膜生物反應器在污水處理中的應用與發(fā)展前景

　　摘要： 膜生物反應器作為一種污水處理新技術，其研究和應用在我國受到廣泛關注。本文綜述了 膜生物反應器 的類型，概述了在我國 膜生物反應器處理 技術在工業(yè)污水處理等領域的發(fā)展進程，指出了未來 膜生物反應器處理 技術研究的挑戰(zhàn)和工業(yè)應用發(fā)展的方向。

　　1 引  言

　　何謂膜生物反應器？污水處理中的膜生物反應器是指將膜分離技術中的超微濾組件與污水生物處理工程中的生物反應器相互結合而成的新的開發(fā)系統(tǒng)，英文稱 Membrane bioreactor ，簡稱 MB 。這種膜生物反應器結合 膜處理技術和生物處理技術帶來的優(yōu)點，超微濾膜組件 作 為泥水分離單元完全可以取代二次沉淀池，微孔超濾膜截留活性污泥混合液中微生物絮體和較大分子有機物，重新回流至生物反應器內，使生物反應器內獲得高生物濃度和延長有機固體停留時間，極大地提高了生物對有機物的氧化率；同時，膜 過 濾后出水質量高，可達三級出水標準；系統(tǒng)幾乎不排剩余污泥 [1] 。因此，膜生物反應器是當今倍受國內外專家學者重視的一項開發(fā)性高新水處理技術。

　　2  膜生物反應器的類型

　　目前開發(fā)出來的膜生物反應器可分為固液分離膜生物反應器、萃取膜生物反應器和無泡曝氣膜生物反應器等類。

　　2.1  固液分離式膜生物反應器

　　固液分離式膜生物反應器 [2] 采用超濾或微濾膜組件截留反應器中的生物固體 ,  通過維持高的生物量濃度（ MLLS 大于 10 g  / L ），使進水有機物實現降解。生物反應器可以是好氧系統(tǒng)，也可以是厭氧系統(tǒng)；膜組件可以放人生物反應器中，即一體式膜生物反應器 ； 也可以與生物反應器分開，即分 置 式膜生物反應器（見 下圖 ）。

　　圖：分離式 膜生物反應器 的兩種類型

　　2.2  萃取膜生物反應器

　　因為高酸堿度或對生物有毒的物質存在，某些工業(yè)廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理。當廢水中含揮發(fā)性有毒物質時，若采用傳統(tǒng)的好氧生物處理，在處理過程中，污染物容易隨曝氣氣流揮發(fā)，造成大氣污染。為了解決這些技術難題，英國學者  Livingston  研究開發(fā)了萃取式 MBR [3] 。在萃取 MBR 中，廢水與活性污泥被膜隔開，廢水在膜內流動，而含某種專性細菌的活性污泥在膜外流動，廢水與微生物不直接接觸，有機污染物可以選擇性透過膜而被另一側的微生物降解，工藝流程如下所示（見下 圖 ）。

　　圖： 萃取膜生物反應器結構示意

　　2.3  無泡曝氣膜生物反應器

　　通常污水處理的曝氣效果不是十分有效約有 90%  的氧氣進人大氣而沒有被利用。雖然采用純   氧曝氣法提高了氧的傳遞效果，但仍有大量氧氣沒有被利用。針對這種狀況，開發(fā)了無泡曝氣膜生物反應器。無泡曝氣 [4] 是采用透氣性致密膜 ( 如硅橡膠膜 ) 或微孔膜（如疏水性聚合膜），在保持氣體分壓低于泡點的情況下實現向生物反應器的無泡曝氣此膜生物反應器基本結構流程（ 見 下 圖 ）。

　　圖： 無泡曝氣膜生物反應器

　　3  膜生物反應器在污水處理中的應用

　　目前膜生物反應器應用較多的是日本，英、美、法等國也逐漸開始使用。如：日本用其進行生活污水的處理，凈化水作為中水回用；法國有人將其用于給水脫氮的處理；美國用 MBR 進行含油廢水處理；英國用隔離式 MBR 進行有毒工業(yè)廢水的處理等。下面就膜生物反應器的典型應用作如下說明。

