摘要：介紹了膜生物反應(yīng)器作為高效膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)活性污泥法的結(jié)合，其顯著特點日益受到世界各國的重視，正在被廣泛用于城市給水的凈化以及生活污水和工業(yè)廢水的處理。并介紹了膜生物反應(yīng)器的工藝特點及其運行的影響因素。

關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器；有機負荷；污泥濃度 

膜生物反應(yīng)器（MBR）是高效膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)活性污泥法的結(jié)合，幾乎能將所有的微生物截留在生物反應(yīng)器中，這使反應(yīng)器中的生物污泥濃度提高，理論上污泥泥齡可以無限長，使出水的有機污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，對難降解的工業(yè)廢水也非常有效。目前，膜工藝正在被廣泛用于城市給水的凈化以及生活污水和工業(yè)廢水的處理。

1、膜生物反應(yīng)器的工藝特點

膜生物反應(yīng)器工藝主要有以下特點[1]：（1）污染物去除效率高，不僅對懸浮物、有機物去除效率高，且可以去除細菌、病毒等，設(shè)備占地小；（2）膜分離可使微生物完全截留在生物反應(yīng)器內(nèi)，實現(xiàn)反應(yīng)器水力停留時間和污泥泥齡的完全分離，使運行控制更加靈活、穩(wěn)定；（3）生物反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度高，耐沖擊負荷；（4）有利于增殖緩慢的微生物，如硝化細菌的截留和生長，系統(tǒng)硝化效率得以提高，同時可提高難降解有機物的降解效率；（5）傳質(zhì)效率高，氧轉(zhuǎn)移效率高達26%－60%左右；（6）污泥產(chǎn)量低；（7）出水水質(zhì)好，出水可直接回用；（8）易于實現(xiàn)自動控制，操作管理方便。

2、膜生物反應(yīng)器運行的影響因素

膜生物反應(yīng)器由膜分離單元與生物處理單元組成，因此影響MBR穩(wěn)定運行的因素不僅包括常規(guī)生物動力學(xué)參數(shù)：有機負荷、污泥濃度、污泥負荷等，還包括膜分離的相關(guān)參數(shù)：膜的固有性質(zhì)（膜材料、膜孔徑、荷電性等）、濾液的性質(zhì)、操作方式、反應(yīng)器的水力條件等。其中生物動力學(xué)參數(shù)主要影響MBR的處理效果，膜分離參數(shù)主要影響MBR的處理能力。

2.1、影響MBR穩(wěn)定運行的生物動力學(xué)參數(shù)

2.1.1、有機負荷

研究表明：好氧MBR出水受容積負荷與水力停留時間（HRT）的影響較小，而厭氧MBR出水受容積負荷與HRT的影響較大[2]。吳志超[3]采用好氧MBR處理巴西基酸生產(chǎn)廢水發(fā)現(xiàn)：COD容積負荷分別為12 kg/（m3·d），24 kg/（m3·d），36 kg/（m3·d），48 kg/（m3·d）時，出水COD濃度變化不大；且HRT對出水水質(zhì)無明顯的影響。而何義亮[4]用厭氧MBR處理高濃度食品廢水卻發(fā)現(xiàn)：當COD容積負荷從2 kg/（m3·d）升高到45kg/（m3·d），COD去除率從90%下降至70%；且HRT對處理效果有重要影響。對這些研究的比較發(fā)現(xiàn)：在好氧MBR中，污泥濃度隨容積負荷的增加迅速升高，有機物去除速率加快，污泥負荷基本保持不變，從而抑制出水水質(zhì)的惡化；而在厭氧MBR中，污泥濃度升高緩慢，因此厭氧MBR出水水質(zhì)易受容積負荷的影響[2]。

2.1.2、污泥濃度

許多研究都表明污泥濃度與溶解性微生物產(chǎn)物是影響膜通量的重要參數(shù)。這些研究成果表明：一定條件下污泥濃度越高，膜通量愈低。顧平[5]在一體式MBR處理生活污水的研究卻發(fā)現(xiàn)：當曝氣強度足夠大時（氣水比近似100：1），MLSS由10g/L變化到35g/L時，MLSS與膜通量沒有明顯的相關(guān)性；但如果降低曝氣強度，MLSS對膜通量可能產(chǎn)生一定的影響。

