膜生物反应器处理废水技术研究

目前，传统的活性污泥工艺( Conventional ActivatedSludge，CAS) 广泛地应用于各种污水处理中，但采用重力式沉淀方式作为固－ 液分离手段带来了很多方面的问题，如固－ 液分离效率不高、处理装置容积负荷低、占地面积大、出水水质不稳定、传氧效率低、能耗高以及剩余污泥产量大等。因此，传统生物处理工艺处理后的水难以满足越来越严格的污水排放标准，同时，经济的发展所带来的水资源的日益短缺也迫切要求开发合适的污水资源化技术，以缓解水资源的供需矛盾。
在上述背景下，一种新型的水处理技术——膜生物反应器( Membrane Bioreactor，MBR) 应运而生，膜生物反应器处理污水具有出水水质优异，操作运行简单，污泥产率低，占地面积小等特点。
随着膜分离技术和产品的不断开发，MBR 也更具有实用价值，近年来许多国家都投入了大量资金用于开发此项技术。
1、膜生物反应器及其废水处理特点
1．1膜生物反应器特点
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，同时凭借生物膜不断的分离出反应产物并截留催化剂而进行连续反应的装置。
MBR 有各种不同的类型，根据膜组件在MBR 中的作用，可将MBR 分为分离MBR、无泡曝气MBR 和萃取MBR 3 种。而分离MBR 根据膜组件与生物反应器的相互位置又分为分置式MBR( 见图1) 和一体式MBR( 见图2) 。分置式MBR 的膜组件与生物反应器通过泵与管线连接。特点是: 相互干扰小，易于分别控制，膜组件也易于清洗、更换及增设。但混合液靠泵抽取进入膜组件，泵的高速旋转会使某些微生物失活，另外也加大了动力消耗，其处理单位体积水的能耗是传统活性污泥法的10～20 倍，运行费用增加。一体式MBR 的膜组件浸没在生物反应器中，曝气器在膜组件的下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生的剪切力可迫使胶体颗粒离开膜表面，让水透过。一体式MBR 的能耗小，工作压力小，特别是管线少、体积小的特点使其易于在原有处理设施基础上实现技术改造，减少改造成本和占地面积。

1． 2 膜生物反应器( MBR) 废水处理特点
膜生物反应器( MBR) 工艺是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术。它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质截留住，省掉二沉池。活性污泥浓度因此大大提高，水力停留时间( HRT) 和污泥停留时间( SRT) 可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应、降解。因此，膜生物反应器( MBR)工艺通过膜分离技术大大强化了生物反应器的功能。
在MBR 工艺中有机污染物的zui终去除仍是微生物细胞的新陈代谢作用，只是膜的固液分离强化了这种生物处理作用，与常规的活性污泥法相比较，克服了常规法不可避免的弊病，具有诸多优点: 出水水质好、系统流程简单、设备少、占地面积小、控制灵活稳定、泥龄长污泥产量低、易于实现自动控制、操作管理方便、节省运行成本。与传统的生物处理方法相比，是目前zui有前途的废水处理新技术之一。
2、影响MBR 工艺运行的主要因素
2．1有机负荷对MBR 运行的影响
研究表明，好氧MBR 出水受容积负荷与水力停留时间( HRT) 的影响较小，而厌氧MBR 出水受冲击负荷与HRT 的影响较大。另外，在好氧MBR 中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化; 而在厌氧MBR 中，污泥浓度升高缓慢，因此厌氧MBR 出水水质易受容积负荷的影响。
另有一些研究成果表明，不同污泥浓度均存在污泥在膜表面大量沉积的临界膜通量，当膜通量小于临界膜通量，膜污染主要由溶解性有机物在膜面的沉积引起; 当膜通量大于临界膜通量，膜污染主要由悬浮污泥在膜面的沉积引起; 在污泥浓度较低时，曝气强度对膜的污染影响不大，在中高污泥浓度条件下，增加曝气强度有利于减缓膜污染。
2．2膜的固有性质对MBR 运行的影响
膜的固有性质包括亲水性程度、膜表面的粗糙程度和膜孔径大小等。憎水性膜对蛋白质的吸附小于亲水性膜，因此能获得较高的膜通透量。但在浓差极化效果强烈时，这种作用不明显。易受蛋白质污染的膜有聚砜等，而憎水性强的聚烯烃膜等受到的污染程度较轻。另外，与膜表面有相同电荷的料液能改善膜表面的污染，提高膜通透量。膜孔径的大小也会影响膜通透量的变化，当截留物相对分子质量小于300000时，随膜孔径的增加，膜通量增加，大于300000时，膜通量随孔径变化不大; 膜孔径增加至微滤范围时，膜通量反而减少，这是因为细菌在膜孔内滋生造成不可逆的堵塞所至。膜表面粗糙度增加使膜表面吸附污染物的可能性增加，同时使膜表面的搅动程度增加，阻碍污染物在膜表面的吸附，因而膜表面的粗糙度对膜通量的影响是两方面作用的综合表现。
2．3膜污染对MBR 运行的影响
