膜生物反应器在污水处理中的应用与发展前景

　　摘要： 膜生物反应器作为一种污水处理新技术，其研究和应用在我国受到广泛关注。本文综述了 膜生物反应器 的类型，概述了在我国 膜生物反应器处理 技术在工业污水处理等领域的发展进程，指出了未来 膜生物反应器处理 技术研究的挑战和工业应用发展的方向。

　　1 引  言

　　何谓膜生物反应器？污水处理中的膜生物反应器是指将膜分离技术中的超微滤组件与污水生物处理工程中的生物反应器相互结合而成的新的开发系统，英文称 Membrane bioreactor ，简称 MB 。这种膜生物反应器结合 膜处理技术和生物处理技术带来的优点，超微滤膜组件 作 为泥水分离单元完全可以取代二次沉淀池，微孔超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，重新回流至生物反应器内，使生物反应器内获得高生物浓度和延长有机固体停留时间，极大地提高了生物对有机物的氧化率；同时，膜 过 滤后出水质量高，可达三级出水标准；系统几乎不排剩余污泥 [1] 。因此，膜生物反应器是当今倍受国内外专家学者重视的一项开发性高新水处理技术。

　　2  膜生物反应器的类型

　　目前开发出来的膜生物反应器可分为固液分离膜生物反应器、萃取膜生物反应器和无泡曝气膜生物反应器等类。

　　2.1  固液分离式膜生物反应器

　　固液分离式膜生物反应器 [2] 采用超滤或微滤膜组件截留反应器中的生物固体 ,  通过维持高的生物量浓度（ MLLS 大于 10 g  / L ），使进水有机物实现降解。生物反应器可以是好氧系统，也可以是厌氧系统；膜组件可以放人生物反应器中，即一体式膜生物反应器 ； 也可以与生物反应器分开，即分 置 式膜生物反应器（见 下图 ）。

　　图：分离式 膜生物反应器 的两种类型

　　2.2  萃取膜生物反应器

　　因为高酸碱度或对生物有毒的物质存在，某些工业废水不宜采用与微生物直接接触的方法处理。当废水中含挥发性有毒物质时，若采用传统的好氧生物处理，在处理过程中，污染物容易随曝气气流挥发，造成大气污染。为了解决这些技术难题，英国学者  Livingston  研究开发了萃取式 MBR [3] 。在萃取 MBR 中，废水与活性污泥被膜隔开，废水在膜内流动，而含某种专性细菌的活性污泥在膜外流动，废水与微生物不直接接触，有机污染物可以选择性透过膜而被另一侧的微生物降解，工艺流程如下所示（见下 图 ）。

　　图： 萃取膜生物反应器结构示意

　　2.3  无泡曝气膜生物反应器

　　通常污水处理的曝气效果不是十分有效约有 90%  的氧气进人大气而没有被利用。虽然采用纯   氧曝气法提高了氧的传递效果，但仍有大量氧气没有被利用。针对这种状况，开发了无泡曝气膜生物反应器。无泡曝气 [4] 是采用透气性致密膜 ( 如硅橡胶膜 ) 或微孔膜（如疏水性聚合膜），在保持气体分压低于泡点的情况下实现向生物反应器的无泡曝气此膜生物反应器基本结构流程（ 见 下 图 ）。

　　图： 无泡曝气膜生物反应器

　　3  膜生物反应器在污水处理中的应用

　　目前膜生物反应器应用较多的是日本，英、美、法等国也逐渐开始使用。如：日本用其进行生活污水的处理，净化水作为中水回用；法国有人将其用于给水脱氮的处理；美国用 MBR 进行含油废水处理；英国用隔离式 MBR 进行有毒工业废水的处理等。下面就膜生物反应器的典型应用作如下说明。

