膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用與發(fā)展前景

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

　　1 引  言

　　何謂膜生物反應(yīng)器？污水處理中的膜生物反應(yīng)器是指將膜分離技術(shù)中的超微濾組件與污水生物處理工程中的生物反應(yīng)器相互結(jié)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(yīng)器結(jié)合 膜處理技術(shù)和生物處理技術(shù)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(yīng)器內(nèi)，使生物反應(yīng)器內(nèi)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(zhì)量高，可達三級出水標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)幾乎不排剩余污泥 [1] 。因此，膜生物反應(yīng)器是當(dāng)今倍受國內(nèi)外專家學(xué)者重視的一項開發(fā)性高新水處理技術(shù)。

　　2  膜生物反應(yīng)器的類型

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

　　2.1  固液分離式膜生物反應(yīng)器

　　固液分離式膜生物反應(yīng)器 [2] 采用超濾或微濾膜組件截留反應(yīng)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(xiàn)降解。生物反應(yīng)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(yīng)器中，即一體式膜生物反應(yīng)器 ； 也可以與生物反應(yīng)器分開，即分 置 式膜生物反應(yīng)器（見 下圖 ）。

　　圖：分離式 膜生物反應(yīng)器 的兩種類型

　　2.2  萃取膜生物反應(yīng)器

　　因為高酸堿度或?qū)ι镉卸镜奈镔|(zhì)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(dāng)廢水中含揮發(fā)性有毒物質(zhì)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(shù)難題，英國學(xué)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(nèi)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(cè)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(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

　　2.3  無泡曝氣膜生物反應(yīng)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(yīng)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(xiàn)向生物反應(yīng)器的無泡曝氣此膜生物反應(yīng)器基本結(jié)構(gòu)流程（ 見 下 圖 ）。

　　圖： 無泡曝氣膜生物反應(yīng)器

　　3  膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用

　　目前膜生物反應(yīng)器應(yīng)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(yīng)器的典型應(yīng)用作如下說明。

　　3.1  在中水道污水回用的應(yīng)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(yīng)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(yīng)器，是分離膜生物反應(yīng)器的典型應(yīng)用。其主要技術(shù)參數(shù)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(zhì)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(yīng)用

　　工業(yè)廢水中有機物濃度很高，有的還含有毒性物質(zhì)。對該種廢水現(xiàn)在普遍認為厭氧法處理經(jīng)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(shù)結(jié)合起來是一種理想的方法。厭氧處理能產(chǎn)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(zhì)。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(yīng)器和板框超濾膜組件構(gòu)成的厭氧生物反應(yīng)器對高濃度食品廢水進行處理。結(jié)果表明，當(dāng) 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(yīng)器與膜技術(shù)結(jié)合來處理工業(yè)廢水的。如 [6] 加拿大的安大略澤農(nóng)環(huán)境有限公司采用好氧膜生物反應(yīng)器處理合成的金屬加工液體和含油基產(chǎn)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(yīng)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(yīng)器設(shè)計運行參數(shù)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(shè)計滲水率為 1.0 ~ 1.5m  /d 。據(jù)日本 [7] 統(tǒng)計 , 種系統(tǒng)的建設(shè)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(yīng)器的發(fā)展前景

　　4.1  膜生物反應(yīng)器應(yīng)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(shù)。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(zhì)。特別是后續(xù)處理單元采用 RO 等工藝時，其出水水質(zhì)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(yīng)用中取得了相當(dāng)大的成績，但要在應(yīng)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(xiàn)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(yīng)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(xué)、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(jīng)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(jīng)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(yīng)用領(lǐng)域。擴大 MBR 的處理規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)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(xiàn)的新問題。

　　5 、膜組件的更換與標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)濟性和競爭力，有必要對 MBR 的膜組件進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

　　6 、交流平臺的搭建。構(gòu)建膜供應(yīng)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(wǎng)絡(luò)平臺，國內(nèi)的中國膜技術(shù)網(wǎng)  ( 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(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(jīng)有不少工程應(yīng)用。隨著處理規(guī)模的進一步擴大 , 大型 MBR 的設(shè)計、運行經(jīng)驗需要及時總結(jié)，應(yīng)盡快建立 MBR 處理城市生活污水標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計準(zhǔn)則；為了保證出水的安全性， MBR 對新型化學(xué)物質(zhì)（ EDCs ,PPCP 等）的去除，及 MBR + RO （ NF ）生產(chǎn)高質(zhì)量的回用水將會受到更多關(guān)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(yīng)用。在工業(yè)廢水處理中 , 應(yīng)注意組合工藝的開發(fā)和應(yīng)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(fù)雜性，膜污染控制應(yīng)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(jié)

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

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