動態(tài)膜生物反應(yīng)器的研究進展

楊嘉昕，呂 謀，張風(fēng)芝

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

近幾十年來，環(huán)境污染愈發(fā)嚴重，面對淡水資源的匱乏，人類對環(huán)保的呼聲越來越大。從2015到2016年間，“水十條”和《中國環(huán)境保護稅法》的相繼發(fā)布，顯示出國家對水污染治理的決心和態(tài)度。同時，也對現(xiàn)在的水污染治理提出了更高標準的要求。國內(nèi)外水處理新技術(shù)層出不窮，動態(tài)膜生物反應(yīng)器便是其中之一。

1 膜生物反應(yīng)器(MBR)

最早的膜生物反應(yīng)器(MBR)是在二十世紀六十年代，美國人Smith把傳統(tǒng)的活性污泥法和膜分離技術(shù)結(jié)合起來運用于污水處理而形成的。膜的高效截流，使生物反應(yīng)器內(nèi)可以維持較高的生物濃度，從而在較低的有機負荷率下運行時，有機物還能得到很好的氧化分解。但由于膜技術(shù)發(fā)展的局限，膜污染問題嚴重，膜的頻繁更換使得這項技術(shù)的基建投資過大，阻礙了它在實際工程中的應(yīng)用。

MBR作為一種新興的污水處理技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的污水處理工藝有著不少的優(yōu)勢：首先，活性污泥中的微生物通過自身的新陳代謝作用分解水中有機污染物，而生物膜對污水中的有機物大分子和顆粒物質(zhì)也有著截流和過濾作用，所以MBR的固液分離效果相比傳統(tǒng)活性污泥法要好；其次，因為生物膜的截留作用，反應(yīng)器內(nèi)得以保持較高的活性污泥濃度，并且給世代周期長的細菌提供充足的時間生長，對于難降解的有機物，也可以有充分的時間去分解，污泥硝化能力提高，生物膜的過濾作用還可以減少出水污泥量；最后，反應(yīng)器的工藝結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，處理系統(tǒng)的設(shè)備化程度高也是比傳統(tǒng)生物反應(yīng)器優(yōu)越的地方[1]。

但MBR也有不少缺點制約著它的發(fā)展，比如膜污染、工程造價和運行費用高等問題[2]?？偠灾羌夹g(shù)發(fā)展的落后而導(dǎo)致反應(yīng)器在經(jīng)濟上要求比較高，限制了其的推廣和使用。

2 動態(tài)膜生物反應(yīng)器(DMBR)

動態(tài)膜生物反應(yīng)器(DMBR)是用廉價的微網(wǎng)材料替代MBR中的濾膜，利用污水在通過基材時所截留下來的污泥顆粒形成生物膜來起到凈化進水和過濾作用的一種新型污水處理工藝[3-4]。動態(tài)膜生物反應(yīng)器既保持了傳統(tǒng)膜反應(yīng)器的優(yōu)點，又通過廉價的替代膜降低了運行能耗和基建成本，是一個很有發(fā)展前景的水處理新技術(shù)。

近幾年，動態(tài)膜生物反應(yīng)器發(fā)展迅速，有以下4個優(yōu)點：第一，DMBR采用了大孔徑材料作為膜基材的支撐材料，成本降低，機械強度提升，而且增大了膜基材材料的選擇范圍[5]；第二，由于濾網(wǎng)的孔徑變大，使生物膜過濾可以達到微濾和超濾的效果，滲透性好，出水水質(zhì)提高；第三，通過改變通量，使動態(tài)膜從膜基材上脫落，可實現(xiàn)在線清洗，減小了膜組件的損耗，節(jié)約了更換膜的費用；第四，由于進出水之間存在水頭差，在運行過程中，系統(tǒng)不需另配提升泵，依靠重力水頭差就可自流出水，降低了系統(tǒng)的能耗[6]。

