膜生物反應器(MBR)已經引起了廣泛的關注，是近年來污水處理及回用領域的新技術之一。綜述了膜生物反應器水處理技術在國內外的應用及研究進展,分析了膜組件性能、混合液特性與操作參數等方面對膜污染形成的影響,指出了預防和控制膜污染的措施,其中包括膜組件自身優化設計、改善工藝運行條件及其膜污染的清洗,最后展望了膜生物反應器技術的前景。

1、MBR技術在國內污水處理中的研究及應用

我國對膜生物反應器的研究發展速度很快。1991年對膜生物反應器的應用進行的綜述,介紹了MBR在日本的研究狀況,這是我國學者對膜生物反應器做的較早的報道。隨后,眾多學者進行了中空纖維超濾膜在生物技術中的應用研究。1995年,樊耀波將MBR用于石油化工污水凈化的研究,研制出一套實驗室規模的好氧分離式MBR。

從1995年以來,我國對膜生物反應器污水處理技術的研究工作開始全面展開,多家科研院所進行了此方面的研究,清華大學、哈爾濱工業大學、中國科學院生態環境研究中心、天津大學、同濟大學等對膜生物反應器的運行特性、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致的研究工作。2000年,顧平采用國產中空纖維膜對生活污水做了中試規模的MBR研究,結果表明：MBR工藝出水懸浮物為零,細菌總數優于飲用水標準,COD和氨氮的去除率都高于95%,出水可直接回用。2001年,張立秋等對一體式MBR處理生活污水的主要設計參數HRT、SRT等進行了理論推導,為實際工程設計提供了參考,并對膜堵塞機理進行了深入研究探討,提出了膜內部生物堵塞的存在。

雖然,我國在MBR技術的研究探討方面取得了顯著的成績,但是同日本、英國、美國等國家相比,我國的研究試驗水平還比較落后,由于國產膜組件的種類較少,膜質量較差,壽命通常較短,因此在實際應用中存在一定的問題。雖然在我國膜生物反應器用于處理生活污水已有應用,但到目前為止,設計完善、運行良好的應用膜生物反應器的生活污水處理廠還未見報道。

2.MBR工藝的分類

膜生物反應器主要是由膜組件和生物反應器的兩個部分的組成?；谀そM件與生物反應器的組合方式可將膜生物反應器分為以下三種類型:分置式膜生物反應器、一體式膜生物反應器和復合式膜生物反應器。

2.1分置式膜生物反應器

分置式膜生物反應器是指膜組件與生物反應器分開設置,相對獨立,膜組件與生物反應器通過泵與管路相連接。分置式膜生物反應器的工藝流程如圖1所示。

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

2.2一體式膜生物反應器

一體式膜生物反應器起源于日本，主要用于處理生活污水，近幾年，一些歐洲國家也熱衷于研究和應用。一體式膜生物反應器是將膜組件直接放置在生物反應器中，有時又稱為淹沒式膜生物反應器(SMBR),依靠重力或水泵抽吸產生的負壓或真空泵作為出水動力。一體式膜生物反應器工藝流程如圖2所示。該工藝由于膜組件置于生物反應器之中,減少了處理系統的占地面積,而且該工藝用抽吸泵或真空泵抽吸出水,動力消耗費用遠遠低于分置式膜生物反應器,每噸出水的動力消耗約是分置式的1/10。如果采用重力出水,則可完全節省這部分費用。但由于膜組件浸沒在生物反應器的混合液中,污染較快,而且清洗起來較為麻煩,需要將膜組件從反應器中取出。

2.3復合式膜生物反應器

復合式膜生物反應器也是將膜組件置于生物反應器之中,通過重力或負壓出水,但生物反應器的型式不同#復合式MBR,是在生物反應器中安裝填料,形成復合式處理系統,其工藝流程如圖3所示。

在復合式膜生物反應器中安裝填料的目的有兩個：一是提高處理系統的抗沖擊負荷,保證系統的處理效果;二是降低反應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。

復合式膜生物反應器中,由于填料上附著生長著大量微生物,能夠保證系統具有較高的處理效果并有抵抗沖擊負荷的能力,同時又不會使反應器內懸浮污泥濃度過高,影響膜通量。

3MBR工藝的特點

3.1對污染物的去除效率高

MBR對懸浮固體(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,可將生物反應器內全部的懸浮物和污泥都截留下來,其固液分離效果要遠遠好于二沉池,MBR對SS的去除率在99%以上,甚至達到100%;濁度的去除率也在90%以上,出水濁度與自來水相近。

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器內,使得反應器內的污泥濃度可達到較高水平,最高可達40~50g/L。這樣,就大大降低了生物反應器內的污泥負荷,提高了MBR對有機物的去除效率,對生活污水COD的平均去除率在94%以上,BOD的平均去除率在96%以上。

同時,由于膜組件的分離作用,使得生物反應器中的水力停留時間(HRT)和污泥停留時間(SRT)是完全分開的,這樣就可以使生長緩慢、世代時間較長的微生物(如硝化細菌)也能在反應器中生存下來,保證了MBR除具有高效降解有機物的作用外,還具有良好的硝化作用。研究表明,MBR在處理生活污水時,對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對細菌和病毒也有著較好的去除效果,這樣就可以省去傳統處理工藝中的消毒工藝,大大簡化了工藝流程。

另外,在DO濃度較低時,在菌膠團內部存在缺氧或厭氧區,為反硝化創造了條件。僅采用好氧MBR工藝,雖然對TP的去除效率不高,但如果將其與厭氧進行組合,則可大大提高TP的去除率。研究表明,采用A/O復合式MBR工藝,對TP的去除率可達70%以上。

3.2具有較大的靈活性和實用性

在城市污水或工業廢水處理中,傳統的處理工藝(格柵+沉砂池+初沉池+曝氣池+二沉池+消毒池)流程較長,占地面積大,而出水水質又不能保證。而MBR工藝(篩網過濾+MBR)則因流程短、占地面積小、處理水量靈活等特點,而呈現出明顯優勢。MBR的出水量根據實際情況,只需增減膜組件的片數就可完成產水量調整,非常簡單、方便。

對于傳統的活性污泥法工藝中出現的污泥膨脹現象,MBR由于不用二沉池進行固液分離,可以輕松解決。這樣,就大大減輕了管理操作的復雜程度,使優質、穩定的出水成為可能。

同時,MBR工藝非常易于實現自動控制,提高了污水處理的自動化水平。

3.3解決了剩余污泥處置難的問題

剩余污泥的處置問題,是污水處理廠運行好壞的關鍵問題之一。MBR工藝中,污泥負荷非常低,反應器內營養物質相對缺乏,微生物處在內源呼吸區,污泥產率低,因而使得剩余污泥的產生量很少,SRT得到延長,排除的剩余污泥濃度大,可不用進行污泥濃縮,而直接進行脫水,這就大大節省了污泥處理的費用。有研究得出,在處理生活污水時,MBR最佳的排泥時間在35d左右。

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