膜生物反应器

膜生物反应器及其应用研究进展

1 引言

传统的活性污泥工艺(Conventional Activated Sludge, CAS)广泛地应用于各种污水处理中。由于采用重力式沉淀方式作为固液分离手段，因此带来了很多方面的问题。如固液分离效率不高、处理装置容积负荷低、占地面积大、出水水质不稳定、传氧效率低、能耗高以及剩余污泥产量大等等。传统生物处理工艺处理后的水难以满足越来越严格的污水排放标准，同时，经济的发展所带来的水资源的日益短缺也迫切要求开发合适的污水资源化技术，以缓解水资源的供需矛盾。在上述背景下，一种新型的水处理技术——（Membrane Bioreactor,MBR）应运而生。随着膜分离技术和产品的不断开发，(M BR)也更具有实用价值，近年来许多国家都投入了大量资金用于开发此项高新技术。

2 CAS

CAS是一种应用最广的废水好氧生物处理技术。其基本流程如图1所示，是由曝气池、二次沉淀池、曝气系统（含空气或氧气的加压设备、管道系统和空气扩散装置）以及污泥回流系统等组成。

曝气池与二次沉淀池是活性污泥系统的基本处理构筑物。由初次沉淀池流出的废水与从二次沉淀池底部回流的活性污泥同时进入曝气池，其混合体称为混合液。在曝气的作用下，混合液得到足够的溶解氧并使活性污泥和废水充分接触。废水中的可溶性有机污染物为活性污泥所吸附并为存活在活性污泥上的微生物群体所分解，使废水得到净化。在二次沉淀池内，活性污泥与已被净化的废水（称为处理水）分离，处理水排放，活性污泥在污泥区内进行浓缩，并以较高

的浓度回流曝气池。由于活性污泥不断地增长，部分污泥作为剩余污泥从系统中排出，也可以送往初次沉淀池。

图1 活性污泥法基本流程

3 MBR法

3.1 MBR及其分类

MBR是指将超、微滤膜分离技术与污水处理中的生物反应器相结合而成的一种新的污水处理装置。这种反应器综合了膜处理技术和生物处理技术带来的优点。超、微滤膜组件作为泥水分离单元，可以完全取代二次沉淀池。超、微滤膜截留活性污泥混合液中微生物絮体和较大分子有机物，使之停留在反应器内，使反应器内获得高生物浓度，并延长有机固体停留时间，极大地提高了微生物对有机物的氧化率。同时，经超、微滤膜处理后，出水质量高，可以直接用于非饮用水回用。系统几乎不排剩余污泥，且具有较高的抗冲击能力。特别是1989年Yamamoto将中空纤维膜应用于活性污泥处理中，使工艺运行成本大大降低，实际应用前景广阔。因此，MBR是当今倍受国内外专家学者重视的一项高新水处理技术。

MBR的特点：

一、出水水质好

由于采用膜分离技术，不必设立、过滤等其它固液分离设备。高效的固液分离将废水中有悬浮物质、胶体物质、生物单元流失的微生物菌群与已净化的水分开，不需经三级处理即直接可回用，具有较高的水质安全性。

二、占地面积小

膜生物反应器生物处理单元内微生物维持高浓度，使容积负荷大大提高，膜分离的高效性使处理单元水力停留时间大大缩短，占地面积减少。同时膜生物反应器由于采用了膜组件，不需要沉淀池和专门的过滤车间，系统占地仅为传统方法的60%

三、节省运行成本

由于MBR高效的氧利用效率，和独特的间歇性运行方式，大大减少了曝气设备的运行时间和用电量，节省电耗。同时由于膜可滤除细菌、病毒等有害物质，可显著节省加药消毒所带来的长期运行费用，膜生物反应器工艺不需加入絮凝剂，减少运行成本。