大多數(shù)DMBR采用的是淹沒式動態(tài)膜生物反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖 DMBR反應(yīng)器Fig. Dynamic membrane bioreactor

3 DMBR工藝影響因素

3.1 膜基材

膜基材一般選用化學(xué)穩(wěn)定性好、性價比高的材料。

尤朝陽[7]等人把無紡布、丙綸、滌綸、錦綸和不銹鋼絲網(wǎng)分別作為DMBR的膜基材對生活污水進行處理，得到結(jié)果表明，滌綸和不銹鋼絲網(wǎng)的DMBR系統(tǒng)對COD的去除效果好，分別為84.92%和82.76%；以無紡布為膜基材的DMBR則對氨氮有著優(yōu)于其他四種反應(yīng)器的去除效率，平均去除率可達85.06%。

孫豐凱[8]等人比較了三維濾布和單滑面無紡布兩種膜基材所構(gòu)建的動態(tài)膜生物反應(yīng)器對污水的處理效果，發(fā)現(xiàn)三維濾布在各方面的性能參數(shù)都要優(yōu)于單滑面無紡布。

除卻膜基材的材料對膜的性能有影響，膜基材的結(jié)構(gòu)類型也對處理效果有著不可忽視的作用。秦蔚[9]對3種不同結(jié)構(gòu)類型的膜組件進行了實驗，結(jié)果表明，平板膜系統(tǒng)和碟片式膜系統(tǒng)比中空纖維膜系統(tǒng)處理效果好，COD的去除率都可達60%以上，對氨氮的去除率可達40%以上，結(jié)合化學(xué)除磷后的TP去除率在70%以上。

由以上研究可知，對于不同出水水質(zhì)要求的工藝，我們應(yīng)使用不同的膜基材。無紡布價格最低，但使用一段時間后膜基材的損壞程度也最大，使得更換膜的頻率最高，所以應(yīng)綜合實際需求，選擇膜基材。

3.2 出水水頭

動態(tài)膜生物反應(yīng)器的出水不需要泵的抽吸作用，可以在一定的出水水頭(WHD)下自流出水，比起傳統(tǒng)水處理工藝，DMBR可以節(jié)約能源，減少運行期間的投資。

董濱[10]等人對不同出水水頭的DMBR反應(yīng)器出水濁度進行了研究，結(jié)果表明以200目不銹鋼絲網(wǎng)為膜基材的DMBR反應(yīng)器的最佳水頭差為300mm，運行穩(wěn)定后的出水通量可達0.42m3/m2·h，出水濁度5min內(nèi)就可低于5NTU。

吳志超[11]等人發(fā)現(xiàn)，各出水水頭下動態(tài)膜均能快速形成，出水水頭提高，濁度就降低的越快，泥餅形成速度就越快。

范彬[12]等人研究了WHD對動態(tài)膜的通透性和穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)在恢復(fù)期的時候維持較高的出水水頭，不利于動態(tài)膜凝膠層的修復(fù)，會減弱動態(tài)膜的截留作用。

由此可見在動態(tài)膜形成的過程中，自流出水不僅節(jié)省投資，而且相比于泵抽式成膜速度快[13]，適用于農(nóng)村地區(qū)的小型污水廠[14]，在后期穩(wěn)定狀態(tài)下水處理過程中，可以通過調(diào)整出水水頭來控制膜污染的速度和恢復(fù)期的時間。

3.3 膜孔徑

DMBR中的生物膜孔徑對廢水處理效果也起著重要作用。田文瑞[15]對不同孔徑的尼龍網(wǎng)膜基材的DMBR的出水濁度和通量進行了實驗，最終發(fā)現(xiàn)膜孔徑為400目時，濁度低，通量大，反應(yīng)器處理效果最好。

Taro Miyoshi[16]用不同材料不同孔徑的膜基材對膜污染的影響做了實驗研究。實驗結(jié)果表明，聚偏二氟乙烯的三種孔徑：0.02,0.25,0.4μm中，0.02μm的跨膜差壓最大，0.4μm的最小，而且膜污染的程度隨著膜孔徑的增大而減小。