污泥濃度對膜通量的影響程度與曝氣強度、膜面循環(huán)流速、水力學(xué)條件等密切相關(guān)。桂萍[6]應(yīng)用正交試驗的方法對一體式MBR中膜污染速度與污泥濃度、曝氣量和膜通量的關(guān)系進行考察，研究結(jié)果表明：不同污泥濃度均存在一個污泥在膜表面大量沉積的臨界膜通量，當膜通量小于臨界膜通量，膜污染主要由溶解性有機物在膜面的沉積引起；當膜通量大于臨界膜通量，膜污染主要由懸浮污泥在膜面的沉積引起；在污泥濃度較低時，曝氣強度對膜的污染影響不大，在中、高污泥濃度條件下，增加曝氣強度有利于減緩膜污染；臨界膜通量J與污泥濃度MLSS和曝氣強度Q-A有以下關(guān)系：Q-A/J =8.34e0.07MLSS。

2.1.3、微生物群落

微生物群落決定污泥特性。然而，目前有關(guān)好氧膜生物反應(yīng)器中的微生物群落及其生物動力學(xué)特性卻知之甚少。同常規(guī)活性污泥法相比，膜生物反應(yīng)器的污泥齡長且污泥負荷低。雖然在常規(guī)活性污泥法中較長的污泥齡有助于高一級微型動物（原生和后生動物）的產(chǎn)生，但現(xiàn)有的研究表明，當膜生物反應(yīng)器長時間不排泥時，污泥中很少或沒有原后生動物出現(xiàn)，遺憾的是至今并不清楚為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。因為膜生物反應(yīng)器中微生物群落的多樣性和復(fù)雜性，以及現(xiàn)有的常規(guī)研究方法和分析手段的局限，所以，非常有必要研究和開發(fā)新的方法和手段，以便全面揭示膜生物反應(yīng)器中的微生物群落及其生物動力學(xué)特性?，F(xiàn)代新型分析技術(shù)（如分子生物技術(shù)）為我們進一步了解膜生物反應(yīng)器中的微生物群落提供了可能[7]。例如，采用熒光原位雜交對膜生物反應(yīng)器中的污泥進行分析，結(jié)果表明：膜生物反應(yīng)器中微生物群落含有的細菌細胞遠少于常規(guī)活性污泥法，并且膜生物反應(yīng)器的低污泥產(chǎn)率來自于微生物的內(nèi)源呼吸而不是生物捕食。此外，結(jié)果也表明：MBR中的微生物群落和其多樣性不同于常規(guī)活性污泥法；MBR適宜于氨氧化菌的生長；MBR中的硝化菌通常為不同形狀（如卵形、圓形）的串狀，小顆粒污泥中的硝化菌含量高于其在大顆粒污泥的含量。

2.2、影響MBR穩(wěn)定運行的膜分離參數(shù)

由于膜通量的提高、膜壽命的延長會大幅度降低MBR的運行費用，因此，在保證出水水質(zhì)的前提下，膜通量應(yīng)盡可能大，這樣可減少膜的使用面積，降低基建費與運行費用。因此控制膜污染，保持較高的膜通量，是MBR研究的重要內(nèi)容。而膜通量與膜材料、操作方式、水力條件等因素密切相關(guān)[8]。

2.2.1、膜的選擇

現(xiàn)有膜可分為有機膜和無機膜兩種。由于較高的投資成本限制了無機膜生物反應(yīng)器在我國的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)MBR系統(tǒng)普遍采用有機膜。常用的膜材料為聚乙烯、聚丙烯等。分離式MBR通常采用超濾膜組件，截留分子量一般在2－30萬。截留分子量越大，初始膜通量越大，但長期運行膜通量未必越大。張洪宇[9]進行無機膜的通量衰減試驗表明：孔徑0.2μm的膜比0.8μm的膜更適合于MBR。何義亮[10]用PES（磺化聚醚砜）平板膜組件進行膜通量衰減規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)：在該試驗條件下，膜初始通量衰減主要是由于濃差極化引起，膜截留分子量愈小，通量衰減率愈大；膜長期運行的通量衰減主要是由于膜污染引起、膜截留分子量愈大，通量衰減幅度愈大，化學(xué)清洗恢復(fù)率愈低。

對于一體式MBR，既可用超濾膜，也可使用微濾膜。由于膜表面的凝膠層也起到了過濾作用，在處理生活污水時，微濾膜與超濾膜的出水水質(zhì)沒有明顯差別，因此一體式MBR多采用0.1—0.4μm微濾膜。

2.2.2、操作方式的優(yōu)化

當膜材料選定后，其物化性質(zhì)也就基本確定了，操作方式就成為影響膜污染的主要因素。為減緩膜污染，反沖洗是維持分置式MBR穩(wěn)定運行的重要操作，樊耀波[11]通過確定最佳反沖洗周期，使分置式MBR的膜通量達到60L/（m2·h）。針對一體式MBR，Yamamoto提出間歇式抽吸方式可有效減緩膜污染，桂萍[12]通過研究進一步指出：縮短抽吸時間或延長停吸時間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染、抽吸時間對膜阻力的上升影響最大，曝氣量其次。