膜生物反应器（MBR）工艺是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术。它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质截留住，省掉二沉池。活性污泥浓度因此大大提高，水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（S RT）可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应、降解。因此，膜生物反应器（MBR）工艺通过膜分离技术大大强化了生物反应器的功能。与传统的生物处理方法相比，是目前最有前途的废水处理新技术之一。

从整体构造上来看，MBR是由膜组件和生物反应器两部分组成。根据这两部分操作单元自身的多样性，膜生物反应器也必然有多种类型。膜生物反应器的一些基本分类见表1。

表1 MBR的基本分类

分置式MBR是指膜组件与生物反应器分开设置，浸没式MBR是指膜组件安置在生物反应器内部。2种反应器的流程如图2所示。

图2 MBR流程图

表2 2种反应器的区别

实际应用中，分置式MBR与一体式MBR互有优缺点，区别见表2。

3.2 MBR所用滤膜及膜组件

在MBR工艺中，超、微滤膜分离的对象是活性污泥混合液。活性污泥混合液主要包括活性污泥和被处理的污水，而活性污泥是由各种胶体、絮状物和微生物（绝大部分是各种细菌）组成。膜组件长期过滤活性污泥混合液时，污染物不断地在膜表面沉积，细菌不断地向膜内部繁殖，使其生成的代谢产物在膜孔中沉淀，进而引起膜孔堵塞，使膜的通量下降，膜寿命缩短，工艺运行费用增加。

一般而言，决定膜过滤效果的主要因素是膜的孔径及孔隙率，而选择什么样的膜材料并不是关键。但是在MBR工艺中膜材料种类却强烈地影响其耐污染性，所要解决膜污染问题的最主要的途径是找到耐污染的膜材料或者是对膜进行改性。

所调研的近期文献中有关MBR所用滤膜及组件的情况如表3所示：

从近期国内外MBR研究情况来看（文献的抽取有随机性），滤膜大都为较小孔径的微滤膜，或较大截留分子量的超滤膜，孔径范围为0.1～0.5mm；材质主要是疏水性的聚烯烃和亲水性的聚砜、纤维素等，还有一些无机膜。疏水性的聚烯烃一般做成中空纤维式膜组件，而亲水性的聚砜、纤维素膜一般做成平板式膜组件。

表3 近期文献中MBR所用滤膜及组件形式

4 MBR研究进展

目前，MBR的研究主要集中在以下几个方面：（1）降低膜污染，提高膜通量；（2）探求合适的工作条件和工艺参数；（3）降低处理工艺的运行成本。

张少辉, 郑平, 华玉妹〔1〕用反硝化生物膜启动厌氧氨氧化反应器的研究等选取不同截留分子量的聚醚砜膜（PES），采用板框式膜组件构成的厌氧MBR对高浓度食品废水进行处理，考察了截留分子量对膜通量和出水效果的影响。

王荣昌, 文湘华, 钱易〔2〕分析了生物膜反应器中好氧颗粒污泥形成机理，研究了MBR运行条件对膜过滤特性的影响。

杨玉旺〔3〕研究了移动床生物膜反应器处理污水的研究应用进展。

邢传红等进行了管式MBR（分置式）处理城市污水的工艺设计，认为运行成本主要由电费、药剂费和人工费等3部分组成。其中电费是最主要的，电耗为2.3kW·h/m3。

鲁敏，曾庆福，张跃武〔4〕对一种新型生物膜反应器处理污水的研究发生了浓厚兴趣。

王亚娥等分析了影响超滤膜通量和过滤阻力的主要因素。

杨磊等对MBR运行过程中的膜污染和清洗进行了较详尽的试验。

李军, 彭永臻, 杨秀山 ,王宝贞 ,杨海燕〔5〕着重研究了序批式生物膜法反硝化除磷特性及其机理。

姜苏等〔6〕研究了一体化Ａ/Ｏ生物膜法处理生活污水。

白宇等〔7〕研究分析了污水深度处理生物滤层中菌群的时空分布特征。

陈壁波等〔8〕对移动床生物膜反应器及对造纸废水处理的意义进行了卓有成效的研究论证。