膜生物反应器在环境工程中的应用与发展

膜生物反应器(MBR)是以酶、微生物或动、植物细胞为催化剂，进行化学反应或生物转化，同时凭借超滤分离膜不断地分离出反应产物并截留催化剂而进行反应的装置，是由传统活性污泥工艺与膜分离技术结合的一种新型工艺。它zui早使用于生物化工行业中的连续发酵工艺。自从美国的Smith于1969 年创造性地把MBR 引进废水处理行业以来，世界上出现

了各种各样的MBR 法用在城市生活污水和可生物处理的工业废水处理工艺中。膜生物反应器的研究和开发日益发展，为水处理技术开辟了一条新的思路，近十多年来，已经在水处理

中得到了较广泛的应用。

1、膜生物反应器(MBR)工艺简述

膜生物反应器工艺(MBR 工艺)是现代膜分离技术与生物技术有机结合的一种新型废水生物处理技术，是目前在高浓度有机污水处理、中水回用处理等领域zui有前途的污水生物处理技术之一。它利用膜分离装置将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质有效截留，替代二沉池，大大提高了生物反应器的处理效率。其典型工艺流程如图1 所示。

图 1 MBR 工艺流程图

MBR 工艺参考出水水质如表1 所示。

表1 MBR 工艺参考出水水质表

MBR 处理工艺与传统废水生物处理工艺相比有以下几个优点：

(1)MBR 工艺通过采用膜分离技术能截留污水中大部分的悬浮粒子和高分子有机物质，可使生物处理单元内的微生物量维持在较高浓度，使容积负荷大大提高，因此可以zui大限度

地将活性污泥截留在生物反应器内。传统活性污泥法的MLSSzui高在5g/L左右，而MBR系统的MLSSzui高可达到20g/L左右，从而可以带来比传统法更高的有机物去除率。

(2)强化生化处理效果，使处理出水水质清澈优良，达到生活杂用水质标准。

(3)传统法污泥浓度低，污泥产量高，剩余污泥的处置费用占到废水处理总成本的50%左右。MBR系统在低F/M条件下运行，污泥产率远低于传统法，从而使剩余污泥的处置费用大幅度降低，进而降低废水的整体处理成本。

(4)污泥停留时间的大幅度延长。可使硝化及亚硝化菌等世代时间较长的微生物有效地保留在生物反应器内。从而使MBR系统具有比传统法更好的脱氮除磷能力。

(5)膜分离的性使处理单元水力停留时间大大缩短，减少了生物反应器的占地面积。且因无需设置二次沉淀池，MBR系统的占地面积较之传统法大大缩小，在一些土地使用紧张的

地区建设可行性高。

2、膜生物反应器应用中存在的问题及研究进展

膜生物法是一个颇具发展前景的污水处理技术，但至今在我国没有被大规模运用，主要原因在于与传统法相比，膜污染一直是MBR系统中一个难以克服的问题。它使膜的阻力增加，透水率逐渐下降，造成膜组件的频繁更换，严重影响了MBR系统的处理效果，导致MBR系统运行及管理费用相对较高。

近年来，国内外学者为克服限制MBR应用的障碍对膜污染机理进行了大量的研究。经过研究认为生物细胞产生的胞外聚合物(EPS)对污泥粘滞度和膜过滤阻力有重要影响，并由此进行了动力学分析，计算出EPS的数量级，建立了膜污染的数学模型。通过研究各种不同的反应器对膜污染机理做了探讨。研究了污泥特性对膜污染的作用机理。当前，对膜污染问题已经形成了相对一致的看法，一般根据膜组件受污染的性质不同，将膜污染分为膜的污染和劣化两种。

2.1 膜生物反应器的膜污染问题

膜的污染是指由于在膜表面上形成了附着层或膜孔堵塞等外部因素导致了膜性能变化，由于膜表面形成了附着层而引起的膜污染被称之为浓差极化。

在液体膜分离过程中，由于到达膜表面的溶质受到膜的截留而不断积累，使得膜表面溶质浓度逐步高于料液主体溶质浓度。由于膜表面溶质浓度与料液主体溶质浓度之差产生了从膜

表面向料液主体的溶质扩散传递。当溶质的这种扩散传递通量与随着透过膜的溶剂(水)到达膜表面的溶质主体流动通量*相等时，上述过程达到不随时间而变化的定常状态。当溶质是水溶性的大分子时，由于其扩散系数很小造成从膜表面向料液主体的扩散通量很小，因此膜表面的溶质浓度显著增高形成不可流动的凝胶层。当溶质是难溶性物质时，膜表面的溶质浓度迅速增高并超过其溶解度从而在膜表面上产生结垢层。此外，膜表面的附着层可能是水溶性高分子的吸附层和料液中悬浮物在膜表面上堆积起来的滤饼层。

