膜生物反應(yīng)器的研究進展

蔡琳暉 鄒 麗

（1中國城市建設(shè)研究院有限公司山東分院山東濟南2501012山東華城城建設(shè)計工程有限公司山東濟南250101）

膜生物反應(yīng)器的研究進展

蔡琳暉1鄒 麗2

（1中國城市建設(shè)研究院有限公司山東分院山東濟南2501012山東華城城建設(shè)計工程有限公司山東濟南250101）

膜生物反應(yīng)器是一種新型的污水處理方法，在近些年來得到了迅速的發(fā)展。在水處理方面也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在中小型的污水處理系統(tǒng)中，但是其還存在很多問題需要解決。本文討論了膜生物反應(yīng)器的工藝特點、反應(yīng)器類型以及影響因素等，并且對其今后的發(fā)展方向進行了深入的分析。

膜生物反應(yīng)器，研究，污水處理

1 引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化的加速，帶來了大量的環(huán)境問題。尤為突出的是大量污水的肆意排放，引起了水資源的嚴(yán)重缺乏。因此，使水污染控制技術(shù)成為環(huán)境保護發(fā)展的重要方向。而膜生物反應(yīng)器的特點使得其得到了更快的發(fā)展。膜生物反應(yīng)器是生物反應(yīng)器與膜分離技術(shù)的一個新型的結(jié)合，在運行過程中能耗低、處理效率高、操作簡單，而且相比傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)，耐沖擊負(fù)荷、結(jié)構(gòu)簡單、對氨氮的處理效率高、出水中懸浮物低。膜生物反應(yīng)器最早應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)中，隨著對膜生物反應(yīng)器的深入研究，逐漸擴大了處理的范圍。在實際應(yīng)用中對中小型的污水處理廠、生活污水、食品廢水等有著明顯的效果[1]。

2 MBR的工藝特點

膜生物反應(yīng)器是一種充分利用空間以及微生物降解能力的新型污水處理技術(shù)，是膜分離技術(shù)與生物反應(yīng)器重要結(jié)合方式，使其在水處理方面得到了發(fā)揮了自己獨特的優(yōu)勢，同時它也有一些問題存在，其主要的工藝特點為[2]：

（1）膜生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式可以使污水進行充分的固液分離，而其效果相比傳統(tǒng)的沉淀池要更佳。研究表明，其出水的懸浮物的濁度接近于零，可作為景觀用水等直接利用，降低了污水的處理成本，對現(xiàn)實污水資源化有著重要的意義。

（2）膜生物反應(yīng)器利用膜的高效截留作用，能夠使污水中的微生物可以最大化的保留在反應(yīng)器中，保持了反應(yīng)器中的生物量，而且實現(xiàn)了HRT和SRT的完全分離，使得反應(yīng)器的運行更加穩(wěn)定、簡易。

（3）膜生物反應(yīng)器中保證了高的生物濃度，使其更能承受污水負(fù)荷的改變。

（4）膜生物反應(yīng)器的污泥停留時間相比一般的污水處理工藝更長，一般在15～45天，因此該系統(tǒng)中微生物的硝化作用更強。由于增加了污泥齡的時間，使得反應(yīng)器中提高了繁殖緩慢、分解難降解有機物的微生物數(shù)量。

（5）膜生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡易、占地面積小，充分利用的反應(yīng)器的空間，使得處理系統(tǒng)中設(shè)備更集中，整體更容易操作運行，現(xiàn)實自動化控制。

（6）膜生物反應(yīng)器在運行中最大的確定就是有膜污染的問題，是限制該工藝發(fā)展的關(guān)鍵因素，亟待解決。

3 膜生物反應(yīng)器的影響因素

3.1 混合液懸浮濃度

膜生物反應(yīng)器的優(yōu)勢之一就是取代了傳統(tǒng)活性污泥處理工藝中的二沉池，能夠?qū)⒒钚晕勰嗤耆亓舻椒磻?yīng)器中，可以使膜生物反應(yīng)器在高MLSS條件下運行。研究表明：在不排泥的條件下，反應(yīng)器污泥濃度可達40g/L～50g/L，能夠進行穩(wěn)定的運行；而當(dāng)污泥濃度大于40g/L時膜的通量就會下降。還有研究發(fā)現(xiàn)，由于高的污泥濃度會影響氧氣的傳質(zhì)效率，要改善處理系統(tǒng)中的氧濃度，會導(dǎo)致運行過程中增加能耗；此外，在處理難降解有機物或有毒有害物質(zhì)時，會在膜生物反應(yīng)器中積累，產(chǎn)時間下回影響反應(yīng)器的處理效果[3]。

3.2 污泥停留時間和水力停留時間

膜生物反應(yīng)器的另一個特點就是能夠控制水力停留時間以及污泥停留時間，使得工藝操作更為靈活。研究表明：污泥停留時間為10、20、30天的條件下，反應(yīng)器中污泥產(chǎn)量和COD去除率隨著污泥停留時間的延長而逐漸提高。同時太長的污泥停留時間對于微生物的生長不利，到了一定的程度會導(dǎo)致反應(yīng)器中營養(yǎng)匱乏，進而導(dǎo)致大量的微生物死亡，增加了出水中的COD濃度，同時也降低了氨氮的去除率[4]。

3.3 溶解氧

在好氧膜生物反應(yīng)器中，必須保證反應(yīng)器中充足的溶解氧濃度。在對其的研究中發(fā)現(xiàn)，對于毛紡廠的污水，反應(yīng)器中的溶解氧濃度是一個非常關(guān)鍵的因素，當(dāng)溶解氧濃度為1mg/L時可以實現(xiàn)完全的硝化[5]。是由于膜生物反應(yīng)器較長的SRT，使得F/M值較低，在反應(yīng)器內(nèi)部形成的絮凝體有利于硝化菌的生長與繁殖，加強了氨氮的去除效果。隨著對膜生物反應(yīng)器的改善，為了提高好氧膜生物反應(yīng)器中氧氣的濃度，出現(xiàn)了無泡充氧方式，進而改善了膜生物反應(yīng)器氧的利用效率，降低了能耗。

