膜生物反應器是將膜分離技術和生物處理技術直接相結合，幾乎能將所有的微生物截留在生物反應器中，這使反應器中的生物污泥濃度極高，理論上污泥泥齡可以無限長，使出水的有機污染物含量降到最低，極有效地去除氨氮，對難降解的工業廢水也非常有效。膜過濾作用使出水清澈透明，無懸浮物，可直接回用。尤其是將中空纖維膜直接淹沒在生物反應器水下而構成的淹沒式中空膜生物床，能耗較低、體積較小、構造簡單、運行方便。一體化的中空膜生物床可取代混凝、沉淀、過濾、吸附、消毒等多項處理工藝，同樣獲得高質量出水水質，因此它的研究更受重視。
膜生物反應器的開發除了涉及生物處理理論和膜過濾理論問題外，真正能開發成產品的關鍵 是如何克服膜的污染和堵塞，使膜能長時間維持較大的通量，即在保持正常通量的情況下，盡量能延長膜的壽命；同時要降低曝氣量，以減少工藝的電力消耗。
本研究擬檢驗國產膜的可應用性，同時省去傳統的出水抽吸泵，采用位差驅動出水，省去復雜的氣或水反沖洗設備，低水頭間斷工作，盡量降低曝氣量和動力消耗，以使開發的設備盡快投入實際應用。
1 試驗方法和材料
1.1 中試設備
設備如圖1所示。反應器為聚氯乙烯塑料制造，矩形截面柱體(截面積為0.3m2)，有效水深H=3.6～3.9 m，有效容積V=1.08～1.17m3(浮球閥液位控制器控制反應器的最高和最低水位，高低水位差為0.3m)，反應器內置6只中空纖維膜膜組件。膜出水靠水位差驅動，集水管統一收集出水，出水流量由流量計調節控制。
1.2 中空纖維膜組件和裝置的運行
試驗中采用的中空纖維膜組件及其特性如表1所示。
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表1 試驗中采用的中空纖維膜組件
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膜材質
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膜孔直徑（μm)
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組件表面積（m2）
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制造商
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聚偏氟乙烯（PVDF）
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0.22
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2.0
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天津紡織工學院
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中空膜生物床處理生活污水試驗在1998年6月至1998年11月期間共采集數據約150d。設計出水流量200 L/h，采用間歇運行方式，運行期間無反洗，無人工及化學藥劑清洗。原水采用人工配制模擬生活污水(見表2)。
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表2 人工配水的組成 mg/L
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成分
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C
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CO（NH3）
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KH2PO4
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CaCl2
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MgCl2
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CuSO4
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濃度
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300
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22.5
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7.32
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0.8
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1.0
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0.002
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試驗裝置運行的其他條件：
① 曝氣紊流：運行出水期間曝氣氣水比35∶1。
② 低壓出水：出水流量采用閥門、流量計控制恒定，人為降低了出水水頭。
③ 間歇運行：7min出水，3min停止出水空曝。
1.3 水質分析方法
COD分析采用重鉻酸鉀法，氨氮分析采用納氏試劑比色法，溶解氧分析采用JPB-607便攜式溶解氧分析儀，pH值分析采用PHS-2C精密級酸度計，濁度分析采用GDS-3B光電濁度計，細菌分析采用平板計數法。
2 試驗結果與討論
2.1 中空纖維膜的透水特性
為了解國產膜的透水特性，用清水研究了出水水位差與膜出水量間的關系。在清水試驗中，出水水位差與膜通量間呈直線關系，直線的斜率稱為膜的比通量，即單位水位差、單位面積、單位時間的出水量。國產膜與國外膜的比通量比較見表3。從表中可見，該膜比通量較大，但機械強度較低，易于折斷。
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表3 不同來源膜組件的清水試驗
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膜來源
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國產聚偏氟乙烯膜
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加拿大膜
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日本膜
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膜比通量[L/（h.m2.m）]
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27.28
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15.36
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12.79
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2.2 COD的降解和反應器中的MLSS變化
運行期間進水COD的平均值為366.4 mg/L，最大值為780.9 mg/L，最小值為228.0 mg/L。出水COD的平均值為13.1mg/L，最大值為25.2mg/L，最小值為4.4mg/L，COD的平均去除率為96.0%；沖擊負荷對出水COD去除沒有影響，這說明系統的穩定性和可靠性。試驗結果如圖2所示。
從運行結果看，國產膜分離性能良好，運行過程中無剩余污泥排放，MLSS變化如圖3所示。
2.3 出水細菌總數
平板記數法檢測出水細菌總數共三次(前期、中期、后期)，細菌總數均＜10個/mL，見表4.試驗結果表明，采用膜生物反應器后，出水不需消毒，可直接回用。
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表4 不同運行時間的細菌分析結果
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運行時間（d）
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2
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51
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106
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出水細菌總數（個/mL)
