膜生物反應(yīng)器(MBR)已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，是近年來(lái)污水處理及回用領(lǐng)域的新技術(shù)之一。綜述了膜生物反應(yīng)器水處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用及研究進(jìn)展,分析了膜組件性能、混合液特性與操作參數(shù)等方面對(duì)膜污染形成的影響,指出了預(yù)防和控制膜污染的措施,其中包括膜組件自身優(yōu)化設(shè)計(jì)、改善工藝運(yùn)行條件及其膜污染的清洗,最后展望了膜生物反應(yīng)器技術(shù)的前景。

1、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)器的研究發(fā)展速度很快。1991年對(duì)膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用進(jìn)行的綜述,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,眾多學(xué)者進(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(lèi)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(chǎng)還未見(jiàn)報(bào)道。

2.MBR工藝的分類(lèi)

膜生物反應(yīng)器主要是由膜組件和生物反應(yīng)器的兩個(gè)部分的組成。基于膜組件與生物反應(yīng)器的組合方式可將膜生物反應(yīng)器分為以下三種類(lèi)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。

2.1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。

2.2一體式膜生物反應(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，近幾年，一些歐洲國(guó)家也熱衷于研究和應(yīng)用。一體式膜生物反應(yīng)器是將膜組件直接放置在生物反應(yīng)器中，有時(shí)又稱(chēng)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。

2.3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),其工藝流程如圖3所示。

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。

3MBR工藝的特點(diǎn)

3.1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小,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。

3.2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。

3.3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(chǎng)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。