[摘要]綜合論述了膜生物反應(yīng)器的分類、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，介紹了近年來各國(guó)學(xué)者應(yīng)用膜生物反應(yīng)器去除廢水中有機(jī)物、氮、磷等污染物所取得的研究成果、面臨的問題以及膜生物系統(tǒng)在實(shí)際廢水處理中的應(yīng)用。簡(jiǎn)要闡述了膜污染的成因、機(jī)理及其對(duì)策，并指出了現(xiàn)階段限制膜生物技術(shù)在我國(guó)發(fā)展的原因，展望了未來膜生物技術(shù)在我國(guó)廣闊的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]膜生物反應(yīng)器;廢水處理;活性污泥;膜污染

20世紀(jì)60年代，美國(guó)學(xué)者最先將活性污泥工藝與膜分離技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用于廢水處理中有機(jī)污染物的去除，膜生物反應(yīng)器(membranebioreactor,MBR)}’}能夠有效地延長(zhǎng)污泥固體停留時(shí)間，增加污泥濃度，隨即引起了水處理領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。現(xiàn)在，全世界已經(jīng)有超過1000,個(gè)MBR在運(yùn)行中，并且還有很多正在興建當(dāng)中。其中大部分在日本，其余的分散在北美及歐洲。98%以上的MBR系統(tǒng)為好氧系統(tǒng)，大約55%的MBR為一體式，而其余為分置式MBR系統(tǒng)。筆者擬通過對(duì)MBR的結(jié)構(gòu)、功能以及近年來研究成果及存在問題的論述，為MBR在我國(guó)的廣泛應(yīng)用拋磚引玉。

1 MBR分類、結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

根據(jù)膜組件在MBR中的作用可將MBR反應(yīng)器分為三種類型:分離MBR、無泡曝氣MBR和萃取MBR，其中又以分離MBR的應(yīng)用最廣〔3J。在分離MBR中，根據(jù)膜組件的設(shè)置位置，又可分為分置式和一體式兩類。分置式MBR的膜組件設(shè)置在生物反應(yīng)器外，兩者通過回流泵及管線相連;一體式MBR的膜組件設(shè)置在生物反應(yīng)器內(nèi)。分置式MBR有利于膜的清洗與更換，但回流泵的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)影響微生物的活性;一體式MBR占地省，造價(jià)及運(yùn)行成本低，膜污染緩慢，但膜的化學(xué)清洗困難,概括起來，MBR系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的活性污泥系統(tǒng)有以下五個(gè)特點(diǎn):

(1)膜組件能夠有效的分離懸浮固體，因此可以最大限度地將活性污泥截留在生物反應(yīng)器內(nèi)。傳統(tǒng)活性污泥法的MLSS最高在5g/L左右，而MBR系統(tǒng)的MLSS最高可達(dá)到20g/L左右，從而可以帶來比傳統(tǒng)法更高的有機(jī)物去除率。

(2)傳統(tǒng)法污泥濃度低，污泥產(chǎn)量高，剩余污泥的處置費(fèi)用占到廢水處理總成本的50%左右(S)oMBR系統(tǒng)在低F/M條件下運(yùn)行，污泥產(chǎn)率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)法，從而使剩余污泥的處置費(fèi)用大幅度降低，進(jìn)而降低廢水的整體處理成本。

(3)污泥停留時(shí)間的大幅度延長(zhǎng)，可使硝化及亞硝化菌等世代時(shí)間較長(zhǎng)的微生物有效的保留在生物反應(yīng)器內(nèi)，從而使MBR系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)法更好的脫氮除磷的能力。

(4)由于膜生物反應(yīng)器所需體積減小且無需設(shè)置二次沉淀池，MBR系統(tǒng)的占地面積較之傳統(tǒng)法大大縮小，在一些土地使用緊張的地區(qū)較之傳統(tǒng)法建設(shè)可行性高。

(5)與傳統(tǒng)法比較，膜污染一直是MBR系統(tǒng)中一個(gè)難以克服的問題。它使膜的阻力增加，透水率逐漸下降，嚴(yán)重影響了MBR系統(tǒng)的處理效果，成為了限制MBR系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要障礙。

