MBR膜过滤过程中，由于浓差极化和膜表面滤饼层的形成，跨膜压力逐渐上升，膜通量下降，即发生膜污染（如图１）．

图1 膜表面浓差极化现象

目前，膜污染控制方法主要有曝气冲刷、化学清洗、生物控制及电辅助除垢等。其中，曝气冲刷相对其他控制方法具有操作简单、不产生二次污染物等优点，是MBR中重要的污染控制方法。

01曝气控制膜污染的机理

曝气时依靠空气泡的搅动在膜表面形成交错流产生剪切力和扰动力，使生物凝聚体等大分子在其作用下脱离膜表面，控制膜表面浓差极化和滤饼层的形成，提高膜通量，延长膜操作运行周期。

图2 污染物颗粒受力分析

剪切力（通常用剪切应力表征）主要由曝气引起的气液运动状态所决定。曝气对中空纤维膜表面的平均切应力包括３个部分：
（１）气泡上升引起局部液体流态变化产生的剪切应力；
（２）气泡横向运动引起液体流动产生的剪切应力；
（３）气泡横向运动直接产生的剪切应力。
因液体的黏度远大于气体，控制膜污染主要以上述（１）、（２）为主。

02影响曝气效果的因素

关于曝气控制膜污染的影响因素有多种，主要包括气泡形态、气泡流态、曝气强度及曝气方式等。

1.气泡形态
在MBR中，根据气泡形态可将气泡分为球状、椭球状和球帽状（如图3）。球状气泡直径一般为1.5-3.0ｍｍ，沿直线上升，无尾流区域；椭球状气泡直径一般为3.0-10.0 ｍｍ，绕一竖直轴呈螺旋状上升，尾部有大小接近气泡尺寸的涡流区；球帽状气泡直径一般为10.0-20.0ｍｍ，上升过程中摆动明显，尾部具有比气泡尺寸大两倍以上的涡流区。

图3 气泡形态

    气泡形态主要由曝气器孔径和曝气量决定。气泡尺寸较大的球帽状气泡可使膜间较多区域形成湍流，增大剪切力。因此，合适曝气器孔径和曝气量不仅能降低能耗，还能通过产生球帽状气泡增大剪切力，缓解膜污染。

2.气泡的流态
在MBR中，气泡流态由气泡与膜间距所决定，主要分为泡状流和柱塞流（如 图4）。当气泡尺寸远小于膜间距时，气泡流态以泡状流为主；当气泡尺寸接近 或大于膜间距时，气泡流态以柱塞流为主。

图4 气泡流态类型

气泡流态不同引起的剪切力也不同。相对于泡状流，柱塞流的降膜区域内因液体无翻转运动的空间而能产生更大的剪切力，有利于去除膜表面污垢，此外，柱塞流尾流区域剧烈的二次湍流也能增大剪切力，可对膜表面污垢进行二次冲刷。总体而言，柱塞流能有效增大剪切力，主要归功于降膜区域和尾流区域。

3.曝气强度
曝气强度是MBR运行中的重要参数之一，反映了曝气量的大小，与膜表面的剪切力大小正相关。曝气强度较小时，曝气产生的水力剪切力不足以去除膜表面的污染物，但是过大的曝气量会导致污泥絮体破碎，产生大量小颗粒的胶体和溶解性物质，这些物质容易吸附在膜孔内，造成更为严重的膜污染。

4.曝气方式
曝气方式大致可分为连续式和间歇式，对曝气方式的优化、选择，不仅影响膜污染控制效果，而且对反应器能耗有重要影响。大量研究证明，间歇性曝气的膜通量比连续性曝气能维持更久，同时间歇性曝气更有利于反应器能耗的节省。

03曝气对生化的影响

在MBR中，膜污染与微生物生长代谢有直接关系，尤其在好氧膜生物反应器中，曝气提供了微生物生长所需的溶解氧。溶解氧是影响污泥混合液生物化学特性的重要因素。当溶解氧含量较低时，污泥混合液粒径减小，高相对分子量的溶解性微生物产物（SMP）增加，进而增大过滤阻力。

但高强度曝气会导致污泥裂解，降低污泥絮体粒径，提高相对分子量的SMP含量，加剧膜污染。

曝气强度还会影响胞外聚合物（EPS）含量。EPS是微生物细胞分泌的一种黏性物质，对污泥絮体的形成起重要作用。高强度曝气的反应器内EPS总量相对较高，高含量的EPS会与膜以化学键的形式紧密结合，从而改变膜的渗透特性，降低膜的过滤通量。

 因此，曝气量在一定单位内增大时，有利于减轻膜污染，但增大到一定程度时，继续提高曝气量，不会对膜污染控制产生有利的影响。MBR在一定的操作条件下运行时，存在一个满足膜抗污染需求的最小曝气量，即临界曝气量。临界曝气量的确定对避免曝气能耗浪费，提高MBR系统运行的经济性具有重要的意义。

04总结

 曝气冲刷控制MBR膜污染关键因素有以下几点：
（1）控制和优化柱塞流的球帽状气泡产生方式，使这种气泡能稳定均匀地分布在反应器内；
（2）优化曝气方式，进行间歇性曝气，提高曝气效果的同时，降低曝气能耗；
（3）结合流体力学和生物化学机理，综合确定合适的曝气操作条件，以降低能耗、提高效率。