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8
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0
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3
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2.4 出水濁度
出水濁度的分布如表5所示。95%的出水濁度＜1.0NTU。試驗中濁度＞1.0NTU的情況都與裝置調整有關：重新啟動真空系統或調整浮球閥等。
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表5 出水濁度分布
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濁度范圍（NTU）
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0
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0-1
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1-2
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＞2
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頻率（%）
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69
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26
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2
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3
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2.5 膜通量變化與COD沖擊負荷
在正常運轉的情況下，采用出水控制閥控制出水流量衡定，此時出水流量為200 L/h,折合膜 通量16.7 L/(m2·h)。在出水控制閥全開的情況下，出水流量可以達到350L/h，折合膜通量29.2L/(m2·h)。考慮到工作水頭，國產膜的性質與加拿大Zenon膜類似，而劣于日本Kubota板式膜。研究COD沖擊負荷時，短時間全開閥門，以觀察最大流量的變化，從而了解膜阻力的變化，如圖4所示。
在正常負荷條件下，最大出水量非常緩慢地下降。從裝置開始運行到第83 d，每天平均降低幅度約為0.6 L/d；而當沖擊負荷出現后，最大出水量呈現下降趨勢，大約2d之后，出現大幅度下降，每天平均降低幅度高達7 L/d；當進水負荷正常之后，最大出水量逐步回升。圖5中給出沖擊負荷出現之后反應器內MLSS的變化情況。
反應器內MLSS的變化規律與最大出水量的降低有類似之處，2d之后開始大幅度增加。當進水負荷正常之后，MLSS又恢復正常值。
關于膜通量降低的原因可分析如下：COD沖擊負荷使反應器內活性污泥濃度迅速增加，微生物進入生命活動旺盛的對數增長期，細胞繁殖速度加快，MLSS迅速增大說明了這一點。污泥濃度的提高增加了混合液的粘度，從而使液—固分離困難；同時處于對數增長期的污泥活性 高、有大量細胞外聚合物存在，增加了膜過濾阻力，也是膜最大出水量降低的原因。
2.6 氨氮的去除
在膜生物反應器中，由于污泥泥齡長，而且溶解氧充足，有利于硝化菌生長，因此氨氮去除良好。試驗期間內，進水氨氮濃度為10～20mg/L，其平均值為16mg/L，出水氨氮濃度＜1mg/L，氨氮去除率在97%以上。
3 膜生物反應器的經濟分析
膜生物反應器技術具有出水水質良好、運行管理簡單、占地面積小等優點，是污水回用的適用技術。本研究對一個規模為806m3/d居住區污水回用工程分別采用厭氧→好氧→絮凝→沉淀→過濾→消毒工藝（以下簡稱工藝1）和中空膜生物床工藝（以下簡稱工藝2）進行了初步設計，同時進行了經濟分析和比較。經濟分析和比較依照有關手冊進行。就出水水質而言，工藝2出水的濁度、SS、COD和NH3-N優于工藝1，但是出水中的NO3-N會劣于工藝1。經濟分析比較的主要結論見表6。
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表6 兩種污水處理工藝的經濟比較
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比較項目
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工藝1
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工藝2
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主要構筑物的基建投資（萬元）
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110.68
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39.72
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主要設備、材料的基建投資（萬元）
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76.60
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7.30
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總基建投資（萬元）
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187.28
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47.02
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單位處理水量的基建投資[元/（m3.d)]
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2325
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583
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單位處理水量的電力消耗（kW.h/m3)
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0.631
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0.988
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單位處理水量的運行費用（元/m3）
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1.08
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1.50
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注 *膜的費用計入運行費用 。
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根據以上分析可以看出，工藝1的總基建投資是工藝2的2.78倍。由于目前國產膜組件的成本較高且工作壽命較低，更換膜組件的費用占了運行費用的約50%，如果膜組件的費用可以減低20%，工藝2的運行費用與工藝1的基本持平。由于工藝2的基建費用低，它的企業內部收益率高于工藝1。
4 結論
①中空膜生物床處理技術與傳統的處理工藝比較，取代了二次沉淀池和三級處理工藝，設備體積小，運行管理簡單，膜生物反應器出水懸浮物、濁度為零，細菌總數優于飲用水標準，COD和氨氮的去除率高達95%以上，出水可以直接回用。
②國產PVDF膜透水性能良好，能夠有效地截留懸浮物以及細菌，運轉150d后未見通量顯著降低。在膜生物反應器中透水通量與加拿大的Zenon膜類似，但低于日本Kubota板式膜，此外膜的機械強度仍需要改進。
③采用位差驅動出水和低水頭間斷工作，可省去復雜的氣或水反沖洗設備，運行可靠，維護簡單。
④中空膜生物床處理工藝的基建投資低于傳統工藝。但由于膜的造價較高，需要的曝氣量較大，目前運行費用仍較高。在本試驗中，單位處理水量的電力消耗約為1.0kW·h/m3， 進一步研究是必要的。
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