膜生物反應(yīng)器概述

金凱　劉靚　周安興

摘 要：膜生物反應(yīng)器通過膜強化生化反應(yīng)的污水處理新技術(shù)。介紹了膜生物反應(yīng)器的技術(shù)原理、研究現(xiàn)狀，指出MBR工藝具有污染物去除效果好，污泥產(chǎn)率低的優(yōu)點，分析了影響MBR處理效果的因素，并提出對MBR的技術(shù)展望。

關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器 研究現(xiàn)狀 優(yōu)勢 展望

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0129-02

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長，水資源面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。為解決水資源短缺等問題，將污水再生利用已成為人類解決水資源短缺的重要手段之一。從而減少污水對生態(tài)環(huán)境的污染，降低新鮮水的使用量，減輕供水與用水之間的矛盾，對工農(nóng)業(yè)來說提供了新水源。因此，從節(jié)約用水角度上看，污水的再次利用的觀點已得到廣泛認(rèn)可與支持[1]。膜生物反應(yīng)器（MBR）的提出對污水處理技術(shù)來說，又是一次創(chuàng)新性挑戰(zhàn)。

膜生物反應(yīng)器主要由膜組件及生物反應(yīng)器組成。膜生物反應(yīng)器包括：固液分離型膜生物反應(yīng)器、萃取膜生物反應(yīng)器、曝氣膜生物反應(yīng)器。其中在水處理中應(yīng)用最為廣泛的是固液分離型膜生物反應(yīng)器，另外兩類處于研究階段。膜生物反應(yīng)器將生物降解作用與膜分離技術(shù)集于一體，以膜過濾替代活性污泥法中的沉淀池實現(xiàn)泥水分離。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對MBR的研究主要集中在以下幾個方面：（1）膜分離與不同處理工藝的組合，處理工藝包括：活性污泥法、生物膜法、活性污泥與生物膜的復(fù)合式工藝、接觸氧化法、兩相厭氧工藝等；（2）膜污染的影響因素及機理，探索最佳工藝參數(shù)，減少膜污染，提高處理能力及穩(wěn)定運行；（3）研究對象由生活污水發(fā)展到高濃度廢水，同時對揮發(fā)性有機物進(jìn)行動力學(xué)研究。

目前，MBR在歐洲、美國、日本、中國等[2]國家運行較多，經(jīng)過幾十年的研究，MBR技術(shù)已成熟發(fā)展，廣泛應(yīng)用于市政污水、工業(yè)廢水、垃圾滲濾液等污水領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，MBR市場規(guī)模在過去5年里增長1倍，2005年市場銷售額為2.17億美元。2010年，市場規(guī)模達(dá)3.6億美元。MBR市場發(fā)展速度快于污水深度處理設(shè)備，也快于其它形式的膜法水處理系統(tǒng)。

2 MBR的特點

2.1 污染物去除

MBR與傳統(tǒng)工藝相比，MBR出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)生物處理工藝。MBR處理后的生活污水COD、BOD、濁度較低，大部分病毒、細(xì)菌被截留，出水可直接用于消防、綠化等。同時，膜的截留作用防止了硝化細(xì)菌的流失，保持反應(yīng)器內(nèi)高濃度硝化細(xì)菌的有利條件，提高硝化作用。張軍[3]等人對MBR的研究表明，MBR對氮的去除效果為97%，但MBR對氮的去除易受溫度、沖擊負(fù)荷、HRT等因素的影響。在工業(yè)廢水處理中的研究表明，MBR對難降解有機物、高濃度有機物，氨氮、濁度都能達(dá)到良好效果[4]。

