膜生物反應器及其應用研究進展
1 引言
傳統的活性污泥工藝(Conventional Activated Sludge, CAS)廣泛地應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、處理裝置容積負荷低、占地面積大、出水水質不穩定、傳氧效率低、能耗高以及剩余污泥產量大等等。傳統生物處理工藝處理后的水難以滿足越來越嚴格的污水排放標準，同時，經濟的發展所帶來的水資源的日益短缺也迫切要求開發合適的污水資源化技術，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—(Membrane Bioreactor,MBR)應運而生。隨著膜分離技術和產品的不斷開發，(MBR)也更具有實用價值，近年來許多國家都投入了大量資金用于開發此項高新技術。
2 CASS
CASS是一種應用最廣的廢水好氧生物處理技術。其基本流程如圖1所示，是由曝氣池、二次沉淀池、曝氣系統（含空氣或氧氣的加壓設備、管道系統和空氣擴散裝置）以及污泥回流系統等組成。
曝氣池與二次沉淀池是活性污泥系統的基本處理構筑物。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進入曝氣池，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，活性污泥與已被凈化的廢水(稱為處理水)分離，處理水排放，活性污泥在污泥區內進行濃縮，并以較高的濃度回流曝氣池。由于活性污泥不斷地增長，部分污泥作為剩余污泥從系統中排出，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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內容 分類 膜組件 管式、板框式、中空纖維式 膜材料 有機膜、無機膜 壓力驅動形式 外壓式、抽吸式 生物反應器 好氧、厭氧 膜組件與生物反應器的組合方式 分置式、一體式（浸沒式）
3 MBR法
3.1 MBR及其分類
MBR是指將超、微濾膜分離技術與污水處理中的生物反應器相結合而成的一種新的污水處理裝置。這種反應器綜合了膜處理技術和生物處理技術帶來的優點。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物，使之停留在反應器內，使反應器內獲得高生物濃度，并延長有機固體停留時間，極大地提高了微生物對有機物的氧化率。同時，經超、微濾膜處理后，出水質量高，可以直接用于非飲用水回用。系統幾乎不排剩余污泥，且具有較高的抗沖擊能力。特別是1989年Yamamoto將中空纖維膜應用于活性污泥處理中，使工藝運行成本大大降低，實際應用前景廣闊。因此，MBR是當今倍受國內外專家學者重視的一項高新水處理技術。
MBR的特點：
一、出水水質好
由于采用膜分離技術，不必設立、過濾等其它固液分離設備。高效的固液分離將廢水中有懸浮物質、膠體物質、生物單元流失的微生物菌群與已凈化的水分開，不需經三級處理即直接可回用，具有較高的水質安全性。
二、占地面積小
膜生物反應器生物處理單元內微生物維持高濃度，使容積負荷大大提高，膜分離的高效性使處理單元水力停留時間大大縮短，占地面積減少。同時膜生物反應器由于采用了膜組件，不需要沉淀池和專門的過濾車間，系統占地僅為傳統方法的60% 。
三、節省運行成本
由于MBR高效的氧利用效率，和獨特的間歇性運行方式，大大減少了曝氣設備的運行時間和用電量，節省電耗。同時由于膜可濾除細菌、病毒等有害物質，可顯著節省加藥消毒所帶來的長期運行費用，膜生物反應器工藝不需加入絮凝劑，減少運行成本。
膜生物反應器（MBR）工藝是膜分離技術與生物技術有機結合的新型廢水處理技術。它利用膜分離設備將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物質截留住，省掉二沉池。活性污泥濃度因此大大提高，水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）可以分別控制，而難降解的物質在反應器中不斷反應、降解。因此，膜生物反應器（MBR）工藝通過膜分離技術大大強化了生物反應器的功能。與傳統的生物處理方法相比，是目前最有前途的廢水處理新技術之一。
從整體構造上來看，MBR是由膜組件和生物反應器兩部分組成。根據這兩部分操作單元自身的多樣性，膜生物反應器也必然有多種類型。膜生物反應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種反應器的區別
|
MBR種類 |
壓力驅動形式 |
動力消耗 |
管道要求 |
膜更換和清洗情況 |
微生物失活情況 |
設備占地面積 |
