膜生物反應(yīng)器及其應(yīng)用研究進(jìn)展
1 引言
傳統(tǒng)的活性污泥工藝(Conventional Activated Sludge, CAS)廣泛地應(yīng)用于各種污水處理中。由于采用重力式沉淀方式作為固液分離手段，因此帶來了很多方面的問題。如固液分離效率不高、處理裝置容積負(fù)荷低、占地面積大、出水水質(zhì)不穩(wěn)定、傳氧效率低、能耗高以及剩余污泥產(chǎn)量大等等。傳統(tǒng)生物處理工藝處理后的水難以滿足越來越嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展所帶來的水資源的日益短缺也迫切要求開發(fā)合適的污水資源化技術(shù)，以緩解水資源的供需矛盾。在上述背景下，一種新型的水處理技術(shù)—(Membrane Bioreactor,MBR)應(yīng)運(yùn)而生。隨著膜分離技術(shù)和產(chǎn)品的不斷開發(fā)，(MBR)也更具有實(shí)用價(jià)值，近年來許多國(guó)家都投入了大量資金用于開發(fā)此項(xiàng)高新技術(shù)。
2 CASS
CASS是一種應(yīng)用最廣的廢水好氧生物處理技術(shù)。其基本流程如圖1所示，是由曝氣池、二次沉淀池、曝氣系統(tǒng)（含空氣或氧氣的加壓設(shè)備、管道系統(tǒng)和空氣擴(kuò)散裝置）以及污泥回流系統(tǒng)等組成。
曝氣池與二次沉淀池是活性污泥系統(tǒng)的基本處理構(gòu)筑物。由初次沉淀池流出的廢水與從二次沉淀池底部回流的活性污泥同時(shí)進(jìn)入曝氣池，其混合體稱為混合液。在曝氣的作用下，混合液得到足夠的溶解氧并使活性污泥和廢水充分接觸。廢水中的可溶性有機(jī)污染物為活性污泥所吸附并為存活在活性污泥上的微生物群體所分解，使廢水得到凈化。在二沉淀池內(nèi)，活性污泥與已被凈化的廢水(稱為處理水)分離，處理水排放，活性污泥在污泥區(qū)內(nèi)進(jìn)行濃縮，并以較高的濃度回流曝氣池。由于活性污泥不斷地增長(zhǎng)，部分污泥作為剩余污泥從系統(tǒng)中排出，也可以送往初次沉淀池。
圖1 活性污泥法基本流程
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內(nèi)容 分類 膜組件 管式、板框式、中空纖維式 膜材料 有機(jī)膜、無機(jī)膜 壓力驅(qū)動(dòng)形式 外壓式、抽吸式 生物反應(yīng)器 好氧、厭氧 膜組件與生物反應(yīng)器的組合方式 分置式、一體式（浸沒式）
3 MBR法
3.1 MBR及其分類
MBR是指將超、微濾膜分離技術(shù)與污水處理中的生物反應(yīng)器相結(jié)合而成的一種新的污水處理裝置。這種反應(yīng)器綜合了膜處理技術(shù)和生物處理技術(shù)帶來的優(yōu)點(diǎn)。超、微濾膜組件作為泥水分離單元，可以完全取代二次沉淀池。超、微濾膜截留活性污泥混合液中微生物絮體和較大分子有機(jī)物，使之停留在反應(yīng)器內(nèi)，使反應(yīng)器內(nèi)獲得高生物濃度，并延長(zhǎng)有機(jī)固體停留時(shí)間，極大地提高了微生物對(duì)有機(jī)物的氧化率。同時(shí)，經(jīng)超、微濾膜處理后，出水質(zhì)量高，可以直接用于非飲用水回用。系統(tǒng)幾乎不排剩余污泥，且具有較高的抗沖擊能力。特別是1989年Yamamoto將中空纖維膜應(yīng)用于活性污泥處理中，使工藝運(yùn)行成本大大降低，實(shí)際應(yīng)用前景廣闊。因此，MBR是當(dāng)今倍受國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者重視的一項(xiàng)高新水處理技術(shù)。
MBR的特點(diǎn)：
一、出水水質(zhì)好
由于采用膜分離技術(shù)，不必設(shè)立、過濾等其它固液分離設(shè)備。高效的固液分離將廢水中有懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)、生物單元流失的微生物菌群與已凈化的水分開，不需經(jīng)三級(jí)處理即直接可回用，具有較高的水質(zhì)安全性。
二、占地面積小
膜生物反應(yīng)器生物處理單元內(nèi)微生物維持高濃度，使容積負(fù)荷大大提高，膜分離的高效性使處理單元水力停留時(shí)間大大縮短，占地面積減少。同時(shí)膜生物反應(yīng)器由于采用了膜組件，不需要沉淀池和專門的過濾車間，系統(tǒng)占地僅為傳統(tǒng)方法的60% 。
三、節(jié)省運(yùn)行成本
由于MBR高效的氧利用效率，和獨(dú)特的間歇性運(yùn)行方式，大大減少了曝氣設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和用電量，節(jié)省電耗。同時(shí)由于膜可濾除細(xì)菌、病毒等有害物質(zhì)，可顯著節(jié)省加藥消毒所帶來的長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用，膜生物反應(yīng)器工藝不需加入絮凝劑，減少運(yùn)行成本。
膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝是膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型廢水處理技術(shù)。它利用膜分離設(shè)備將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機(jī)物質(zhì)截留住，省掉二沉池；钚晕勰酀舛纫虼舜蟠筇岣，水力停留時(shí)間（HRT）和污泥停留時(shí)間（SRT）可以分別控制，而難降解的物質(zhì)在反應(yīng)器中不斷反應(yīng)、降解。因此，膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝通過膜分離技術(shù)大大強(qiáng)化了生物反應(yīng)器的功能。與傳統(tǒng)的生物處理方法相比，是目前最有前途的廢水處理新技術(shù)之一。
從整體構(gòu)造上來看，MBR是由膜組件和生物反應(yīng)器兩部分組成。根據(jù)這兩部分操作單元自身的多樣性，膜生物反應(yīng)器也必然有多種類型。膜生物反應(yīng)器的一些基本分類見表1。
表1 MBR的基本分類
圖2 MBR流程圖
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表2 2種反應(yīng)器的區(qū)別
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MBR種類 |
壓力驅(qū)動(dòng)形式 |
動(dòng)力消耗 |
管道要求 |
膜更換和清洗情況 |
微生物失活情況 |
設(shè)備占地面積 |
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分置式 |
壓力泵加壓 |
大 |
需要 |
方便 |
有可能 |
大 |
|
一體式 |
真空泵抽吸 |
小 |
不需要 |
不方便 |
不失活 |
小 |
在MBR工藝中，超、微濾膜分離的對(duì)象是活性污泥混合液；钚晕勰嗷旌弦褐饕ɑ钚晕勰嗪捅惶幚淼奈鬯，而活性污泥是由各種膠體、絮狀物和微生物（絕大部分是各種細(xì)菌）組成。膜組件長(zhǎng)期過濾活性污泥混合液時(shí)，污染物不斷地在膜表面沉積，細(xì)菌不斷地向膜內(nèi)部繁殖，使其生成的代謝產(chǎn)物在膜孔中沉淀，進(jìn)而引起膜孔堵塞，使膜的通量下降，膜壽命縮短，工藝運(yùn)行費(fèi)用增加。
一般而言，決定膜過濾效果的主要因素是膜的孔徑及孔隙率，而選擇什么樣的膜材料并不是關(guān)鍵。但是在MBR工藝中膜材料種類卻強(qiáng)烈地影響其耐污染性，所要解決膜污染問題的最主要的途徑是找到耐污染的膜材料或者是對(duì)膜進(jìn)行改性。
所調(diào)研的近期文獻(xiàn)中有關(guān)MBR所用濾膜及組件的情況如表3所示：
從近期國(guó)內(nèi)外MBR研究情況來看（文獻(xiàn)的抽取有隨機(jī)性），濾膜大都為較小孔徑的微濾膜，或較大截留分子量的超濾膜，孔徑范圍為0.1～0.5mm；材質(zhì)主要是疏水性的聚烯烴和親水性的聚砜、纖維素等，還有一些無機(jī)膜。疏水性的聚烯烴一般做成中空纖維式膜組件，而親水性的聚砜、纖維素膜一般做成平板式膜組件。
表3 近期文獻(xiàn)中MBR所用濾膜及組件形式
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應(yīng)用試驗(yàn)單位 |
濾膜孔徑或切割分子量 |
濾膜材質(zhì) |
組件類型 |
膜面積（m2） |
使用形式 |
供應(yīng)商 |
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清華大學(xué) |
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聚丙烯 |
中空纖維 |
0.4 |
浸沒式 |
浙江大學(xué) |
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清華大學(xué) |
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ZrO2 |
管式 |
0.28 |
分置式 |
法TECH-SET |
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清華大學(xué) |
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聚乙烯 |
中空纖維 |
4.0 |
浸沒式 |