　　3.1  在中水道污水回用的應用

　　中水道系統(tǒng)開發(fā)利用的主要目的是將廚房、洗臉及洗澡后排水作為主體的樓房排水進行處理，然后再用作便器的沖洗水。 1980 年前后，已有應用實例，如日本三井石化工業(yè)公司 [5] 建在東京某大樓的污水再生系統(tǒng)，日處理量為   200m 3 。該法采用的是好氧膜生物反應器，是分離膜生物反應器的典型應用。其主要技術參數為： MLSS 為 6000 ~ 10000mg /L,  滯留時間為  1.5~ 2h ， BOD 負荷為 0.79 ~  1.42kg  / ( m 3 d)  ，所采用的超濾膜孔徑為 10nm ，切割相對分子質量為 20000 的聚丙烯腈平板膜組件。

　　3.2  在工業(yè)廢水處理中的應用

　　工業(yè)廢水中有機物濃度很高，有的還含有毒性物質。對該種廢水現在普遍認為厭氧法處理經濟上優(yōu)于好氧法。但不同的厭氧工藝都要求保持較高的生物量，較長的泥齡，較短的水力停留時間。這使厭氧工藝的使用受到限制。將厭氧工藝和膜技術結合起來是一種理想的方法。厭氧處理能產生能量，污泥量較少， 而膜分離能使 時間較長的甲烷菌存活下來，從而保持較好的出水水質。這是一種相互補充、相互依賴又相互協(xié)同的處理工藝，厭氧消化降解有機物使膜不易堵塞，而膜會將生物截留下來。何義亮等采用完全混合的厭氧生物反應器和板框超濾膜組件構成的厭氧生物反應器對高濃度食品廢水進行處理。結果表明，當 HRT （水力停留時間）超過 50h , GOD 負荷在 2 ~  3kg  /( m 3 d) 時，膜出水 COD 去除率可達 80% ~ 90% 。也有采用好氧生物反應器與膜技術結合來處理工業(yè)廢水的。如 [6] 加拿大的安大略澤農環(huán)境有限公司采用好氧膜生物反應器處理合成的金屬加工液體和含油基產物，既將游離態(tài)的浮化油除去，又使出水中的有機物大大降低。采用此工藝可以去除 99% 的油。

　　3.3  在糞便污水處理中的應用

　　糞便污水處理使用傳統(tǒng)的反硝化法，要求 MLSS 濃度高，固液分離過程不穩(wěn)定 , 影響了三級處理效果。用超濾過濾（ UF ）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方法就能很好地解決這一問題。這的處理廠一般由三部分組成：   接收單元、高效脫氮生物反器和深度處理單元（包括消毒）。該系統(tǒng)脫氮生物反應器設計運行參數與沒有膜過濾器的高效生物反硝化池基本同。氮負荷 <= 0.04kg  /kg MLSS ， BOD<= 2.0 kg  / （ m 3. d ）， ML 為 15000mg /L ，設計滲水率為 1.0 ~ 1.5m  /d 。據日本 [7] 統(tǒng)計 , 種系統(tǒng)的建設費用和運行費用小于或等于傳統(tǒng)的反硝化統(tǒng)，而所需的管理人員少 , 占地面積小 , 因而優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

　　4  膜生物反應器的發(fā)展前景

　　4.1  膜生物反應器應用中存在的問題

　　總體而言， MBR 是水工業(yè)發(fā)展歷程中的一項新技術。相對于傳統(tǒng)活性污泥法和 SBR 等工藝而言，它的投資和運行費用較高 , 但 MBR 工藝能夠減少占地面積，并提供優(yōu)良的出水水質。特別是后續(xù)處理單元采用 RO 等工藝時，其出水水質有著更高的保障性，從而更能顯示出 MBR 的優(yōu)勢。

　　優(yōu)越的處理性能使 MBR 在工程應用中取得了相當大的成績，但要在應用中進一步提高競爭力和擴大市場份額，仍面臨著諸多挑戰(zhàn) , 主要體現在以下幾方面 [8] ：

　　1 、提升膜材料和膜組件。進一步開發(fā)壽命長、強度好、抗污染、價格低的膜材料，對膜組件的研究應朝著處理能力大、能耗低的方向發(fā)展。

　　2 、膜污染及其控制策略。利用分子生物學、顯微可視化方法等深入研究膜污染機理 , 探索更為有效、簡便的方法以控制和減緩膜污染的發(fā)生與發(fā)展。

　　3 、 MBR 的經濟性。與傳統(tǒng)工藝相比， MBR 費用仍偏高，需進一步降低其能耗以增強 MBR 的競爭力，因此需加強對 MBR 經濟性的研究（如能耗、清洗費用、勞動力成本等）。

