膜生物反應(yīng)器：在污水處理中的研究和應(yīng)用

【學(xué)員問(wèn)題】膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的應(yīng)用？

【解答】膜生物反應(yīng)器作為一種新型高效的生物處理技術(shù)和綠色技術(shù)，在水處理領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文綜述了膜生物反應(yīng)器發(fā)展過(guò)程，膜生物反應(yīng)器的構(gòu)型、好氧膜生物反應(yīng)器和厭氧膜生物反應(yīng)器及應(yīng)用情況。膜污染及其防治，以及膜生物反應(yīng)器的推廣與應(yīng)用。

膜生物反應(yīng)器（MembraneBioreactor，簡(jiǎn)稱MBR）技術(shù)是一種新型高效的污水生物處理技術(shù)，它集膜的高效分離和生物降解于一體，是膜技術(shù)和污水生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合產(chǎn)生的污水處理新工藝。與傳統(tǒng)污水處理生物處理工藝相比，MBR具有出水水質(zhì)好、系統(tǒng)處理效率高、高負(fù)荷率、占地面積小、剩余污泥少等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際上發(fā)展迅速并受到廣泛關(guān)注，工程數(shù)量和處理規(guī)模不斷增加，因而得到了人們?cè)絹?lái)越多的重視，已成為國(guó)外如水環(huán)境研究基金會(huì)（WERF）和國(guó)際水協(xié)會(huì)（IWA）的研究重點(diǎn)之一。MBR自開(kāi)始研究和應(yīng)用的近30年來(lái)，已經(jīng)進(jìn)化了幾代MBR系統(tǒng)，已逐步應(yīng)用于市政污水、工業(yè)廢水的處理及回用之中。

膜生物反應(yīng)器的發(fā)展概述：MBR的研究始于20世紀(jì)60年代末的美國(guó)。Dorr-Olover公司開(kāi)發(fā)出MST工藝（membranesewagetreatment），在該工藝中污水先通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鼓型曬網(wǎng)，然后進(jìn)入生物反應(yīng)器，通過(guò)對(duì)超濾膜組件的抽吸作用連續(xù)出水，膜通量為16.9L/（㎡.h）。盡管采用膜過(guò)濾代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥工藝中二沉池的想法很吸引人，但由于受當(dāng)時(shí)制備技術(shù)的限制，膜的使用壽命短、膜通量小，膜生物反應(yīng)器技術(shù)僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究規(guī)模，未能投入實(shí)際應(yīng)用。早期的MBR均為外置式設(shè)計(jì)，為降低膜污染，必須通過(guò)循環(huán)泵使混合液懸浮固體在膜表面形成高的錯(cuò)流速率，因?yàn)槟芎母摺?/p>

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題整理而成，供參考，如有問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)溝通、指正。

【學(xué)員問(wèn)題】MBR技術(shù)在污水處理的應(yīng)用？

【解答】摘要：介紹了MBR在國(guó)內(nèi)外污水處理中的研究及應(yīng)用，以及MBR技術(shù)的分類及特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器污水處理特點(diǎn)

膜生物反應(yīng)器（MembraneBioreactor，簡(jiǎn)稱MBR），是由膜分離和生物處理結(jié)合而成的一種新型、高效的污水處理技術(shù)。膜分離技術(shù)最早應(yīng)用于微生物發(fā)酵工業(yè)，隨著膜材料和制膜技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已經(jīng)涉及到化工、電子、輕工、紡織、冶金、食品、石油化工和污水處理等多個(gè)領(lǐng)域。

1、MBR技術(shù)在國(guó)外污水處理中的研究及應(yīng)用

膜分離技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用開(kāi)始于20世紀(jì)60年代末#1969年美國(guó)的Smith等人首次將活性污泥法與超濾膜組件相結(jié)合用于處理城市污水的工藝研究，該工藝大膽地提出了用膜分離技術(shù)取代常規(guī)活性污泥法中的二沉池，利用膜具有高效截留的物理特性，使生物反應(yīng)器內(nèi)維持較高的污泥濃度，在F/M低比值下工作，這樣就可以使有機(jī)物盡可能地得到氧化降解，提高了反應(yīng)器的去除效率，這就是MBR的最初雛形。