2 MBR系統(tǒng)在水處理中的應(yīng)用及研究成果

2.1 MBR系統(tǒng)對(duì)污染物的去除能力及控制條件

各國(guó)學(xué)者對(duì)MBR系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，MBR系統(tǒng)對(duì)廢水中的有機(jī)物、氮、磷等污染物都有良好的去除能力。D.D.Sun等使用一套浸沒式的管狀陶瓷膜生物反應(yīng)器處理COD為2400mg/L的高濃度有機(jī)廢水，在溫度為25’:C,SRT為200d,HRT為1d，氧利用速率(SOUR，以MLVSS計(jì))維持在100一200m歲(g-h)時(shí)，出水COD為40mg/L,COD去除率達(dá)到98.33%;當(dāng)HRT分別延長(zhǎng)到3d和6d，而SOUR降低到20-30mg/(g"h)時(shí)，此時(shí)生物凈化過程已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞，但出水COD分別為175m歲L和150m歲L,COD去除率仍然高達(dá)92.71%和93.75%。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物凈化過程受到破壞時(shí)，管狀陶瓷膜組件的過濾作用是維持高的COD去除率的重要原因。E.J.Hwang和D.D.Sun等研究了不同的污泥濃度和曝氣強(qiáng)度下MBR過濾系統(tǒng)的最佳操作條件。在50kPa的壓力下，污泥質(zhì)量濃度為1400mg/L時(shí)，MBR系統(tǒng)的濾速為30L/(m2"h);當(dāng)污泥質(zhì)量濃度升高到2800mg/L和5600m酬L時(shí)，系統(tǒng)濾速分別下降到18L/(MZ.h)和10L/(m2-h)，可見要想獲得高濾速，則必須降低污泥濃度。在壓力為50kPa，污泥質(zhì)量濃度為5600mg/L的條件下，將曝氣強(qiáng)度從2L/min提高到4L/min，濾速?gòu)?0L/(m2.h)提高到了13L/(m2"h)，顯然高的曝氣強(qiáng)度有利于濾速的提高。研究還發(fā)現(xiàn)，在高的污泥濃度下，當(dāng)壓力達(dá)到80kPa時(shí)，濾速達(dá)到臨界值，此時(shí)提高壓力濾速基本不變化;而在低的污泥濃度下，隨著壓力的提高，濾速則可以突破臨界值。由此也可以看出，如果為了防止膜的污染而需要將濾速控制在臨界值以下，僅僅依靠降低曝氣強(qiáng)度是不夠的，還必須提高污泥的濃度。

K.Kubin等研究了多段硝化MBR系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物，特別是氮的去除規(guī)律。工藝流程如圖1所示。

在進(jìn)水NH,‘一N質(zhì)量濃度平均為44.1mg/L時(shí)，出水的NH,+一N質(zhì)量濃度在0.01mg/L左右，幾乎不能被檢出。研究發(fā)現(xiàn)，多段硝化的MBR系統(tǒng)氮的去除率略要好于一段硝化，而有內(nèi)回流的MBR系統(tǒng)出水的NH,+一N質(zhì)量濃度在0.07mg/L左右，去除率要低于沒有內(nèi)回流的MBR系統(tǒng)德國(guó)的C.Adam等研究了同時(shí)具有脫氮除磷能力的MBR系統(tǒng)對(duì)廢水中氮、磷及有機(jī)物的去除規(guī)律，工藝流程如圖2所示。運(yùn)行穩(wěn)定后的各項(xiàng)參數(shù)如下:

污泥齡為15d;回流比R，為100%,R:為400%;容積負(fù)荷為1.30k歲(m3-d);有機(jī)負(fù)荷為0.22k歲(kg"d);污泥產(chǎn)量為0.09kg/d。研究人員將該工藝與傳統(tǒng)的活性污泥工藝作了對(duì)比:在進(jìn)水COD,NH,+-N,P分別為998mg/L,41mg/L,10.5mg/L時(shí)，活性污泥法出水相應(yīng)指標(biāo)為56mg/L,2mg/L,0.22mg/L;而MBR系統(tǒng)出水相應(yīng)指標(biāo)為36mg/L,0.49mg/L,0.1mg/L，大大優(yōu)于傳統(tǒng)法。