研究表明，不同材質(zhì)的膜基材有著各自最優(yōu)的膜孔徑，孔徑的大小影響著動態(tài)膜的形成和后續(xù)膜通量的大小。

3.4 反應(yīng)控制條件

影響動態(tài)膜生物反應(yīng)器處理效果的反應(yīng)控制條件有很多，主要包括反應(yīng)系統(tǒng)的曝氣方式和強度，錯流速度，操作壓力及溫度和pH值等。

薛念濤[17]試驗發(fā)現(xiàn)，為了防止膜污染的形成，系統(tǒng)可以在動態(tài)膜發(fā)生嚴重的堵塞問題時(一般指的是膜通量變?yōu)榱顺跏寄ね康囊话?，自動將側(cè)方曝氣改為下方曝氣，運行兩分鐘后停止曝氣。這樣可以有效地延緩膜污染的形成。

He Wang[18]等人在10℃和30℃的操作溫度下，對懸浮污泥和膜污染層中的EPS含量進行了測定，EPS與金屬元素相互作用會增強污泥層的致密性，從而降低了膜通量，對DMBR系統(tǒng)的處理效果產(chǎn)生影響。

通過以上研究表明，DMBR還有很大的進步空間，可以從對反應(yīng)器處理效果的影響因素入手，因地制宜，在不同的進水條件下，找出最適合的設(shè)計方案后，再將設(shè)備投入使用，可以節(jié)約很多時間和精力。

4 膜的形成及污染再生過程

4.1 動態(tài)膜成膜過程

動態(tài)膜根據(jù)掛膜方式的不同可分為預(yù)涂動態(tài)膜和自生動態(tài)膜。在預(yù)涂動態(tài)膜的形成過程中，首先需對濾網(wǎng)材料進行預(yù)涂，即在裝置中不斷循環(huán)流動預(yù)涂劑懸浮液，使預(yù)涂劑在濾網(wǎng)上形成一層膜，并形成錯流，此時，就表示預(yù)涂成功，在完成預(yù)涂后，進入正常的過濾階段，裝置中通入待處理污水，隨著預(yù)涂層上的污泥絮狀物積累到一定程度，膜通量趨于穩(wěn)定時，動態(tài)膜形成[19]。自生動態(tài)膜的形成只需在一定的出水水頭和曝氣作用下，膜生物反應(yīng)器對污水進行過濾，水中的污泥絮體會在濾布表面迅速富集，形成生物膜，使膜的過濾阻力增加，膜通量減小，當(dāng)污泥絮體的富集和膜表面的錯流速度達到平衡時，穩(wěn)定的動態(tài)膜形成[20]。在系統(tǒng)運行初期，動態(tài)膜還未完全形成，膜通量大，出水水質(zhì)不好，這時在系統(tǒng)中加入一個回流裝置，使初始濾液回流，以提高系統(tǒng)處理排放水水質(zhì)[21]。

4.2 膜污染及再生

當(dāng)DMBR運行過一段時間后，由于膜表面截留的顆粒污染物、膠體物質(zhì)等過多，膜的孔徑會逐漸變小，膜通量減小，當(dāng)膜通量下降到出水無法滿足工藝要求時，就說明生物膜發(fā)生了膜污染問題。這時就要對膜進行清理和再生。

