MBR膜生物反应器技术及应用情况

MBR膜生物反应器技术及应用情况

污水处理已经发展出了活性污泥法及生物膜法两种相对成熟的处理工艺（processes）。然而，随着人口的迅速增长及工业化水平的不断提高和发展，污水的总量越来越大，成分越来越复杂，如果继续以常规工艺进行处理，不但费时费力，还会占用非常宝贵的土地资源，且不一定会得到理想的处理效果。MBR 膜生物反应器（membranes bioreactors），作为一种新型高效的水处理技术，发展日趋成熟，目前已经在欧美、日本等发达国家得到了大规模的应用。该技术的最大特点便是能在大幅提高处理效率的同时，大大节省占地面积，特别是对于迫切需要水资源循环利用的地区，其优良的出水水质完全能够满足回用水要求。

一、污水的生物处理技术

MBR 工艺的基础，来自生物处理技术中的活性污泥法（Activated sludge process），及物化处理技术中膜分离。污水生物处理是利用各种不同类型微生物新陈代谢功能，对污水中的污染物质进行分解和转化，从而使污水得到净化的处理方法，用更形象的说法便是微生物在自身生长增殖的过程中“吃”掉了水中的污染物。根据微生物生长方式的不同，生物处理技术又分成悬浮生长和附着生长法；其中悬浮生长法是指通过适当的方法使微生物在池中保持悬浮状态并与污水中的有机物充分接触以完成降解过程，其典型代表

便是活性污泥法，而我们通常所说活性污泥便是指污水中悬浮的、具有降解能力的微生物群；而与之相对的附着生长法，主要指生物膜法：微生物附着在填料上生长，形成生物膜，污水通过布水流经生物膜时，微生物与污水中的污染物接触，完成对污水的净化。

1、活性污泥法简介

目前，基于处理效果、运行成本及管理维护等多方面因素的考虑，活性污泥法及其各衍生技术的应用更为广泛。

所谓活性污泥法的变种，是基于排放要求的不同，针对某些污染物的处理所进行的工艺调整。作为国家节能减排的两个重要指标之一，化学需氧量（COD，Chemical Oxygen Demand）始终是衡量污水排放及污水处理的最具代表性、同时也是最广泛衡量的指标，是指用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所消耗的氧化剂的量。生化需氧量（BOD，Biochemical Oxygen Demand），是指水中污染物被好氧微生物分解时所需要的氧量。通常我们用BOD 与COD 的比值（B/C）来衡量污水的可生化降解的程度，生活污水的B/C 值在0.7 左右，属于生化性优良的原水。然而，水中其他污染的控制也是十分重要的，诸如前一段时期引起广泛关注的太湖蓝藻爆发，便是由于水中氮磷一类的污染物超标所导致的水体富营养化。对这类物质进行降解，必须经过好氧－厌氧交替过程，如AAO 工艺等，都可视为活性污泥法的变种。

由于活性污泥法中微生物是悬浮在污水中，因此，出水前必需要进行泥水分离，以得到澄清的出水，而在传统方法中，这一过程通常由二沉池（Two sink the pond）通过沉淀的方法来完成。由于活性污泥的颗粒较小，所以二沉池的面积必须非常大，且容积必须能够保持一定的停留时间，才能满足基本的泥水分离需要。

原水→预处理→生化反应池→二沉池→消毒→出水（活性污泥法的常规工艺流程）

这样一来便会带来两个问题，一是污泥停留时间与水力停留时间的直接相关，二是占地面积的扩大。

所谓的污泥停留时间是指微生物在处理系统中的停留时间，从微生物学的角度来讲，生物群落的生长可以分为4个周期，延迟期（适应期）、对数增长期、稳定期（减速增长期）和衰亡期（内源呼吸期），而并不是所有时期的微生物都具有良好的处理效率。我们通常需要有一定“年龄”的微生物，因为此时的生物群落更丰富，对污染物有更强的吸附和处理能力，同时也能确保出水水质。而决定污泥泥龄的关键，便是每天排出处理系统的微生物的量。因为新生的微生物本身会分泌粘性物质，从而聚集成较大的颗粒，能更好地沉淀；而年长的微生物相对絮体较散，更难沉降，所以我们可以认为排除二沉池的污泥是老化的污泥，这样，新增的污泥逐渐替代老化的污泥，直到反应池中的活性污泥全部更新

一次。我们通常所指的污泥龄（SRT）的实质就是反应池中的活性污泥全部更新一次所需要的时间。

简单的来说，就是污水进水流量的变化会导致反应池中污泥的生物性状发生变化，从而影响其处理效率。

2、活性污泥法的缺陷

在污水处理工艺流程中，二沉池的面积也是非常可观的。一个1 万吨（小规模）污水处理厂（Sewage treatment plant），需要4 座直径为30m 的圆形二沉池，而且每个池体之间都要保持一定的距离以考虑排布管道及整体沉降控制，因此需要极大的占地面积。

总的来说，二沉池的固液分离效率从某种程度上限制了生物反应池的处理效果，而且还会占用极大的空间和土地资源。

同时，活性污泥法还存在着剩余污泥的问题。二沉池沉淀所得的污泥，除了一部分需要回流至生化池以维持一定的污泥浓度，而其他部分则是作为剩余污泥排放。污泥处理是污水处理的重要组成部分。对于以活性污泥法为主的城镇污水处理厂，污泥处理系统的建设投资约占污水处理厂总投资的20％～30％，而污泥处理的投资和运行费用与选择的工艺密切相关。

在常规处理过程的出水前还有消毒的步骤，现在常用的消毒工艺有加氯接触消毒和自外消毒。加氯消毒通常要求停留

时间不小于30min，既一个规模为1 万吨每天的污水处理厂，需要一个200 多个立方的接触池，出于流态方面的考虑，还必须设计折板、流道、控制水深流速等以保持消毒剂的接触效果；而消毒剂则需要持续投加，购买药剂的成本不说，由于氯是有毒物质，存放及运输过程中的安全性也需要考虑。紫外线消毒的占地省，构造简单，但设备的投资高，且大功率的紫外线消毒设备耗电量大，运行费用高。

有没有一种更高效的固液分离的方法，可以替换传统的二沉池，既能减少土地资源占用，维持高处理效率和稳定的出水水质，又能够避免过多的剩余污泥产生，同时还能对致病菌有截留作用。膜分离的方法给出了答案。

二、膜分离技术

膜分离，尤其是液体的分离，以前通常用于工业中的提纯与混合液的分离。随着水处理技术的发展，该工艺开始逐渐在水处理的环节得中到应用。根据不同的膜表面孔径大小，可以分为过滤、微滤（MF）、超滤（UF）及纳滤（NF）等，膜生物反应器中通常采用的是微滤和超滤膜，其分离机理主要是筛分效应，类似于我们通常所指的过滤，但其又不完全相同，因膜结构的不同，截留作用大体可以分为机械截留、吸附截留及架桥作用等。

膜与生物处理工艺结合的膜生物反应器研究（MBR）迄今已有30 多年的历史；在国外，商业应用也已经有了20 年的