2.2 污泥產(chǎn)率低

膜生物反應(yīng)器因?qū)⑽勰嗤耆亓粲诜磻?yīng)器內(nèi)，理論上實現(xiàn)不排泥操作-污泥零排放。Chaize和HLyard在利用膜生物反應(yīng)器處理生活污水的小試中，研究了污泥齡對MBR的污泥產(chǎn)率的影響，研究表明污泥齡分別為50 d、100 d時，污泥齡越大污泥的產(chǎn)量越低，這主要是因為F/M的比例較低與較長污泥齡所導(dǎo)致的[5]。MLller等人在利用MBR處理生活污水的中試發(fā)現(xiàn)，在高污泥濃度（MLSS=40-50 g/L）及污泥齡=∞時，MBR幾乎不產(chǎn)生泥，污泥全部被截留。在SRT為5-80 d的情況下，桂萍等[7]人研究一體式MBR處理生活污水時發(fā)現(xiàn)，膜生物反應(yīng)器的產(chǎn)率系數(shù)Y與衰減系數(shù)b值隨SRT的增大而減小。在SRT=280 d時，劉銳等人[7]得出這樣的結(jié)論：表觀產(chǎn)率系數(shù)Y隨運行時間的延長呈降低趨勢，Y由反應(yīng)器初期的0.248 kgVSS/kgCOD降低為0.083 kgVSS/kgCOD。在兩段式膜生物反應(yīng)器中，張紹園等[8]人應(yīng)用食物鏈中能量遞減的原理，引入后生動物-蠕蟲，研究發(fā)現(xiàn)在有蠕蟲的情況下，膜生物反應(yīng)器其污泥產(chǎn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般活性污泥法的污泥產(chǎn)率率；隨著蠕蟲的濃度增加污泥產(chǎn)率越低，當(dāng)蠕蟲在100個/mL以上時，反應(yīng)器內(nèi)的污泥產(chǎn)率為0.1 kgSS/kgCOD僅為活性污泥法污泥產(chǎn)率的1/4。如維持蠕蟲在系統(tǒng)內(nèi)的最佳數(shù)量，使污泥產(chǎn)率趨向于零，達(dá)到污泥零排放的目的。

3 影響因素

3.1 有機負(fù)荷

在好氧膜生物反應(yīng)器內(nèi)，污泥濃度隨污染物容積負(fù)荷的上升迅速增加，同時COD去除效率也加快，但污泥的負(fù)荷基本維持不變，保證了出水水質(zhì)保持不變；但在厭氧膜生物反應(yīng)器中，污泥濃度隨污染物容積負(fù)荷的上升緩慢增加，故厭氧膜生物反應(yīng)器出水水質(zhì)受污泥容積負(fù)荷的影響[9]。在膜生物反應(yīng)器內(nèi)沖擊負(fù)荷對有機物的去除效率影響不明顯，但NH3–N的去除效果受沖擊負(fù)荷的影響較為明顯，去除效果與污染物沖擊負(fù)荷呈正比，這主要是因為膜對NH3-N沒有的攔截作用，故膜生物反應(yīng)器對NH3-N的去除效果易受沖擊負(fù)荷的影響。

3.2 污泥濃度

在膜生物反應(yīng)器中污泥濃度是一個重要的影響因素，污泥濃度不僅會對污染物的去除效果產(chǎn)生影響，還影響膜通量。膜通量受污泥濃度影響的程度還與水力學(xué)條件、膜面循環(huán)流速、曝氣強度等密切相關(guān)。在對膜生物反應(yīng)器的膜污染速度與和膜通量、曝氣量、污泥濃度的研究中，桂萍等[6]人發(fā)現(xiàn)，在不同污泥濃度的膜生物反應(yīng)器中均存在一個臨界膜通量，當(dāng)膜通量大于臨界膜通量時，懸浮污泥的沉淀是導(dǎo)致膜污染主要原因；當(dāng)通量小于臨界膜通量，溶解性有機物的沉淀是導(dǎo)致膜污染主要原因。在不同污泥濃度情況下，曝氣量對膜污染的影響是不同的，當(dāng)污泥濃度較低時，曝氣量對膜污染未產(chǎn)生影響；當(dāng)污泥濃度較高時，曝氣量越大膜污染的速度越緩慢。