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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、微濾膜分離的對象是活性污泥混合液。活性污泥混合液主要包括活性污泥和被處理的污水，而活性污泥是由各種膠體、絮狀物和微生物（絕大部分是各種細菌）組成。膜組件長期過濾活性污泥混合液時，污染物不斷地在膜表面沉積，細菌不斷地向膜內部繁殖，使其生成的代謝產物在膜孔中沉淀，進而引起膜孔堵塞，使膜的通量下降，膜壽命縮短，工藝運行費用增加。
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鍵。但是在MBR工藝中膜材料種類卻強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膜進行改性。
所調研的近期文獻中有關MBR所用濾膜及組件的情況如表3所示：
從近期國內外MBR研究情況來看（文獻的抽取有隨機性），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 近期文獻中MBR所用濾膜及組件形式
|
應用試驗單位 |
濾膜孔徑或切割分子量 |
濾膜材質 |
組件類型 |
膜面積（m2） |
使用形式 |
供應商 |
|
清華大學 |
|
聚丙烯 |
中空纖維 |
0.4 |
浸沒式 |
浙江大學 |
|
清華大學 |
|
ZrO2 |
管式 |
0.28 |
分置式 |
法TECH-SET |
|
清華大學 |
|
聚乙烯 |
中空纖維 |
4.0 |
浸沒式 |
日本三菱公司 |
|
同濟大學 |
|
聚丙烯 |
中空纖維 |
2.0 |
浸沒式 |
百事德公司 |
|
大連理工大學 |
MW30000 |
聚丙烯 |
中空纖維 |
4.0 |
浸沒式 |
|
|
哈爾濱建筑大學 |
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聚砜 |
中空纖維 |
1.0 |
浸沒式 |
|
|
蘭州鐵道學院 |
超濾膜 |
PAN/PS |
外壓管式 |
0.0173 |
分置式 |
自制 |
|
南京建筑學院 |
|
聚丙烯 |
中空纖維 |
1.0 |
浸沒式 |
|
4 MBR應用實例
隨著研究的深入，國內外已有了MBR應用的實例。實踐表明，膜污染嚴重、水通量低，是限制MBR推廣應用最主要的原因。
加拿大Cote P等報道了北美洲在20世紀90年代MBR發展的概況。其中ZENON環保公司在1996年推出了組件膜面積為46m2、體積密度為63m2/m3的ZW-500型膜生物反應器，該設備已成功地應用于市政污水處理。目前以小規模裝置為主，處理能力為10～200m3/d，主要在辦公樓、購物中心、學校、醫院和療養地推廣使用。裝置的水力停留時間(HRT)為24h，SRT為1～2年。濾出液經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，總膜面積6624m2。曝氣池體積440m3，正常HRT為3.8h；厭氧反應池體積為380m3，HRT為2.4h。運行期間的MLSS濃度為12 000～20 000mg/L，MLVSS濃度僅為MLSS的55%～70%。運行9個月以來出水BOD和有機磷的去除率都接近100%。
日本自1998年以來，著重推廣了中水道系統的開發利用。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行處理，然后作為廁所沖洗水再利用。比如，日立工廠建設公司用高濃度活性污泥法和旋轉平板超濾膜裝置組合而成的系統作為大樓中水道的回用系統。因為膜板旋轉，使膜表面的污泥被攪拌，從而可控制膜面污染。
天津清華德人環境公司和天津大學共同研制的MBR已有了一些的應用實例。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 結語
5.1 MBR綜合了膜分離技術和生物處理技術的優點，超、微濾膜組件能替代CAS中的二沉池，更有效地進行泥水分離，并延長SRT，提高微生物對污水中有機物的處理能力。經超、微濾膜處理后出水水質好可以直接用于非飲用水回用。系統占地面積小，幾乎不排剩余污泥，具有較高的抗沖擊能力。
5.2 MBR具有一定的實用性，但膜污染仍是制約MBR推廣應用的最主要因素。因為MBR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間、曝氣量等工藝參數以及采用適當的清洗技術來減少膜面的污染，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膜進行適當的改性。
5.3 在應用MBR技術處理市政、生活污水并實現中水回用時，還要考慮另外一個關鍵因素，即運行成本。因此，在研究中要始終將運行成本。作為考慮試驗方案和確定試驗結果的主要出發點。
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