膜生物反應(yīng)器(MembraneBioreactor，簡稱MBR)，是由膜分離和生物處理結(jié)合而成的一種新型、高效的污水處理技術(shù)。膜分離技術(shù)最早應(yīng)用于微生物發(fā)酵工業(yè)，隨著膜材料和制膜技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，已經(jīng)涉及到化工、電子、輕工、紡織、冶金、食品、石油化工和污水處理等多個領(lǐng)域。

1  MBR技術(shù)在國外污水處理中的研究及應(yīng)用

　　膜分離技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用開始于20世紀(jì)60年代末#1969年美國的Smith等人首次將活性污泥法與超濾膜組件相結(jié)合用于處理城市污水的工藝研究，該工藝大膽地提出了用膜分離技術(shù)取代常規(guī)活性污泥法中的二沉池，利用膜具有高效截留的物理特性，使生物反應(yīng)器內(nèi)維持較高的污泥濃度，在F/M低比值下工作，這樣就可以使有機物盡可能地得到氧化降解，提高了反應(yīng)器的去除效率，這就是MBR的最初雛形。

　　進入20世紀(jì)70年代，有關(guān)MBR的研究進一步深入開展#1970年，Hardt等人使用完全混合生物反應(yīng)器與超濾膜組合工藝處理生活污水，獲得了98%的COD去除率和100%去除細菌的結(jié)果。1971年，Bemberis等人在污水處理廠進行了MBR試驗，取得了良好的試驗結(jié)果。1978年，Bhattacharyya等人將超濾膜用于處理城市污水，獲得了非飲用回用水。1978年，Grethlein利用厭氧消化池與膜分離進行了處理生活污水的研究，BOD和TN的去除率分別為90%和75%。

　　在這一時期，盡管各國學(xué)者對MBR工藝做了大量的研究工作，并獲得了一定的研究成果，但是由于當(dāng)時膜組件的種類很少，制膜工藝也不是十分成熟，膜的壽命通常很短，這就限制了MBR工藝長期穩(wěn)定的運行，從而也就限制了MBR技術(shù)在實際工程中的推廣應(yīng)用。

　　進入20世紀(jì)80年代以后，隨著材料科學(xué)的發(fā)展與制膜水平的提高，推動了膜生物反應(yīng)器技術(shù)的向前發(fā)展，MBR工藝也隨之得到迅速發(fā)展。日本研究者根據(jù)本國國土狹小!地價高的特點對MBR技術(shù)進行了大力開發(fā)和研究，并在MBR技術(shù)的研究和開發(fā)上走在了前列，使MBR技術(shù)開始走向?qū)嶋H應(yīng)用。

　　20世紀(jì)90年代以后，MBR技術(shù)得到了最為迅猛的發(fā)展，人們對MBR在生活污水處理!工業(yè)廢水處理!飲用水處理等方面的應(yīng)用都進行了研究，MBR已經(jīng)進入實際應(yīng)用階段，并得到了快速的推廣。

　　20世紀(jì)的最后幾年，人們圍繞著膜生物反應(yīng)器的關(guān)鍵問題進行了較多的研究，并取得了一些成果。有關(guān)膜生物反應(yīng)器的研究從實驗室小試!中試規(guī)模走向了生產(chǎn)性試驗，應(yīng)用MBR的中、小型污水處理廠也逐漸見諸報道。1998年初，歐洲第一座應(yīng)用一體式膜生物反應(yīng)器的生活污水處理廠在英國的Porlock建成運行，成為英國膜生物反應(yīng)器技術(shù)的里程碑。

　　本世紀(jì)初，人們對膜生物反應(yīng)器的研究方興未艾，使得該項技術(shù)正在逐漸趨于成熟。

2 MBR技術(shù)在國內(nèi)污水處理中的研究及應(yīng)用

　　我國對膜生物反應(yīng)器的研究雖然起步較晚，但發(fā)展速度很快。1991年，芩運華對膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用進行了綜述，介紹了MBR在日本的研究狀況，這是我國學(xué)者對膜生物反應(yīng)器做的較早的報道。隨后，江成璋等人進行了中空纖維超濾膜在生物技術(shù)中的應(yīng)用研究。1995年，樊耀波將MBR用于石油化工污水凈化的研究，研制出一套實驗室規(guī)模的好氧分離式MBR。