膜生物反应器运行中存在的主要问题是膜污染。在膜操作过程中，膜的渗透能量会逐渐降低，其主要原因就是膜污染。根据纯化学和应用化学协会( IUPAC， International Union of Pure andApplied Chemistry) 的定义，由于悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔隙和孔隙内壁，从而造成膜通量降低的过程称为膜污染。
膜污染可分为3种类型: 可逆性膜面污染，主要是水透过后被截留下来的部分活性污泥和胶体物质，在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面而形成的凝胶层，即滤饼; 不可逆污染，是由溶解性物质被膜内微孔表面吸附或结晶，堵塞孔道，使膜通量减少的一种膜污染; 生物污染，由于在膜面和膜孔中有微生物所需的营养物质，因而大量的微生物就会不可避免地在其中滋生，从而造成膜通量减小。生物污染可分为两个阶段，*阶段是微生物( 包括各种细菌和微生物)通过向膜面的传递( 可以通过扩散、重力沉降、主体对流) 而能动地积累在膜面上形成生物膜( Biofilm); 当生物膜积累到一定程度引起膜通量的明显下降时便是第二阶段———生物污染( Biofouling) 。
膜污染是影响膜生物反应器推广应用的主要因素。膜污染导致膜通量下降，增加膜组件更换和膜清洗的频率，从而增加膜生物反应器的运行费用。
3、膜生物反应器在污水处理中的应用现状
3．1污水回用方面的应用
随着现代工业的迅速发展，城市规模的不断扩大，城市的用水量和废水量不断增加，造成城市水资源的日益不足，水质日益恶劣，为解决这个问题，世界上许多国家相继开展了许多污水资源化的研究。
膜生物反应器在污水回用中的应用早在20世纪80年代初日本就开始了这方面的研究。国外一些国家已经实施。目前在日本已有近100处的高楼采用了膜生物反应器工艺处理生活污水，并将处理出水回用于中水道系统。如日本北千住终点站大楼，其主要技术参数为: 混合液中的悬浮固体(MLSS) 为6000～10000 mg /L，水力停留时间为1．5～2．0h，5d生化需氧量(BOD5)负荷为0．79～1．42kg/(m3·d-1) 。所采用的超滤膜为孔径10nm、切割相对分子质量20000的聚丙烯腈平板膜。据报道该系统的出水已达到深度处理的标准，而且由于系统中的污泥已得到充分的消化，因此产泥量很小。该系统占地面积小，操作管理方便，使用情况良好。
3．2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。对该种废水处理普遍认为，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。将厌氧工艺与膜技术结合是一种理想的方法。厌氧处理能产生能量，污泥量较少，而膜分离能使存活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，而膜能将生物截留下来。何义亮等采用*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，化学需氧量(COD)负荷在2～3kg/(m3·d-1)时，膜出水COD去除率可达80%～90%。
3．3土地填埋场堆肥沥滤液处理
土地填埋场堆肥沥滤液含有高浓度的污染物，其水质和水量随气候条件与操作运行条件的变化而变化。MBR技术在1994年前就被多家污水处理厂用于该种污水的处理，通过MBR与逆渗透(RO)技术的结合，不仅能去除固体悬浮物(SS)、有机物和氮，而且能有效去除盐类和重金属，2000年美国Envirogen公司开发出一种MBR用于土地填埋场/堆肥沥滤液的处理，该种MBR使用一种天然混合菌分解沥滤液中的烃和氯代化合物，其处理污染物的浓度为常规废水处理装置的50～100倍，这是因为MBR能够保留细菌并使细菌浓度达到50000g /L。在现场测试中，进液COD值高至40000mg/L，污染物的去除率达90%以上。
4、膜生物反应器工艺在国内的应用展望
膜生物反应器具有传统生物反应器所*的许多优点，在城市污水、给水处理等方面有广泛的应用基础。但是由于膜生物反应器工艺的能耗高、膜易堵塞、难清洗等缺点使其在我国的推广应用受到限制。结合我国目前的经济发展水平和膜生物反应器工艺的特点，膜生物反应器在下列领域具有推广应用的潜力: 对污水处理水质要求高或出水需回用或用地紧张的地方，如高层建筑的中水回用、居住小区生活污水的处理与回用等;中小规模的高浓度有机工业污水的处理; 利用膜的分离效果，并结合菌种的选育与保持，也可用于处理含难降解有机物的污水。
膜生物反应器在推广应用中还存在许多问题，在未来的发展中还需要从研制、高强度、廉价的膜材料; 研究新型膜生物反应器; 膜污染的机理及防治和膜生物反应器经济性以及建立合理的设计方法和标准等重点研究方向解决存在的问题。
在水资源日益紧张的今天，随着膜技术的发展和日益成熟，膜生物反应器技术也必然会在我国成为一种实用技术而被广泛应用。如聚乙烯中空纤维膜、新型陶瓷膜的开发等已使其成本比以往有很大程度的降低。另外，各种新型膜生物反应器的开发也使其运行费用大大降低，如在低压下运行的抽吸式膜生物反应器、厌氧式膜生物反应器等与传统的好氧加压膜生物反应器相比，其运行费用大幅度下降，新技术的开发将大大促进膜生物反应器的发展与应用。