBR系统的运行效率和经济性。本研究的结果不仅为膜生物反应器在工业废水处理中的实际应用提供了理论依据，也为未来的工程实践提供了宝贵的参考。