　　從1995年以來，我國對膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)的研究工作開始全面展開，多家科研院所進行了此方面的研究，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、天津大學(xué)、同濟大學(xué)等對膜生物反應(yīng)器的運行特性、膜通量的影響因素、膜污染的防止與清洗等方面做了大量細致的研究工作。2000年，顧平采用國產(chǎn)中空纖維膜對生活污水做了中試規(guī)模的MBR研究，結(jié)果表明：MBR工藝出水懸浮物為零，細菌總數(shù)優(yōu)于飲用水標(biāo)準(zhǔn)，COD和氨氮的去除率都高于95%，出水可直接回用。2001年，張立秋等對一體式MBR處理生活污水的主要設(shè)計參數(shù)HRT、SRT等進行了理論推導(dǎo)，為實際工程設(shè)計提供了參考，并對膜堵塞機理進行了深入研究探討，提出了膜內(nèi)部生物堵塞的存在。

　　雖然，我國在MBR技術(shù)的研究探討方面取得了顯著的成績，但是同日本、英國、美國等國家相比，我國的研究試驗水平還比較落后，由于國產(chǎn)膜組件的種類較少，膜質(zhì)量較差，壽命通常較短，因此在實際應(yīng)用中存在一定的問題。雖然在我國膜生物反應(yīng)器用于處理生活污水已有應(yīng)用，但到目前為止，設(shè)計完善、運行良好的應(yīng)用膜生物反應(yīng)器的生活污水處理廠還未見報道。

3 MBR工藝的分類

　　膜生物反應(yīng)器主要是由膜組件和生物反應(yīng)器兩部分組成#根據(jù)膜組件與生物反應(yīng)器的組合方式可將膜生物反應(yīng)器分為以下三種類型：分置式膜生物反應(yīng)器、一體式膜生物反應(yīng)器和復(fù)合式膜生物反應(yīng)器。

　　3.1 分置式膜生物反應(yīng)器

　　分置式膜生物反應(yīng)器是指膜組件與生物反應(yīng)器分開設(shè)置，相對獨立，膜組件與生物反應(yīng)器通過泵與管路相連接#分置式膜生物反應(yīng)器的工藝流程如圖1所示。

　　該工藝膜組件和生物反應(yīng)器各自分開，獨立運行，因而相互干擾較小，易于調(diào)節(jié)控制，而且，膜組件置于生物反應(yīng)器之外，更易于清洗更換#但其動力消耗較大，加壓泵提供較高的壓力，造成膜表面高速錯流，延緩膜污染，這是其動力費用大的原因，每噸出水的能耗為2~10kWh，約是傳統(tǒng)活性污泥法能耗的10~20倍，因此能耗較低的一體式膜生物反應(yīng)器的研究逐漸得到了人們的重視。
　　
　　3.2 一體式膜生物反應(yīng)器

　　一體式膜生物反應(yīng)器起源于日本，主要用于處理生活污水，近年來，歐洲一些國家也熱衷于它的研究和應(yīng)用#一體式膜生物反應(yīng)器是將膜組件直接安置在生物反應(yīng)器內(nèi)部，有時又稱為淹沒式膜生物反應(yīng)器(SMBR)，依靠重力或水泵抽吸產(chǎn)生的負壓或真空泵作為出水動力#一體式膜生物反應(yīng)器工藝流程如圖2所示。該工藝由于膜組件置于生物反應(yīng)器之中，減少了處理系統(tǒng)的占地面積，而且該工藝用抽吸泵或真空泵抽吸出水，動力消耗費用遠遠低于分置式膜生物反應(yīng)器，每噸出水的動力消耗約是分置式的1/10。如果采用重力出水，則可完全節(jié)省這部分費用。但由于膜組件浸沒在生物反應(yīng)器的混合液中，污染較快，而且清洗起來較為麻煩，需要將膜組件從反應(yīng)器中取出。

        3.3 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器

　　復(fù)合式膜生物反應(yīng)器也是將膜組件置于生物反應(yīng)器之中，通過重力或負壓出水，但生物反應(yīng)器

　　的型式不同#復(fù)合式MBR，是在生物反應(yīng)器中安裝填料，形成復(fù)合式處理系統(tǒng)，其工藝流程如圖3所示。

　　在復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中安裝填料的目的有兩個：一是提高處理系統(tǒng)的抗沖擊負荷，保證系統(tǒng)的處理效果;二是降低反應(yīng)器中懸浮性活性污泥濃度，減小膜污染的程度，保證較高的膜通量。