進(jìn)入20世紀(jì)70年代，有關(guān)MBR的研究進(jìn)一步深入開(kāi)展#1970年，Hardt等人使用完全混合生物反應(yīng)器與超濾膜組合工藝處理生活污水，獲得了98%的COD去除率和100%去除細(xì)菌的結(jié)果。1971年，Bemberis等人在污水處理廠進(jìn)行了MBR試驗(yàn)，取得了良好的試驗(yàn)結(jié)果。1978年，Bhattacharyya等人將超濾膜用于處理城市污水，獲得了非飲用回用水。1978年，Grethlein利用厭氧消化池與膜分離進(jìn)行了處理生活污水的研究，BOD和TN的去除率分別為90%和75%.

在這一時(shí)期，盡管各國(guó)學(xué)者對(duì)MBR工藝做了大量的研究工作，并獲得了一定的研究成果，但是由于當(dāng)時(shí)膜組件的種類很少，制膜工藝也不是十分成熟，膜的壽命通常很短，這就限制了MBR工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，從而也就限制了MBR技術(shù)在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，隨著材料科學(xué)的發(fā)展與制膜水平的提高，推動(dòng)了膜生物反應(yīng)器技術(shù)的向前發(fā)展，MBR工藝也隨之得到迅速發(fā)展。日本研究者根據(jù)本國(guó)國(guó)土狹??！地價(jià)高的特點(diǎn)對(duì)MBR技術(shù)進(jìn)行了大力開(kāi)發(fā)和研究，并在MBR技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)上走在了前列，使MBR技術(shù)開(kāi)始走向?qū)嶋H應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代以后，MBR技術(shù)得到了最為迅猛的發(fā)展，人們對(duì)MBR在生活污水處理！工業(yè)廢水處理！飲用水處理等方面的應(yīng)用都進(jìn)行了研究，MBR已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，并得到了快速的推廣。

20世紀(jì)的最后幾年，人們圍繞著膜生物反應(yīng)器的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了較多的研究，并取得了一些成果。有關(guān)膜生物反應(yīng)器的研究從實(shí)驗(yàn)室小試！中試規(guī)模走向了生產(chǎn)性試驗(yàn)，應(yīng)用MBR的中、小型污水處理廠也逐漸見(jiàn)諸報(bào)道。1998年初，歐洲第一座應(yīng)用一體式膜生物反應(yīng)器的生活污水處理廠在英國(guó)的Porlock建成運(yùn)行，成為英國(guó)膜生物反應(yīng)器技術(shù)的里程碑。

本世紀(jì)初，人們對(duì)膜生物反應(yīng)器的研究方興未艾，使得該項(xiàng)技術(shù)正在逐漸趨于成熟。

2、MBR技術(shù)在國(guó)內(nèi)污水處理中的研究及應(yīng)用

我國(guó)對(duì)膜生物反應(yīng)器的研究雖然起步較晚，但發(fā)展速度很快。1991年，芩運(yùn)華對(duì)膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，介紹了MBR在日本的研究狀況，這是我國(guó)學(xué)者對(duì)膜生物反應(yīng)器做的較早的報(bào)道。隨后，江成璋等人進(jìn)行了中空纖維超濾膜在生物技術(shù)中的應(yīng)用研究。1995年，樊耀波將MBR用于石油化工污水凈化的研究，研制出一套實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的好氧分離式MBR.

從1995年以來(lái)，我國(guó)對(duì)膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)的研究工作開(kāi)始全面展開(kāi)，多家科研院所進(jìn)行了此方面的研究，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、天津大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等對(duì)膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行特性、膜通量的影響因素、膜污染的防止與清洗等方面做了大量細(xì)致的研究工作。2000年，顧平采用國(guó)產(chǎn)中空纖維膜對(duì)生活污水做了中試規(guī)模的MBR研究，結(jié)果表明：MBR工藝出水懸浮物為零，細(xì)菌總數(shù)優(yōu)于飲用水標(biāo)準(zhǔn)，COD和氨氮的去除率都高于95%，出水可直接回用。2001年，張立秋等對(duì)一體式MBR處理生活污水的主要設(shè)計(jì)參數(shù)HRT、SRT等進(jìn)行了理論推導(dǎo)，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了參考，并對(duì)膜堵塞機(jī)理進(jìn)行了深入研究探討，提出了膜內(nèi)部生物堵塞的存在。