造成膜污染的另一个重要原因是膜孔堵塞。悬浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空间位阻，水溶性大分子在膜孔中的表面吸附、以及难溶性物质在膜孔中的析出都可能产生膜孔堵塞。

根据造成膜污染的发生原因可采用相应对策使膜性能得以恢复，一般通过改善膜面附近料液侧的流体力学条件或开发新型膜清洗技术等方法。膜的清洗主要分为物理清洗、化学清洗和生物清洗三种方法。物理清洗是利用高流速的水或空气和水的混合流体冲洗膜表面。化学清洗是在水流中加入某种合适的化学药剂，连续循环清洗。物理和化学清洗是目前应用得较多的清洗手段，国内也做了大量的研究工作。付婉霞等人通过对膜生物反应器处理盥洗废水时，水力清洗、酸洗、碱洗等不同组合形式对膜的清洗效果进行研究，认为水力清洗可以较*地去除运行初期的膜表面沉积物，但随运行时间的延长，水力清洗的效果变差，膜通量恢复率降低。酸洗和碱洗的顺序应依据处理废水的性质做相应调整。研究认为清洗时采用高膜面流速、低操作压力和限制透过液对流传递作用有利于错流膜生物反应器通量的恢复。发现气体喷射技术是控制浸没式膜生物反应器膜污染的一种较好的方法,也对化学清洗进行了研究。生物清洗是借助微生物、酶等生物活性剂的生物活动去除膜表面及膜内部的污染物。生物清洗目前在我国还鲜有应用，仍然处于研发阶段，在国外该项技术相对成熟。除了上述几种传统方法外，近年来文献上也相继报道了部分新颖的膜清洗方法，如超声波清洗法、脉冲电场膜清洗法等。

2.2 膜生物反应器的膜劣化问题

膜的劣化是指膜自身发生了不可逆转的变化等内部因素导致了膜性能变化。导致膜的劣化的原因可分为化学、物理及生物等三个方面。化学性劣化是指由于膜材质的水解或氧化反应

等化学因素造成的劣化，而物理性劣化则是指膜结构在很高的压力下导致膜结构的致密化或因其置于干燥状态下发生不可逆转性变形等物理因素造成的劣化。生物性劣化通常是由于处理料液中的微生物的存在导致膜材料发生生物降解反应等生物因素造成的劣化。

膜材料及其制备是膜过程的技术核心，膜材料的化学性质和结构不仅对膜分离的性质起决定性的影响，并且不同的膜材料可以有不同的耐污染性能，通过对抗劣化材料的研发对改善

膜的劣化问题有着重要意义。膜的性质对膜污染的影响，认为膜的性质，包括膜材质、膜孔径大小、孔隙率、亲/疏水性、电荷性质和粗糙度等对膜劣化有重要影响。这样，我们认为通过人工合成新的膜材料或对现有材料进行改性，并在此基础上研究成膜规律，就为防治或减轻膜劣化提供了可能，事实上，通过这种方法已经取得了一定的进展。通过对聚丙烯进行接枝聚合改性减少了膜污染，通过两种聚合物共混的方法研制了抗污染的超滤中空纤维膜。除了在抗污染方面对膜分离材料进行开发以外，针对当前膜材料普遍水通量低、价格昂贵等缺陷，国内外诸多研究人员在此投入了大量的精力，已经研制成功了数百种适合各种用途的分离膜材料，取得了重要进展。

显而易见，膜的劣化与膜材料和料液性质密切相关，通过新型耐污染膜材料的研发对解决膜劣化问题将起到决定性的作用。

3、结语

膜生物反应器具有-定的特色，已经在国内外得到了逐步推广使用。目前膜材料的价格偏高，需要频繁更换，导致一次性投资较大，且运行费用也较高，限制了其在废水处理中的推广。从以上论述我们可以看到，目前解决的主要方法是防止膜劣化和对膜污染进行后处理。因为膜污染是一个不可逆的过程，所以后处理过程只能是作为膜污染后的修补手段，况且清洗设备需要不定期的停产，也导致成本增加、膜寿命减少；而前一种方法，研制、开发具有更好耐污染性的膜则是解决膜污染问题的根本途径。