　　復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中，由于填料上附著生長著大量微生物，能夠保證系統(tǒng)具有較高的處理效果并有抵抗沖擊負荷的能力，同時又不會使反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥濃度過高，影響膜通量。

4 MBR工藝的特點

　　4.1 對污染物的去除效率高

　　MBR對懸浮固體(SS)濃度和濁度有著非常良好的去除效果。由于膜組件的膜孔徑非常小(0.01~1µm)，可將生物反應(yīng)器內(nèi)全部的懸浮物和污泥都截留下來，其固液分離效果要遠遠好于二沉池，MBR對SS的去除率在99%以上，甚至達到100%;濁度的去除率也在90%以上，出水濁度與自來水相近。

　　由于膜組件的高效截留作用，將全部的活性污泥都截留在反應(yīng)器內(nèi)，使得反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度可達到較高水平，最高可達40~50g/L。這樣，就大大降低了生物反應(yīng)器內(nèi)的污泥負荷，提高了MBR對有機物的去除效率，對生活污水COD的平均去除率在94%以上，BOD的平均去除率在96%以上。

　　同時，由于膜組件的分離作用，使得生物反應(yīng)器中的水力停留時間(HRT)和污泥停留時間(SRT)是完全分開的，這樣就可以使生長緩慢、世代時間較長的微生物(如硝化細菌)也能在反應(yīng)器中生存下來，保證了MBR除具有高效降解有機物的作用外，還具有良好的硝化作用。研究表明，MBR在處理生活污水時，對氨氮的去除率平均在98%以上，出水氨氮濃度低于1mg/L。

　　此外，選擇合適孔徑的膜組件后，MBR對細菌和病毒也有著較好的去除效果，這樣就可以省去傳統(tǒng)處理工藝中的消毒工藝，大大簡化了工藝流程。

　　另外，在DO濃度較低時，在菌膠團內(nèi)部存在缺氧或厭氧區(qū)，為反硝化創(chuàng)造了條件。僅采用好氧MBR工藝，雖然對TP的去除效率不高，但如果將其與厭氧進行組合，則可大大提高TP的去除率。研究表明，采用A/O復(fù)合式MBR工藝，對TP的去除率可達70%以上。

　　4.2 具有較大的靈活性和實用性

　　在城市污水或工業(yè)廢水處理中，傳統(tǒng)的處理工藝(格柵+沉砂池+初沉池+曝氣池+二沉池+消毒池)流程較長，占地面積大，而出水水質(zhì)又不能保證。而MBR工藝(篩網(wǎng)過濾+MBR)則因流程短、占地面積小!處理水量靈活等特點，而呈現(xiàn)出明顯優(yōu)勢#MBR的出水量根據(jù)實際情況，只需增減膜組件的片數(shù)就可完成產(chǎn)水量調(diào)整，非常簡單、方便。

　　對于傳統(tǒng)的活性污泥法工藝中出現(xiàn)的污泥膨脹現(xiàn)象，MBR由于不用二沉池進行固液分離，可以輕松解決。這樣，就大大減輕了管理操作的復(fù)雜程度，使優(yōu)質(zhì)!穩(wěn)定的出水成為可能。

　　同時，MBR工藝非常易于實現(xiàn)自動控制，提高了污水處理的自動化水平。

　　4.3 解決了剩余污泥處置難的問題

　　剩余污泥的處置問題，是污水處理廠運行好壞的關(guān)鍵問題之一#MBR工藝中，污泥負荷非常低，反應(yīng)器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)相對缺乏，微生物處在內(nèi)源呼吸區(qū)，污泥產(chǎn)率低，因而使得剩余污泥的產(chǎn)生量很少，SRT得到延長，排除的剩余污泥濃度大，可不用進行污泥濃縮，而直接進行脫水，這就大大節(jié)省了污泥處理的費用。有研究得出，在處理生活污水時，MBR最佳的排泥時間在35d左右。

　　由上述可知，MBR工藝所具有的優(yōu)越性，是目前其他處理工藝無法比擬的#該工藝在城市污水或生活污水處理!高濃度有機廢水、難降解有機廢水以及中水回用等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。

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