膜的清理和再生過程可分為兩類。

第一類是預(yù)涂動態(tài)膜的清理和再生。清理方式分為機械清理和化學(xué)清理，如果是污染嚴重的預(yù)涂動態(tài)膜，需要化學(xué)清理才能得到較好的清理效果?；瘜W(xué)清理是指用化學(xué)試劑如強酸強堿來浸泡清洗。機械清理指的是用自來水反復(fù)沖刷生物膜，通過水流的剪切力使得膜上的污泥絮體脫落來實現(xiàn)。機械清洗操作簡單，成本低廉。兩種清理方法可交替使用，廣義的動態(tài)膜分為動態(tài)膜部分和基膜部分，在運行初期發(fā)生的膜污染一般是動態(tài)膜部分的污染，只需進行水力反沖洗就可以使膜通量恢復(fù)，楊濤[22]研究發(fā)現(xiàn)在進行前4次動態(tài)膜反沖洗的時候不需要進行基膜清理，在第5次清理時則需要用0.1mol/L的氫氧化鈉溶液和0.1mol/L的氯化氫溶液先后進行基膜清洗，這樣可使膜的性能恢復(fù)到90%以上。這種機械和化學(xué)清理方法并用的操作可以節(jié)省大量的清洗和再生動態(tài)膜時間。

第二類是自生動態(tài)膜的清洗和再生。主要以物理清理為主，可以在膜組件底部增加曝氣裝置，氣水沖洗，沿著出水的反方向曝氣。這樣在反沖洗時，動態(tài)膜會受到氣流和水流兩種沖擊力，膜清理的效果好，且這種方法可以在線進行，方便快捷。在反沖洗過后，繼續(xù)通入污水進行掛膜操作，重新生成動態(tài)膜。

5 DMBR與其他工藝的結(jié)合

面對各式各樣的污水，單一的處理工藝已不能滿足處理要求，所以嘗試不同工藝的相互組合，已經(jīng)成為水處理方式的一種新的發(fā)展趨勢。由于DMBR是一個新興的水處理工藝，發(fā)展年限較短，使得DMBR工藝在實際工程化的應(yīng)用方面文獻比較空缺，國內(nèi)外少有報道，現(xiàn)對DMBR工藝的研究多處于實驗階段。

孔令為[23]將動態(tài)膜生物反應(yīng)器和復(fù)合垂直流人工濕地(IVCW)的耦合工藝對生活污水進行處理并分析所得數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，最后一階段的系統(tǒng)對COD,TN和TP的去除率分別為93.68%、85.13%、90.39%，出水指標均達到GB18918-2002一級A排放要求，其中，IVCW可作為動態(tài)膜生物反應(yīng)器的強化單元，主要負責(zé)去除氮和磷。

洪俊明[24]等在DMBR工藝中投加了顆?；钚蕴?GAC)，使得GAC-DMBR工藝在氨氮的去除方面得到了突破，對總氮的去除率由原先的50%提升到了76.7%,Jizhi[25]也認為添加顆?；钚蕴繉Ψ磻?yīng)器的處理效果有好的影響，可以減緩膜污染的速度。無獨有偶，孫琪媛[26]采用了PAC-DMBR復(fù)合工藝處理生活污水，發(fā)現(xiàn)投加粉末活性炭量為3g/L時，膜通量比原先提升了12%，系統(tǒng)運行周期變長，處理效率明顯提高。

凌琪[27]等人在DMBR工藝前添加了電解和水解兩個過程，把組合起來的復(fù)合反應(yīng)器運用于造紙廢水的處理中，可以把污水中溶解性有機物(DOM)經(jīng)過酸化池水解后，分解成小分子物質(zhì)，更容易被后續(xù)DMBR工藝去除，復(fù)合反應(yīng)器對生化需氧量去除率可以達到91.1%。

對于將膜技術(shù)和厭氧技術(shù)結(jié)合在一起的厭氧動態(tài)膜生物反應(yīng)器(AnDMBR)運用到城市污水處理中，現(xiàn)在已經(jīng)有不少學(xué)者進行了研究，但工業(yè)用水方面的研究還比較少[32-33]，張駿堯[34]通過梯級馴化的方式運用AnDMBR工藝處理冷軋平整液廢水，研究了馴化和穩(wěn)定運行過程中的運行情況和微生物的菌群變化，為以后處理這種工業(yè)廢水提供了有力的理論依據(jù)。國外多位學(xué)者也對動態(tài)膜技術(shù)在厭氧膜生物反應(yīng)器中的應(yīng)用進行了實驗[35-36]，Ersahin將AnDMBR用于高濃度廢水的處理，在不同污泥停留時間的操作條件下，COD的去除率都可達到99%以上，Saleem研究了初始通量和混合液懸浮固體濃度在AnDMBR工藝中對膜生長的影響。