Z.Ujang等研究了兩段式間歇曝氣MBR系統(tǒng)在不同的曝氣頻率下對(duì)有機(jī)物及氮、磷的去除效果。實(shí)驗(yàn)采用日本Yuasa集團(tuán)生產(chǎn)的聚烯烴膜材料，孔徑為0.2[Lm，運(yùn)行穩(wěn)定后，HRT為24h，污泥齡為25d，污泥質(zhì)量濃度為2500-3800mg/L，內(nèi)回流比為100%。實(shí)驗(yàn)通過間歇曝氣在兩段反應(yīng)器內(nèi)形成好氧一厭氧環(huán)境的循環(huán)交替，并在第二段反應(yīng)器內(nèi)放置膜組件進(jìn)行分離，從而實(shí)現(xiàn)COD,氮、磷的同時(shí)去除。實(shí)驗(yàn)分別在三個(gè)不同的曝氣周期下對(duì)比MBR系統(tǒng)對(duì)污染物的去除能力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1

由表1可見，不同的曝氣周期對(duì)COD和氮的去除率基本無影響，而在第二段反應(yīng)器中保持較長(zhǎng)時(shí)間的厭氧狀態(tài)則對(duì)磷的去除可以起到一定的積極作用nl}0

2.2MBR系統(tǒng)在處理實(shí)際廢水中的應(yīng)用

多年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者成功的使用MBR系統(tǒng)處理了很多實(shí)際廢水。沈樹寶等使用仿生膜生物反應(yīng)器處理高濃度有機(jī)農(nóng)藥廢水，當(dāng)進(jìn)水COD。為650mgL時(shí)，出水COD,為100mgL，達(dá)到了國(guó)家污水綜合排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-1988),CODS去除率為80%以上，出水濁度小于10度，CN一小于0.5mg/L。仿生膜穩(wěn)定膜通量為115.2L/(m2-h)，高于一般無機(jī)膜的膜通量，且不需清洗，運(yùn)行費(fèi)用低。馮久鴻采用MBR一BAF工藝處理采油污水，采油污水中污染物質(zhì)、油、BODS,氨氮去除率能夠達(dá)到約90%;膜生物反應(yīng)器中COD容積負(fù)荷達(dá)到1.97kg/(m3-d)時(shí)，MBR一BAF系統(tǒng)COD平均去除率仍保持在70%以上。孫振龍等用一體式平片膜生物反應(yīng)器處理抗生素廢水，膜的截留作用使反應(yīng)器活性污泥的質(zhì)量濃度達(dá)15g/L,CODS去除率達(dá)到86%。

JaN.P.Dan等用酵母菌膜生物反應(yīng)器處理高鹽度廢水，在NaCl質(zhì)量濃度為32g/L的高鹽度條件下，系統(tǒng)對(duì)COD為5000m酬L的高濃度廢水中COD,BOD的去除率分別達(dá)到了76%和85%(151。荷蘭從2000年1月開始，在Beverwijk污水處理廠將MBR技術(shù)大規(guī)模運(yùn)用于城市污水處理的研究，第一階段截止到2001年12月，處理水量為10m’/h;第二階段截止到2003年12月，處理水量為750m3/h;目前第二階段的研究工作已經(jīng)成功完成，預(yù)期在2006年1月之前能夠?qū)⑻幚砟芰?500-10000m3/h的大規(guī)模MBR城市污水處理廠投人運(yùn)行[(2)0

3膜污染及其對(duì)策

3.1膜污染成因

膜污染一般是指污水中的污染物(包括微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子)與膜表面存在物理化學(xué)或機(jī)械作用而引起的膜面上的沉淀與積累，以及膜孔內(nèi)吸附造成的孔徑變小或堵塞，使膜的透水阻力增加，妨礙了膜表面上的溶解與擴(kuò)散，從而導(dǎo)致膜通量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象，廣義的膜污染還包括由于濃差極化導(dǎo)致凝膠層形成的可逆變化現(xiàn)象〔16)0至今，膜污染的機(jī)理仍在進(jìn)一步的研究中。剪切力導(dǎo)致污泥顆粒破碎(如污泥顆粒大小從95一200mm變?yōu)?一10mm)，同時(shí)也刺激了胞外物(Extra-cellularpolymericsubstance,EPS)的釋放，這導(dǎo)致了水力阻力的增加，因此，污泥混合懸浮液中的膠體和可溶性物質(zhì)是膜生物反應(yīng)器膜污染的主要影響因素。但與上述結(jié)論相反，L.Defrance等認(rèn)為懸浮物、膠體和可溶性物質(zhì)占膜污染的比例分別是65%,30%和5%，也就是說，懸浮物和膠體是膜污染的主要影響因素〔")oT.Carroll和N.A.Booker認(rèn)為中空纖維膜污染機(jī)理和速率與中空纖維膜絲的長(zhǎng)度和直徑有關(guān)，如膜絲的軸向特征在膜污染的初始階段是關(guān)鍵影響因素，因此，他們調(diào)查了中空纖維膜絲長(zhǎng)度對(duì)膜污染的影響，并建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型[(IS)0