雖然，我國(guó)在MBR技術(shù)的研究探討方面取得了顯著的成績(jī)，但是同日本、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家相比，我國(guó)的研究試驗(yàn)水平還比較落后，由于國(guó)產(chǎn)膜組件的種類較少，膜質(zhì)量較差，壽命通常較短，因此在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的問(wèn)題。雖然在我國(guó)膜生物反應(yīng)器用于處理生活污水已有應(yīng)用，但到目前為止，設(shè)計(jì)完善、運(yùn)行良好的應(yīng)用膜生物反應(yīng)器的生活污水處理廠還未見(jiàn)報(bào)道。

3、MBR工藝的分類

膜生物反應(yīng)器主要是由膜組件和生物反應(yīng)器兩部分組成#根據(jù)膜組件與生物反應(yīng)器的組合方式可將膜生物反應(yīng)器分為以下三種類型：分置式膜生物反應(yīng)器、一體式膜生物反應(yīng)器和復(fù)合式膜生物反應(yīng)器。

3.1分置式膜生物反應(yīng)器

分置式膜生物反應(yīng)器是指膜組件與生物反應(yīng)器分開(kāi)設(shè)置，相對(duì)獨(dú)立，膜組件與生物反應(yīng)器通過(guò)泵與管路相連接#分置式膜生物反應(yīng)器的工藝流程如圖1所示。

該工藝膜組件和生物反應(yīng)器各自分開(kāi)，獨(dú)立運(yùn)行，因而相互干擾較小，易于調(diào)節(jié)控制，而且，膜組件置于生物反應(yīng)器之外，更易于清洗更換#但其動(dòng)力消耗較大，加壓泵提供較高的壓力，造成膜表面高速錯(cuò)流，延緩膜污染，這是其動(dòng)力費(fèi)用大的原因，每噸出水的能耗為2～10kWh，約是傳統(tǒng)活性污泥法能耗的10～20倍，因此能耗較低的一體式膜生物反應(yīng)器的研究逐漸得到了人們的重視。

3.2一體式膜生物反應(yīng)器

一體式膜生物反應(yīng)器起源于日本，主要用于處理生活污水，近年來(lái)，歐洲一些國(guó)家也熱衷于它的研究和應(yīng)用#一體式膜生物反應(yīng)器是將膜組件直接安置在生物反應(yīng)器內(nèi)部，有時(shí)又稱為淹沒(méi)式膜生物反應(yīng)器（SMBR），依靠重力或水泵抽吸產(chǎn)生的負(fù)壓或真空泵作為出水動(dòng)力#一體式膜生物反應(yīng)器工藝流程如圖2所示。該工藝由于膜組件置于生物反應(yīng)器之中，減少了處理系統(tǒng)的占地面積，而且該工藝用抽吸泵或真空泵抽吸出水，動(dòng)力消耗費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分置式膜生物反應(yīng)器，每噸出水的動(dòng)力消耗約是分置式的1/10.如果采用重力出水，則可完全節(jié)省這部分費(fèi)用。但由于膜組件浸沒(méi)在生物反應(yīng)器的混合液中，污染較快，而且清洗起來(lái)較為麻煩，需要將膜組件從反應(yīng)器中取出。

3.3復(fù)合式膜生物反應(yīng)器

復(fù)合式膜生物反應(yīng)器也是將膜組件置于生物反應(yīng)器之中，通過(guò)重力或負(fù)壓出水，但生物反應(yīng)器的型式不同#復(fù)合式MBR，是在生物反應(yīng)器中安裝填料，形成復(fù)合式處理系統(tǒng)。

在復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中安裝填料的目的有兩個(gè)：一是提高處理系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷，保證系統(tǒng)的處理效果；二是降低反應(yīng)器中懸浮性活性污泥濃度，減小膜污染的程度，保證較高的膜通量。

復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中，由于填料上附著生長(zhǎng)著大量微生物，能夠保證系統(tǒng)具有較高的處理效果并有抵抗沖擊負(fù)荷的能力，同時(shí)又不會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥濃度過(guò)高，影響膜通量。

4、MBR工藝的特點(diǎn)