　　3.1  在中水道污水回用的应用

　　中水道系统开发利用的主要目的是将厨房、洗脸及洗澡后排水作为主体的楼房排水进行处理，然后再用作便器的冲洗水。 1980 年前后，已有应用实例，如日本三井石化工业公司 [5] 建在东京某大楼的污水再生系统，日处理量为   200m 3 。该法采用的是好氧膜生物反应器，是分离膜生物反应器的典型应用。其主要技术参数为： MLSS 为 6000 ~ 10000mg /L,  滞留时间为  1.5~ 2h ， BOD 负荷为 0.79 ~  1.42kg  / ( m 3 d)  ，所采用的超滤膜孔径为 10nm ，切割相对分子质量为 20000 的聚丙烯腈平板膜组件。

　　3.2  在工业废水处理中的应用

　　工业废水中有机物浓度很高，有的还含有毒性物质。对该种废水现在普遍认为厌氧法处理经济上优于好氧法。但不同的厌氧工艺都要求保持较高的生物量，较长的泥龄，较短的水力停留时间。这使厌氧工艺的使用受到限制。将厌氧工艺和膜技术结合起来是一种理想的方法。厌氧处理能产生能量，污泥量较少， 而膜分离能使 时间较长的甲烷菌存活下来，从而保持较好的出水水质。这是一种相互补充、相互依赖又相互协同的处理工艺，厌氧消化降解有机物使膜不易堵塞，而膜会将生物截留下来。何义亮等采用完全混合的厌氧生物反应器和板框超滤膜组件构成的厌氧生物反应器对高浓度食品废水进行处理。结果表明，当 HRT （水力停留时间）超过 50h , GOD 负荷在 2 ~  3kg  /( m 3 d) 时，膜出水 COD 去除率可达 80% ~ 90% 。也有采用好氧生物反应器与膜技术结合来处理工业废水的。如 [6] 加拿大的安大略泽农环境有限公司采用好氧膜生物反应器处理合成的金属加工液体和含油基产物，既将游离态的浮化油除去，又使出水中的有机物大大降低。采用此工艺可以去除 99% 的油。

　　3.3  在粪便污水处理中的应用

　　粪便污水处理使用传统的反硝化法，要求 MLSS 浓度高，固液分离过程不稳定 , 影响了三级处理效果。用超滤过滤（ UF ）代替传统的方法就能很好地解决这一问题。这的处理厂一般由三部分组成：   接收单元、高效脱氮生物反器和深度处理单元（包括消毒）。该系统脱氮生物反应器设计运行参数与没有膜过滤器的高效生物反硝化池基本同。氮负荷 <= 0.04kg  /kg MLSS ， BOD<= 2.0 kg  / （ m 3. d ）， ML 为 15000mg /L ，设计渗水率为 1.0 ~ 1.5m  /d 。据日本 [7] 统计 , 种系统的建设费用和运行费用小于或等于传统的反硝化统，而所需的管理人员少 , 占地面积小 , 因而优于传统方法。

　　4  膜生物反应器的发展前景

　　4.1  膜生物反应器应用中存在的问题

　　总体而言， MBR 是水工业发展历程中的一项新技术。相对于传统活性污泥法和 SBR 等工艺而言，它的投资和运行费用较高 , 但 MBR 工艺能够减少占地面积，并提供优良的出水水质。特别是后续处理单元采用 RO 等工艺时，其出水水质有着更高的保障性，从而更能显示出 MBR 的优势。

　　优越的处理性能使 MBR 在工程应用中取得了相当大的成绩，但要在应用中进一步提高竞争力和扩大市场份额，仍面临着诸多挑战 , 主要体现在以下几方面 [8] ：

　　1 、提升膜材料和膜组件。进一步开发寿命长、强度好、抗污染、价格低的膜材料，对膜组件的研究应朝着处理能力大、能耗低的方向发展。

　　2 、膜污染及其控制策略。利用分子生物学、显微可视化方法等深入研究膜污染机理 , 探索更为有效、简便的方法以控制和减缓膜污染的发生与发展。

　　3 、 MBR 的经济性。与传统工艺相比， MBR 费用仍偏高，需进一步降低其能耗以增强 MBR 的竞争力，因此需加强对 MBR 经济性的研究（如能耗、清洗费用、劳动力成本等）。