為處理汞含量較高的牙科廢水，Ghazal[37]在DMBR的動態(tài)膜中加入微藻，構(gòu)成微藻動態(tài)膜，并與控制膜生物反應(yīng)器(CMBR)做對比試驗，結(jié)果顯示微藻動態(tài)膜的脫汞效果好，汞的去除率可達85.88%。

Erkan[38]研究了間歇曝氣動態(tài)膜反應(yīng)器對含鉻紡織工業(yè)廢水的處理效果，并以兩種不同的膜孔徑分別在不同的曝氣間隔時間條件下做對照實驗，結(jié)果表明，兩者對COD、色度、鉻的去除率都比較高，但20μm孔徑的動態(tài)膜需要更加頻繁的清洗，而53μm孔徑的動態(tài)膜可以在23～29LMH的通量下穩(wěn)定運行100d。

6 DMBR存在的問題與發(fā)展方向

DMBR有著出水水質(zhì)好，構(gòu)筑物占地面積小，膜基材價格低廉，清洗與再生容易等優(yōu)點，但DMBR作為一個新興的污水生物處理工藝，也有著不少缺點和不足。膜污染是影響DMBR的運行效果的一個至關(guān)重要的問題[39]。洪俊明[40]研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)溶解氧的含量可以減慢膜污染的速度；添加某些物質(zhì)，比如活性炭[41]，或改變曝氣方式也可以有效的延緩膜污染的時間；但這些物理或化學(xué)方法，并不能完全適應(yīng)復(fù)雜的生物膜變化方式，近些年來，學(xué)者們又提出了一種基于群體感應(yīng)(quorum sensing,QS)理論的群體淬滅技術(shù)來抑制生物膜污染[42]，這種新生的生物污染控制方式可能成為從根本上解決膜污染的方法。裝置運行初始階段和膜清理后再生膜的過程中出水水質(zhì)不好的問題現(xiàn)階段雖有初始濾液回流裝置可以解決，但此方法會降低DMBR的工作效率，需尋找更高效的解決辦法。在實際性的應(yīng)用中，如何規(guī)?；闹谱髂そM件也是制約DMBR發(fā)展的因素，高效低能的制作膜組件可以降低DMBR裝置成本，對于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水量小、資金有限的地區(qū)推廣DMBR裝置有著促進作用。但此類研究多屬于供貨廠家自家研究成果，國內(nèi)外文獻中鮮有報道。

DMBR離實際應(yīng)用還有一定的距離，尚需深入研究，以使其獲得更廣泛的應(yīng)用：

(1)需要從動態(tài)膜成膜機理、影響DMBR運行效果的因素入手，做更詳細的研究，夯實理論，為以后的實際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

(2)需要拓寬眼界，不能只要求一種DMBR工藝就能完成所有水質(zhì)的污水處理，隨著社會的發(fā)展，污染物質(zhì)的種類越來越多，不同地區(qū)，不同水質(zhì)的污水處理所最適合的處理工藝是不同的，嘗試DMBR工藝與其他物質(zhì)或者工藝相結(jié)合，因地制宜，才能達到更好的處理效果。

(3)需從阻礙DMBR發(fā)展的本質(zhì)問題出發(fā)，解決防治膜污染的發(fā)生，使得DMBR技術(shù)得到突破性的進展，我們應(yīng)在前人實驗研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)經(jīng)驗，找出不足，改進創(chuàng)新，尋找突破點繼續(xù)探索。

(4)在不影響處理水水質(zhì)的前提下，尋找更加綠色環(huán)保價格低廉的材料來替代原材料，使得DMBR工藝達到經(jīng)濟最大化。