日本三菱公司 |
|
同濟(jì)大學(xué) |
|
聚丙烯 |
中空纖維 |
2.0 |
浸沒式 |
百事德公司 |
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大連理工大學(xué) |
MW30000 |
聚丙烯 |
中空纖維 |
4.0 |
浸沒式 |
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哈爾濱建筑大學(xué) |
|
聚砜 |
中空纖維 |
1.0 |
浸沒式 |
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蘭州鐵道學(xué)院 |
超濾膜 |
PAN/PS |
外壓管式 |
0.0173 |
分置式 |
自制 |
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南京建筑學(xué)院 |
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聚丙烯 |
中空纖維 |
1.0 |
浸沒式 |
|
4 MBR應(yīng)用實(shí)例
隨著研究的深入，國(guó)內(nèi)外已有了MBR應(yīng)用的實(shí)例。實(shí)踐表明，膜污染嚴(yán)重、水通量低，是限制MBR推廣應(yīng)用最主要的原因。
加拿大Cote P等報(bào)道了北美洲在20世紀(jì)90年代MBR發(fā)展的概況。其中ZENON環(huán)保公司在1996年推出了組件膜面積為46m2、體積密度為63m2/m3的ZW-500型膜生物反應(yīng)器，該設(shè)備已成功地應(yīng)用于市政污水處理。目前以小規(guī)模裝置為主，處理能力為10～200m3/d，主要在辦公樓、購物中心、學(xué)校、醫(yī)院和療養(yǎng)地推廣使用。裝置的水力停留時(shí)間(HRT)為24h，SRT為1～2年。濾出液經(jīng)過紫外線消毒或活性炭吸附后，用作廁所沖洗水。在安大略省建成的日處理污水3 800m3的MBR裝置，安裝了ZW-500型膜組件144個(gè)，總膜面積6624m2。曝氣池體積440m3，正常HRT為3.8h；厭氧反應(yīng)池體積為380m3，HRT為2.4h。運(yùn)行期間的MLSS濃度為12 000～20 000mg/L，MLVSS濃度僅為MLSS的55%～70%。運(yùn)行9個(gè)月以來出水BOD和有機(jī)磷的去除率都接近100%。
日本自1998年以來，著重推廣了中水道系統(tǒng)的開發(fā)利用。其目的主要是將以廚房排水、洗臉及洗澡后的排水為主體的樓房排水進(jìn)行處理，然后作為廁所沖洗水再利用。比如，日立工廠建設(shè)公司用高濃度活性污泥法和旋轉(zhuǎn)平板超濾膜裝置組合而成的系統(tǒng)作為大樓中水道的回用系統(tǒng)。因?yàn)槟ぐ逍D(zhuǎn)，使膜表面的污泥被攪拌，從而可控制膜面污染。
天津清華德人環(huán)境公司和天津大學(xué)共同研制的MBR已有了一些的應(yīng)用實(shí)例。以處理天津某寫字樓排放的污水為例，該寫字樓的建筑面積約為17 000m2，采用了日處理能力為25m3 的裝置，設(shè)備本體占地3.2m2，投資10余萬元，能耗為0.8kW•h/m3。處理出水可用作沖廁、綠化及洗車等。
5 結(jié)語
5.1 MBR綜合了膜分離技術(shù)和生物處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，超、微濾膜組件能替代CAS中的二沉池，更有效地進(jìn)行泥水分離，并延長(zhǎng)SRT，提高微生物對(duì)污水中有機(jī)物的處理能力。經(jīng)超、微濾膜處理后出水水質(zhì)好可以直接用于非飲用水回用。系統(tǒng)占地面積小，幾乎不排剩余污泥，具有較高的抗沖擊能力。
5.2 MBR具有一定的實(shí)用性，但膜污染仍是制約MBR推廣應(yīng)用的最主要因素。因?yàn)镸BR中膜材料既要面臨活性污泥、污水中固體顆粒的污染，又要面臨活性污泥中微生物的侵蝕。雖可以通過控制抽停時(shí)間、曝氣量等工藝參數(shù)以及采用適當(dāng)?shù)那逑醇夹g(shù)來減少膜面的污染，但最有效、最根本的方法是研制出一種抗污染、耐微生物侵蝕的新的膜材料及對(duì)膜進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男浴?br />
5.3 在應(yīng)用MBR技術(shù)處理市政、生活污水并實(shí)現(xiàn)中水回用時(shí)，還要考慮另外一個(gè)關(guān)鍵因素，即運(yùn)行成本。因此，在研究中要始終將運(yùn)行成本。作為考慮試驗(yàn)方案和確定試驗(yàn)結(jié)果的主要出發(fā)點(diǎn)。
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