不僅污泥濃度、混合液粘度等影響膜通量，混合液本身的過濾性能，如活性污泥性狀，生物相也影響膜通量的衰減。有研究表明：粉末活性炭與絮凝劑的加入有助于改善泥水分離性能，形成體積更大、粘性更小的污泥絮體，減少了膜堵塞的機會。但絮凝劑的過量加入會使污泥活性受到抑制，影響反應(yīng)器的處理能力和處理效果。

2.2.3、水力學(xué)特性的改善

改善膜面附近料液的流體力學(xué)條件，如提高流體的膜面流速，減少濃差極化，使被截留的溶質(zhì)及時被帶走，能有效降低膜的污染，保持較高的膜通量。黃霞[13]、何義亮分別采用PAN（聚丙烯腈）平板式超濾膜、PAN（聚丙烯腈）／PS（聚砜）管式膜組件考察不同膜面循環(huán)流速下污泥濃度對膜通量的影響，發(fā)現(xiàn)MLSS對膜通量的影響程度與膜面循環(huán)流速有關(guān)。大量試驗表明：污泥過膜流態(tài)為層流，遠比紊流時易于堵塞，因此從理論上確定不同污泥濃度下紊流發(fā)生的最小膜面流速Vmin有重要意義。邢傳紅[14]研究發(fā)現(xiàn)：最小膜面流速與污泥濃度之間呈良好的線性關(guān)系。但他們對臨界膜面流速的計算值可能偏高，因為污泥沿流道流動的過程中，水同時透過膜流出，增加了流體在垂直方向的紊動，從而在—定程度上降低了下臨界雷諾數(shù)（Rek）。何義亮的發(fā)現(xiàn)證實了這一推論，平板膜組件從紊流到層流的Rek為1083，外壓管式膜組件的Rek為966，均小于一般牛頓流體的下臨界雷諾數(shù)2000。

分置式MBR中，一般采用錯流過濾的方式，這有助于防止膜面沉積污染。對于一體式MBR，設(shè)計合理的流道結(jié)構(gòu)，提高膜間液體上升流速，使較大的曝氣量起到?jīng)_刷膜表面的錯流過濾效果顯得尤為重要。劉銳[15]通過均勻設(shè)計試驗，得到適合活性污泥流體的膜間液體上升模型，提出反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對液體上升流速的影響：在同樣的曝氣強度下，反應(yīng)器越高，上升流通道越窄，下降流通道與底部通道越寬，則越能獲得較大的膜間錯流流速。

3、結(jié)論

膜生物反應(yīng)器是一種新型廢水處理系統(tǒng)，具有許多突出的優(yōu)點，已引起世界各國的普遍關(guān)注。國外膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用范圍和規(guī)模不斷增加，其中絕大部分是好氧膜生物反應(yīng)器，并且一體式膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用數(shù)量略大于分置式膜生物反應(yīng)器。中小規(guī)模的污水處理廠可能采用膜生物反應(yīng)器更便宜，但大規(guī)模的污水處理廠宜采用常規(guī)工藝。然而，膜污染依然是影響其推廣應(yīng)用的主要障礙。膜污染的影響因素和控制對策很多，但值得注意的是采用空氣噴射方法在中空纖維膜內(nèi)形成活塞流，從而可有效減輕膜污染和提高膜通量。

今后的研究主要應(yīng)集中在以下兩方面：

（1）開發(fā)低成本、高性能的耐污染膜。解決膜的成本高、壽命短、易受污染問題是影響膜生物反應(yīng)器能否推廣應(yīng)用的重要因素。現(xiàn)在，已研制出聚酰胺系列、聚丙酰胺系列等有機膜及耐高溫、耐高壓的無機膜。近來，人們開始著眼于仿生膜的制備研究。生物膜具有極好的傳遞性能、分離性能、選擇性能和生物兼容性。隨著膜科學(xué)的發(fā)展，低成本、高性能的耐污染膜必將出現(xiàn)。

（2）開發(fā)新型膜生物反應(yīng)器。膜生物反應(yīng)器的構(gòu)型有分置式和一體式，膜組件有板式、管式、卷式、中空纖維管式、毛細管式等，運行方式有間歇和連續(xù)式。根據(jù)不同的水質(zhì)及處理要求，用不同的膜及膜組件與各種好氧和厭氧生物廢水處理技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)處理能力更大、耐污染能力更強、運行更經(jīng)濟的新型膜生物反應(yīng)器，其應(yīng)用將會得到更廣泛的推廣。
 

參考文獻

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