3.4 COD負(fù)荷

膜生物反應(yīng)器作為新型的水處理工藝，出水水質(zhì)穩(wěn)定，而且耐COD沖擊負(fù)荷強。大量的研究已經(jīng)證實這一特點，在處理水質(zhì)波動較大的啤酒廠廢水時，在較高的COD負(fù)荷以及強度下，膜生物反應(yīng)器的出水水質(zhì)可保證在95%以上[6]。在處理生活污水時，污水中COD濃度高于正常值3倍以上，仍可以保證正常的運行，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的抗沖擊力負(fù)荷能力。

3.5 膜污染

雖然膜生物反應(yīng)器在處理污水中有著很多優(yōu)勢，但其存在一個非常嚴(yán)重的缺點，就是膜組件容易收到微生物以及其他污水中的物質(zhì)污染，進而導(dǎo)致出水效果下降。膜污染是指膜孔、膜表面上被各種污染物積累進而導(dǎo)致膜通量下降的現(xiàn)象。目前膜污染的控制已經(jīng)是蓋工藝中不可避免的難題，是限制膜生物反應(yīng)器的主要因素，膜污染的加重會逐漸影響系統(tǒng)的運行、膜組件的壽命，此外還會增加運行的能耗。目前的研究中解決膜污染的方法主要有物理、化學(xué)方法來進行消除[7]。

4 新型膜生物反應(yīng)器

4.1 萃取膜生物反應(yīng)器

圖1 萃取膜生物反應(yīng)器

萃取膜生物反應(yīng)器是一種新型的膜生物反應(yīng)，它是利用膜的接觸作用和萃取技術(shù)的結(jié)合來去除污染物質(zhì)。圖1為萃取膜生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，其在運行過程中先將廢水中的污染物質(zhì)萃取出來，然后在微生物反應(yīng)器中進出去除，在運行過程中反應(yīng)器的膜兩次出現(xiàn)了濃度差，進而使得污染物自行的向微生物處理方向移動。該反應(yīng)器對于處理含有揮發(fā)有機物、重金屬以及有毒有害的污水具有良好的效果。

4.2 滲透膜生物反應(yīng)器

滲透膜生物反應(yīng)器是利用滲透汽化膜與生物反應(yīng)器相結(jié)合的工藝技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖2，是利用具有滲透作用的膜在膜兩側(cè)形成濃度差，以此作為驅(qū)動力，在反應(yīng)器運行時含有污染物的廢水不斷的從膜的一側(cè)進入到生物反應(yīng)器中，然后進一步的進行分解污染物。該反應(yīng)器在處理含有揮發(fā)性物質(zhì)的廢水效果最佳[8]。

圖2 滲透膜生物反應(yīng)器

4.3 膜-酶生物反應(yīng)器

膜-酶生物反應(yīng)器是把膜的分離技術(shù)與酶具有催化性、專一性等結(jié)合起來的生物反應(yīng)器[9]，其結(jié)構(gòu)如圖3。該反應(yīng)器既具有膜的分離技術(shù)，同時也發(fā)揮了酶降解的高效性。在反應(yīng)器運行時膜組件的狀態(tài)以及酶的性質(zhì)對于系統(tǒng)處理的效果起到了關(guān)鍵的作用。研究表明：在處理高鹽度、難降解物質(zhì)等有機廢水中其具有更突出的優(yōu)勢。

圖3 膜-酶生物反應(yīng)器

4.4 無泡曝氣膜生物反應(yīng)器

圖4 無泡膜生物反應(yīng)器

無泡曝氣膜生物反應(yīng)器改善了膜生物反應(yīng)器的曝氣方式，提高了曝氣效率，提高了膜生物反應(yīng)器的能量利用效率。其膜組件采用了透氣性致密膜或者是具有疏水性的微孔膜，相比之前的曝氣方式具有了更大的比表面積和氧傳遞面積，遠(yuǎn)遠(yuǎn)提高了曝氣效率，其結(jié)構(gòu)原理圖見圖4[10]。在大量的研究中表明：無泡曝氣膜生物反應(yīng)器的特點更適合于處理含有揮發(fā)性有機物、表面活性劑的污水。原因是在反應(yīng)器運行時并無氣泡產(chǎn)生，降低了揮發(fā)有機物產(chǎn)生的污染。

5 結(jié)語

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，污水的處理壓力越來越大，不僅處理水量會不斷增加，而且處理的水質(zhì)也更為復(fù)雜。水資源的匱乏對污水的處理效果也更為嚴(yán)格，使得膜生物反應(yīng)器得到了更好的發(fā)展，在目前的研究中膜生物反應(yīng)器還存在很多解決的問題，膜材料的質(zhì)量較差，使用壽命短、強度低、抗污染性能差；膜組件的結(jié)構(gòu)、安裝方式等需優(yōu)化設(shè)計，使其更適合各種形式的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其生產(chǎn)需要規(guī)模化，要適應(yīng)更大水量的處理；膜生物反應(yīng)器的整體結(jié)構(gòu)形式還需進一步優(yōu)化，提高處理能力，降低能耗；膜污染是制約膜生物反應(yīng)器發(fā)展的重要障礙，對膜污染進行控制是膜生物反應(yīng)器的巨大推動力。

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蔡琳暉（1979—），女，漢，碩士研究生，職稱：中級工程師，主要從事工作：給排水工程設(shè)計。