3.2膜污染控制對(duì)策

對(duì)膜污染的控制方法總的來說可分為污染前防治及污染后處理兩大類，具體如下。

(1)選擇熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、耐污染性能、產(chǎn)水性能均好且使用壽命長(zhǎng)、孔徑適度(一般比要分離的污染物小一個(gè)數(shù)量級(jí))的膜材料，另外還需考慮膜造價(jià)等經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)來確定。膜組件安裝時(shí)應(yīng)合理確定膜組件和曝氣池墻體之間的距離、膜組件和空氣擴(kuò)散管之間的距離以及膜組件和反應(yīng)器液面、空氣擴(kuò)散器和曝氣池底之間的距離，以保證在一定曝氣量下獲得較高的液體上升速率，減少污泥層在膜表面的沉積，減緩膜污染。

(2)通過投加活性炭等方法來改善MLSS的可濾性，控制反應(yīng)器中MLSS的濃度在適當(dāng)水平，即可獲產(chǎn)得高的生物量，又可改善過濾效果，防治膜污染。

(3)操作條件方面，保持低水通量過濾，合理的間歇操作模式及曝氣強(qiáng)度〔一般氣水比為(40:1)-(100:1)]，可使膜污染速率降低，膜表面沉積污泥脫落速度加快，膜表面的紊動(dòng)度增加，從而防止膜污染，延長(zhǎng)清洗周期。

(4)膜清洗是對(duì)污染后膜處理的常規(guī)方法，通常包括:空氣反吹沖洗、水反沖洗、空曝氣清洗、化學(xué)清洗以及近年來研究較多的超聲波清洗。清洗需定期進(jìn)行，為了操作方便應(yīng)盡量采用在線清洗的方式，水反沖、空氣反沖或超聲波清洗等均應(yīng)采用自動(dòng)控制方式;必要時(shí)還可進(jìn)行化學(xué)清洗，此時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的污染物類型選用合適的清洗劑;因化學(xué)清洗要停止運(yùn)行，而且比較繁瑣，所以應(yīng)盡量減少化學(xué)清洗的次數(shù)。

4結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是一個(gè)貧水國(guó)家，但同時(shí)也是全球最大的發(fā)展中國(guó)家，一項(xiàng)技術(shù)能否在我國(guó)廣泛運(yùn)用，其經(jīng)濟(jì)可行性是必須考慮的一個(gè)因素。膜生物法作為一個(gè)頗具發(fā)展前景的污水處理技術(shù)，在我國(guó)至今沒有被大規(guī)模運(yùn)用的主要原因就在于與傳統(tǒng)法相比，其經(jīng)濟(jì)可行性低，運(yùn)行及管理費(fèi)用高，同時(shí)這也是限制許多水處理新技術(shù)推廣應(yīng)用的一個(gè)主要障礙。若想克服這一障礙，一方面要依賴我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，另一方面，要積極開發(fā)新的高效廉價(jià)的膜材料。實(shí)際應(yīng)用的膜材料分為有機(jī)和無機(jī)兩大類，有機(jī)膜易污染、堵塞，只能在低溫、低壓下操作。20世紀(jì)90年代研制出的耐高溫、耐高壓、孔徑易控制的無機(jī)膜已得到廣泛重視，發(fā)展迅猛。近年來的研究表明，仿生膜能很好地解決傳統(tǒng)膜許多難以克服的缺點(diǎn)，如果能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，必將大大促進(jìn)MBR的廣泛應(yīng)用。環(huán)境工程作為一門邊緣學(xué)科，必須要有微生物、化學(xué)、材料等相關(guān)學(xué)科的支持才能獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。而在我國(guó)，學(xué)科之間的合作還開展得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如能廣泛開展與相關(guān)學(xué)科的合作，研制出大量新的高效廉價(jià)的膜材料，則可為MBR系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用掃清一個(gè)主要障礙。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看來，水危機(jī)在未來必將成為限制我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)制約因素，隨著廢水資源化的迫切需求及排放水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，MBR系統(tǒng)占地小、耐沖擊負(fù)荷人出水水質(zhì)好且穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)將逐漸體現(xiàn)出來，相信其在我國(guó)大規(guī)模應(yīng)用的日子將不再遙遠(yuǎn)。

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