　　4 、 MBR 处理规模和应用领域。扩大 MBR 的处理规模和应用领域，尤其是对高浓度污水和难降解废水的处理，解决 MBR 用于大规模工程项目中出现的新问题。

　　5 、膜组件的更换与标准化。除新建项目外，已有 MBR 污水处理项目中膜组件的更换，将进一步拉动 MBR 市场的发展。以每年的市场增长率为 10 %  （新建项目）、膜组件的平均使用寿命为 5 年计，膜组件的更换最终将占到每年膜销售量的 40 % 。为进一步降低膜的成本费用，提高 MBR 工艺的经济性和竞争力，有必要对 MBR 的膜组件进行标准化设计。

　　6 、交流平台的搭建。构建膜供应商、科研院所、工程公司和最终用户的交流平台，有助于问题的解决和 MBR 工艺的完善，也利于膜行业的健康发展。欧盟的“ MBR - Net work ”网络平台，国内的中国膜技术网  ( http  ： / /www. mem-china . cn  )  都在朝着该方面发展。

　　4.2  存在问题的解决措施

　　随着更为严格的污水排放标准和减少地下水使用量的要求，将污水处理后回用就显得更加重要；地表及地下水污染带来的饮用水安全问题也逐渐提上日程， MBR 工艺为此提供了可靠的技术支持和新思路。这些必将促进 MBR 的进一步发展：

　　1 、城市污水的再生回用。 MBR 在这方面已经有不少工程应用。随着处理规模的进一步扩大 , 大型 MBR 的设计、运行经验需要及时总结，应尽快建立 MBR 处理城市生活污水标准化设计准则；为了保证出水的安全性， MBR 对新型化学物质（ EDCs ,PPCP 等）的去除，及 MBR + RO （ NF ）生产高质量的回用水将会受到更多关注。

　　2 、工业废水的处理与回用。 MBR 在各种工业废水处理中将会得到更为广泛的应用。在工业废水处理中 , 应注意组合工艺的开发和应用，如 MBR+ 物化处理工艺、高效菌种 + MBR 工艺等。由于工业废水成分的复杂性，膜污染控制应予以特别重视。

　　3 、饮用水源水的净化。如微污染水源水净化、地下水脱氮处理等，都是今后值得研究的课题。

　　5  小结

　　综上所述，在水资源日益短缺的今天，膜生物反应器作为一种新型的废水处理技术，特别是在污水资源化的进程中，倍受国内外的普遍关注，必将在今后的水处理领域得到广泛的开发和利用。同时，也需要有更多的学者不断地研究和完善 MBR 的不足之处，使膜生物反应器在污水处理和回用过程中更好地发挥作用。

　　参考文献：

　　[1]  张   琳 .  新型污水处理装置 — 膜生物反应器 [J].  电子出版社 , 1994,1:8- 11.

　　[2]  夏明芳 ,  吴志超 ,  姜伟立 .  废水膜生物处理技术研究进展 [J].  污染防治技术 , 2002, 15 (2): 16- 20.

　　[3] LIVINGSTION A G. A new process technology for detoxifying chemical industry wastewaters[J]. Chemtech Biotechmol,1994, 60:117- 124.

　　[4]  黄   霞 .  膜生物反应器废水处理工艺的研究进展 [J].  环境科学研究 , 1998, 11(1): 40- 44.

　　[5]  黄   霞 ,  桂   萍 ,  范晓军等 .  膜生物反应器废水处理工艺的研究进展 [J].  环境科学研究 , 1998, 11 (1): 40- 41.

　　[6]  张全忠 ,  韩春梅 .  膜生物反应器的应用现状及存在的问题 [J].  环境科学与管理 , 2005, 30 (4):42- 46.

　　[7]  郑   祥 ,  朱小龙 ,  张绍园等 .  膜生物反应器在水处理中的研究及应用 [J].  环境污染治理技术与设备 , 2000,1 (5):12- 20.

　　[8]  陈福泰 ,  范正虹 ,  黄   霞 .  膜生物反应器在全球的市场现状与工程应用 [J]. 中国给水排水 .2008, 24 (8):14- 18.

　　[9]  黄   霞 ,  曹   斌 ,  文湘华等 .  膜生物反应器在我国的研究与应用新进展 [J].  环境科学学报 , 2008,3: 416- 432.