在污水處理中膜生物反應器的前景展望
摘 要：在用于處理污水的MBR中通常都維持較高的MLSS(8～12g/L)濃度，這易導致氧傳遞率的降低，從而使運行能耗變大。傳遞層特性、氣泡大小和氣泡在混合液中的平均停留時間都會影響到氧傳遞率，而后兩項與混合液的粘性關系密切，MBR中混合和曝氣的效果以及污泥濃度都會影響混合液的粘性。活性污泥中EPS的生成會增加混合液的粘性，并且使活性污泥的憎水性增強。
1 MBR應用情況
目前，越來越多的國家將MBR用于生活污水和工業廢水的處理。表1中列出了一些發達國家近年來MBR的應用情況。
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注：*原文中單位為inh，估計是inhabitants的縮寫 ，其義為人口當量，此處按照1 inh=0.5m3/d估算。**污水處理廠仍在設計建設中。***原文中單位為人口當量(Population Equivalents，PE)，此處按照1 PE=0.5m3/d估算。
在歐洲大部分國家由于國土面積小，地面水體因徑流距離較短而導致其自凈能力差、生態系統脆弱、易受污染。MBR由于其占地面積小和出水水質優良，在歐洲受到了相當程度的重視，有許多污水處理廠都運用MBR工藝進行了中試規模的污水處理研究，并計劃進行工業規模的應用。
荷蘭在處理能力為240m3/d的中試取得成功以后，正在建造處理能力為18000m3/d的MBR污水處理廠，并計劃從2003年開始建造處理能力為(6～24)×104m3/d的MBR污水處 理廠。
德國已經建成5家大規模使用MBR的污水處理廠，累計處理能力為21000m3/d；另有兩家污水廠已在規劃中，其中一家位于Kaarst的污水處理廠設計服務人口為8萬人，使用膜面 積總計為88000m2，預算為4600萬德國馬克，建成后將是世界上最大的使用MBR的污水處理廠。
美國和加拿大已有許多投入運行的MBR污水處理廠取得了較好的效果。
日本對于MBR的使用較為普遍，主要是用于小區污水的處理與回用及工業(如食品、飲料制造業)廢水處理。
荷蘭Xflow公司開發的MBR在生活污水和食品、林業、造紙等工業廢水處理中得到了廣泛的應用，工業廢水累計處理流量為245m3/h，其中一家規模最大的生活污水處理廠的處理能力為1100m3/h。
2 MBR的優勢與改進
2.1 MBR的優勢
MBR與傳統工藝相比有以下明顯優勢：
① 由于取消了二沉池及將污泥濃度提高了2～5倍，減小了占地面積。
② 出水水質好，可直接回用。出水中SS低于檢測限；耐熱大腸桿菌被完全除去，噬菌體數量比傳統工藝出水低100～1000倍；對于重金屬的去除很明顯(尤其是Cu、Hg、Pb、Zn等)，但其去除率取決于金屬離子與污泥吸附的程度；有毒的微污染物(如殺蟲劑、多環芳烴等)幾乎全部吸附在污泥上，因此可與SS同時被去除。
③ 生物處理單元中污泥濃度高、泥齡長，對有機物的去除率高。
④ 對于氮、磷污染物有較高的去除率，出水可滿足TP＜0.15mg/L、TN＜2.2mg/L的環境最大容忍限度(Maximum Tolerable Risk，MTR)。
⑤ 污泥產量少，降低了對剩余污泥處置的費用，但MBR污泥的絮體較小且粘度較高。也有試驗發現，MBR污泥的濃縮性能和脫水性能與傳統工藝產生的污泥并無大的差異。
2.2 存在的問題及改進措施
MBR在顯示出許多傳統工藝無法比擬的優點時，也暴露出一些尚需改進的地方，這是研究人員關注的焦點。
2.2.1 預處理工藝
荷蘭的Bentem等人在進行處理能力為10m3/h的MBR中試研究時，對4種不同的格柵進行了對比試驗，柵孔的尺寸為0.25～0.75mm。試驗發現，對原水進行預處理后，原水中的SS可去除30%～60%，這樣可以改變原水成分，從而改善后續工藝的處理效果， 減輕膜污染，減小剩余污泥產量并改善污泥性狀。隨著SS的去除，COD也有10%～15%的去除。通過中試，Bentem等人認為在使用MBR處理污水時，采用格柵進行預處理是非常必要的。
2.2.2 膜污染與清洗
膜工藝的一大缺點是膜在運行一段時間以后會因為膜受到污染而導致膜通量的降低，如何減緩膜污染進程從而維持膜通量是應用膜工藝時所面臨的一大挑戰。