4 膜污染

膜污染是指膜的分離特性發(fā)生改變的現(xiàn)象。在膜生物反應(yīng)器中存在大分子物質(zhì)、顆粒膠體、物料顆粒與膜之間存在機械或化學(xué)、物理的作用，導(dǎo)致膜孔及膜的表面積縮小或堵塞。一般膜污染的主要原因是膜的堵塞，造成膜的堵塞一是吸附引起的不可逆堵塞，二是濃差極化引起的凝膠層。endprint

膜污染與濃差極化存在著密切關(guān)系，大部分膜污染的主要根源是濃差極化引起。膜生物反應(yīng)器內(nèi)的膜表面溶質(zhì)濃度升高其原因就是濃差極化，濃差極化導(dǎo)致滲透壓增大，減小傳質(zhì)動力，導(dǎo)致膜表面溶質(zhì)濃度升高，當(dāng)膜表面的溶質(zhì)達(dá)到一定濃度時，膜可能發(fā)生溶脹或溶解惡化，膜的性能膜表面的凝膠層或沉積層會改變膜的分離特性；甚至出現(xiàn)結(jié)晶，阻塞通道，使運行惡化。顆粒物質(zhì)小于膜孔徑時，主要通過沉淀、結(jié)晶、濃縮或濃差極化導(dǎo)致溶質(zhì)在膜表面超過其溶解度生膜發(fā)生堵塞，膜的透過量及奮力特性發(fā)生改變，導(dǎo)致膜污染。

膜生物生物反應(yīng)器在污水領(lǐng)域的應(yīng)用范圍及規(guī)模不斷發(fā)展，主要是因為膜生物反應(yīng)器具有占地面積少、反應(yīng)器內(nèi)生物量大、污泥量低、泥水分離效果好、出水水質(zhì)好等優(yōu)點。但其應(yīng)用范圍較有限，主要是因為膜污染、高能耗、膜價格的制約，其中膜污染是影響膜生物反應(yīng)器大力發(fā)展的主要因素，故解決膜生物反應(yīng)器膜污染的問題使膜生物反應(yīng)器的主要研究內(nèi)之一。

5 結(jié)語

膜生物反應(yīng)器作為一種新型污水處理技術(shù)，具有獨特的優(yōu)勢，其可截留大部分污泥，因此反應(yīng)器內(nèi)生物量與容積負(fù)荷較高；同時可通過吸附等作用消除有毒物質(zhì)減少讀微生物的毒害及抑制，為微生物生長提供適宜場所；有利于世代周期較長的微生物生長，提高系統(tǒng)的脫氮效果。隨著水污染的日益增加，膜生物反應(yīng)器具有較好的市場。但膜生物反應(yīng)器的膜污染、高能耗、膜價格等問題是抑制其發(fā)展的主要因素，因此，在污水中的廣泛應(yīng)用還有一定距離。盡快將膜生物反應(yīng)器廣泛應(yīng)用，在以下幾個方面還需要進(jìn)一步研究：（1）開發(fā)價格低廉、透水量大、耐受壓、耐酸堿腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的高性能膜材料。（2）研究膜污染的成因，并尋求解決方法。（3）發(fā)展新膜生物反應(yīng)器，降低動力能耗。

參考文獻(xiàn)

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[5] Chaize S，A～uyard.Membrane bioreactor on domestic wastewater treatment sludge production and modelling approach[J].watSci Tech，1991（23）：1591-1600.

[6] 桂萍.一體式膜生物反應(yīng)器污水處理特性及膜污染機理研究[D].北京：清華大學(xué)，1999.

[7] 劉銳.一體式膜生物反應(yīng)器的微生物代謝特性及膜污染控制[D].北京清華大學(xué)，2000.

[8] 張紹園.膜分離與生物降解組合工藝處理受污染水研究[D].北京：中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，2000.

[9] 孟耀斌.分置式膜"生物反應(yīng)器處理生活污水的抗沖擊負(fù)荷能力[J].環(huán)境科學(xué)，2000，21（5）：22-26.endprint