　　4 、 MBR 處理規(guī)模和應用領域。擴大 MBR 的處理規(guī)模和應用領域，尤其是對高濃度污水和難降解廢水的處理，解決 MBR 用于大規(guī)模工程項目中出現的新問題。

　　5 、膜組件的更換與標準化。除新建項目外，已有 MBR 污水處理項目中膜組件的更換，將進一步拉動 MBR 市場的發(fā)展。以每年的市場增長率為 10 %  （新建項目）、膜組件的平均使用壽命為 5 年計，膜組件的更換最終將占到每年膜銷售量的 40 % 。為進一步降低膜的成本費用，提高 MBR 工藝的經濟性和競爭力，有必要對 MBR 的膜組件進行標準化設計。

　　6 、交流平臺的搭建。構建膜供應商、科研院所、工程公司和最終用戶的交流平臺，有助于問題的解決和 MBR 工藝的完善，也利于膜行業(yè)的健康發(fā)展。歐盟的“ MBR - Net work ”網絡平臺，國內的中國膜技術網  ( http  ： / /www. mem-china . cn  )  都在朝著該方面發(fā)展。

　　4.2  存在問題的解決措施

　　隨著更為嚴格的污水排放標準和減少地下水使用量的要求，將污水處理后回用就顯得更加重要；地表及地下水污染帶來的飲用水安全問題也逐漸提上日程， MBR 工藝為此提供了可靠的技術支持和新思路。這些必將促進 MBR 的進一步發(fā)展：

　　1 、城市污水的再生回用。 MBR 在這方面已經有不少工程應用。隨著處理規(guī)模的進一步擴大 , 大型 MBR 的設計、運行經驗需要及時總結，應盡快建立 MBR 處理城市生活污水標準化設計準則；為了保證出水的安全性， MBR 對新型化學物質（ EDCs ,PPCP 等）的去除，及 MBR + RO （ NF ）生產高質量的回用水將會受到更多關注。

　　2 、工業(yè)廢水的處理與回用。 MBR 在各種工業(yè)廢水處理中將會得到更為廣泛的應用。在工業(yè)廢水處理中 , 應注意組合工藝的開發(fā)和應用，如 MBR+ 物化處理工藝、高效菌種 + MBR 工藝等。由于工業(yè)廢水成分的復雜性，膜污染控制應予以特別重視。

　　3 、飲用水源水的凈化。如微污染水源水凈化、地下水脫氮處理等，都是今后值得研究的課題。

　　5  小結

　　綜上所述，在水資源日益短缺的今天，膜生物反應器作為一種新型的廢水處理技術，特別是在污水資源化的進程中，倍受國內外的普遍關注，必將在今后的水處理領域得到廣泛的開發(fā)和利用。同時，也需要有更多的學者不斷地研究和完善 MBR 的不足之處，使膜生物反應器在污水處理和回用過程中更好地發(fā)揮作用。

　　參考文獻：

　　[1]  張   琳 .  新型污水處理裝置 — 膜生物反應器 [J].  電子出版社 , 1994,1:8- 11.

　　[2]  夏明芳 ,  吳志超 ,  姜偉立 .  廢水膜生物處理技術研究進展 [J].  污染防治技術 , 2002, 15 (2): 16- 20.

　　[3] LIVINGSTION A G. A new process technology for detoxifying chemical industry wastewaters[J]. Chemtech Biotechmol,1994, 60:117- 124.

　　[4]  黃   霞 .  膜生物反應器廢水處理工藝的研究進展 [J].  環(huán)境科學研究 , 1998, 11(1): 40- 44.

　　[5]  黃   霞 ,  桂   萍 ,  范曉軍等 .  膜生物反應器廢水處理工藝的研究進展 [J].  環(huán)境科學研究 , 1998, 11 (1): 40- 41.

　　[6]  張全忠 ,  韓春梅 .  膜生物反應器的應用現狀及存在的問題 [J].  環(huán)境科學與管理 , 2005, 30 (4):42- 46.

　　[7]  鄭   祥 ,  朱小龍 ,  張紹園等 .  膜生物反應器在水處理中的研究及應用 [J].  環(huán)境污染治理技術與設備 , 2000,1 (5):12- 20.

　　[8]  陳福泰 ,  范正虹 ,  黃   霞 .  膜生物反應器在全球的市場現狀與工程應用 [J]. 中國給水排水 .2008, 24 (8):14- 18.

　　[9]  黃   霞 ,  曹   斌 ,  文湘華等 .  膜生物反應器在我國的研究與應用新進展 [J].  環(huán)境科學學報 , 2008,3: 416- 432.