英國學者認為主要有三大因素影響膜污染(見圖1)，即膜本身的性質、活性污泥的性質和MBR的運行條件三者相互影響。膜材質決定了膜的親水性和膜孔隙率，膜孔的尺寸則會影響過膜壓差(Transmembrane Pressure，TMP)的大小；反應器的構造與錯流的速率(Cross Flow Velocity，CFV)將影響到活性污泥中胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)的生成、污泥絮體結構和大小以及溶解物的性質；MBR中的HRT/SRT則直接影響到污泥的濃度和EPS的形成與生長。
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荷蘭研究者在試驗中發現，導致膜污染的最重要因素是濾餅層的形成，而原水中的雜質、污泥的性質、MBR的水力學特性以及膜清洗等因素都會影響濾餅層的形成及性質。為了防止濾餅層的形成，以下幾點非常重要：
① 選擇透水量衰減速度低的膜，并且控制膜通量；
② 減少MBR中的短流區，避免過高的裝填度；
③ 選擇合理的膜工作通量；
④ 使污泥絮體顆粒盡量大，此時濾餅層有較好的透水性；
⑤ 保持生物相的良好生長，防止EPS和絲狀菌大量產生。
在已經出現了較厚的濾餅層后，可通過下列方法加以去除：
① 保持MBR中流體的高度紊動，但注意不要使污泥絮體破碎，否則會影響膜的透水性；
② 采用變強度曝氣可使污泥層破碎，高錯流速度有助于控制濾餅層；
③ 水力反洗可有效去除濾餅層，但只在反洗頻率高時才有效；
④ 采用間歇出水方式可有效控制濾餅層的形成。
試驗中還發現，化學清洗可改善生物污染的狀況，但在用NaClO對膜進行化學清洗時會導致出水中可提取的有機鹵化物（Extractable Organic Halogens，EOX）濃度升高，所以當需要頻繁化學清洗時應引起重視。
2.2.3 MBR中的氧傳遞率
在用于處理污水的MBR中通常都維持較高的MLSS(8～12g/L)濃度，這易導致氧傳遞率的降低，從而使運行能耗變大。傳遞層特性、氣泡大小和氣泡在混合液中的平均停留時間都會影響到氧傳遞率，而后兩項與混合液的粘性關系密切，MBR中混合和曝氣的效果以及污泥濃度都會影響混合液的粘性。活性污泥中EPS的生成會增加混合液的粘性，并且使活性污泥的憎水性增強。活性污泥中絲狀菌的生長導致污泥膨脹從而使混合液粘性增加，此外絲狀菌的新陳代謝還會產生憎水物質，其中可溶性微生物代謝產物(Soluble Microbial Products，SMP)還會導致膜的污染。
要保持較高的氧傳遞率和降低能耗應從兩方面出發：一是合理選擇曝氣及混合裝置，使混合液有較高的紊動；二是調節運行參數，使生物相保持良好的生長狀態。
2.2.4 污泥濃度的控制
由于MBR可徹底地將污泥與出水分離，從而保證了優良的出水水質與較高的污泥濃度。因污泥濃度較高，而原水性質與傳統工藝相比不會有太大的差異，從而使得MBR中的F/M較低。
Renze van Houten等人認為較低的F/M，一方面可以使產生的剩余污泥量減少而降低了處置剩余污泥的費用，但另一方面使得污泥齡變長。較長的污泥齡有利于世代期較長的細菌生長(如硝化菌)，但過長的污泥齡會使微生物產生出SMP。若大分子的SMP被截留在MBR中一方面會污染膜，另一方面SMP會吸附在氣—水兩相的界面上導致氧傳遞率的降低，而小分子的SMP則會穿過膜進入出水，導致出水水質變差。
低F/M還會使MBR中產生EPS，使混合液的粘度升高，從而導致污泥的脫水性能變差，膜過濾阻力變大。
所以，雖然較高的污泥濃度能有效減小MBR的體積，但過高的污泥濃度對于MBR正常運行是不利的，在運行MBR時應控制適當的污泥濃度。
3 結論
綜上所述，MBR在污水處理領域已成為倍受矚目的新工藝，并且得到了廣泛的應用。在我國的能源、土地資源和水資源日益緊張而水體污染又非常嚴重的情況下，可以預計它將有非常廣闊的開發和應用前景。
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