4.1對(duì)污染物的去除效率高

MBR對(duì)懸浮固體（SS）濃度和濁度有著非常良好的去除效果。由于膜組件的膜孔徑非常?。?.01～1μm），可將生物反應(yīng)器內(nèi)全部的懸浮物和污泥都截留下來(lái)，其固液分離效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于二沉池，MBR對(duì)SS的去除率在99%以上，甚至達(dá)到100%；濁度的去除率也在90%以上，出水濁度與自來(lái)水相近。

由于膜組件的高效截留作用，將全部的活性污泥都截留在反應(yīng)器內(nèi)，使得反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度可達(dá)到較高水平，最高可達(dá)40～50g/L.這樣，就大大降低了生物反應(yīng)器內(nèi)的污泥負(fù)荷，提高了MBR對(duì)有機(jī)物的去除效率，對(duì)生活污水COD的平均去除率在94%以上，BOD的平均去除率在96%以上。

同時(shí)，由于膜組件的分離作用，使得生物反應(yīng)器中的水力停留時(shí)間（HRT）和污泥停留時(shí)間（SRT）是完全分開(kāi)的，這樣就可以使生長(zhǎng)緩慢、世代時(shí)間較長(zhǎng)的微生物（如硝化細(xì)菌）也能在反應(yīng)器中生存下來(lái)，保證了MBR除具有高效降解有機(jī)物的作用外，還具有良好的硝化作用。研究表明，MBR在處理生活污水時(shí)，對(duì)氨氮的去除率平均在98%以上，出水氨氮濃度低于1mg/L.

此外，選擇合適孔徑的膜組件后，MBR對(duì)細(xì)菌和病毒也有著較好的去除效果，這樣就可以省去傳統(tǒng)處理工藝中的消毒工藝，大大簡(jiǎn)化了工藝流程。

另外，在DO濃度較低時(shí)，在菌膠團(tuán)內(nèi)部存在缺氧或厭氧區(qū)，為反硝化創(chuàng)造了條件。僅采用好氧MBR工藝，雖然對(duì)TP的去除效率不高，但如果將其與厭氧進(jìn)行組合，則可大大提高TP的去除率。研究表明，采用A/O復(fù)合式MBR工藝，對(duì)TP的去除率可達(dá)70%以上。

4.2具有較大的靈活性和實(shí)用性

在城市污水或工業(yè)廢水處理中，傳統(tǒng)的處理工藝（格柵+沉砂池+初沉池+曝氣池+二沉池+消毒池）流程較長(zhǎng)，占地面積大，而出水水質(zhì)又不能保證。而MBR工藝（篩網(wǎng)過(guò)濾+MBR）則因流程短、占地面積小！處理水量靈活等特點(diǎn)，而呈現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)#MBR的出水量根據(jù)實(shí)際情況，只需增減膜組件的片數(shù)就可完成產(chǎn)水量調(diào)整，非常簡(jiǎn)單、方便。

對(duì)于傳統(tǒng)的活性污泥法工藝中出現(xiàn)的污泥膨脹現(xiàn)象，MBR由于不用二沉池進(jìn)行固液分離，可以輕松解決。這樣，就大大減輕了管理操作的復(fù)雜程度，使優(yōu)質(zhì)！穩(wěn)定的出水成為可能。

同時(shí)，MBR工藝非常易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高了污水處理的自動(dòng)化水平。

4.3解決了剩余污泥處置難的問(wèn)題

剩余污泥的處置問(wèn)題，是污水處理廠運(yùn)行好壞的關(guān)鍵問(wèn)題之一#MBR工藝中，污泥負(fù)荷非常低，反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)缺乏，微生物處在內(nèi)源呼吸區(qū)，污泥產(chǎn)率低，因而使得剩余污泥的產(chǎn)生量很少，SRT得到延長(zhǎng)，排除的剩余污泥濃度大，可不用進(jìn)行污泥濃縮，而直接進(jìn)行脫水，這就大大節(jié)省了污泥處理的費(fèi)用。有研究得出，在處理生活污水時(shí)，MBR最佳的排泥時(shí)間在35d左右。

由上述可知，MBR工藝所具有的優(yōu)越性，是目前其他處理工藝無(wú)法比擬的#該工藝在城市污水或生活污水處理！高濃度有機(jī)廢水、難降解有機(jī)廢水以及中水回用等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題整理而成，供參考，如有問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)溝通、指正。