膜生物反應器在污水處理中的應用
近年來，隨著廢水排放量的飛速增長，膜生物反應器以其出水水質高、用地面積小、易于控制等優點得到迅速的推廣。本文綜述了膜生物反應器的類型、研究歷程、應用以及膜生物反應器的優缺點，介紹了膜生物反應器存在的最大問題即膜污染以及膜污染的防治，希望給膜生物反應器的進一步研究應用提供參考。
一、膜生物反應器簡介
膜生物反應器(MBR)是膜分離技術與生物污水處理技術相結合的新型態廢水處理系統。其主要組成部分包括生物反應器、膜組件和控制系統。其中，生物反應器主要發生污染物降解，為該降解過程提供場所。膜組件由膜和其支撐部分組成，是整個反應器的核心部分。
由于膜組件的不同及膜組件與生物反應器不同的結合方式，MBR可以有多種分類方法：
(1)根據生物反應器中膜組件膜的孔徑大小，MBR反應器可分為微濾、超濾、納濾、滲透汽化等反應器。
(2)根據生物反應器反應過程是否需要曝氣可以分為好氧型膜生物反應器和厭氧型膜生物反應器。其中好氧型主要用于處理城市廢水和生活污水，厭氧型主要處理高濃度有機廢水。
(3)根據膜組件中膜的形式及排列方法，MBR可以分為板框式、螺旋卷式、圓管式、毛細管式和中空纖維式膜組件。其中，常見的有板框式和中空纖維式。
(4)根據膜組件作用效果，其可以分為分離式MBR、曝氣式MBR和萃取式MBR，分離式主要用來去除污水中的懸浮顆粒，高效地完成固液分離。曝氣式主要應用于高需氧量廢水的處理。萃取式主要用于工業廢水處理中，用來完成廢水中污染物的萃取收集。
(5)根據膜組件與生物反應器的位置擺放不同，MBR可分為分置式和一體式膜生物反應器。分置式膜生物反應器又稱循環式膜生物反應器，混合液通過增壓進入組件內部，在壓力作用下，液體透過膜而固體顆粒被截留，濃縮液回流至生物反應器進行循環。而一體式則是直接將膜組件放在反應器內部。
二、MBR研究歷程及應用
1.MBR的研究歷程
二十世紀六十年代，活性污泥生物反應器與錯流膜過濾相結合，首次實現了MBR在廢水處理中的應用。1989年，研究工作者將膜組件放在生物反應器內部，突破了一體式MBR反應器的進展。九十年代以來，由于膜通量的不斷提高，膜污染控制技術和膜材料也有了很大的改進，膜生物反應器的成本越來越低，該工藝逐步受到關注。截止到2006年，全世界使用膜生物反應器的總值達到2.16億美元。相對而言，我國發展起步較晚，但其發展趨勢迅猛，增長速度遠超于世界平均增速，目前在許多實際污水處理中得到良好的應用。
2.MBR的應用
(1)MBR在城市污水處理中的應用
20世紀90年代末，隨著一體式MBR的出現，膜反應器在城市污水處理中的應用得到了快速的發展，截止2005年，北美地區已建成219個MBR城市污水處理工程。我國雖然起步較晚，但發展迅速，目前國內已經有較多正在運行或建設中的工程項目。
(2)MBR在工業廢水處理中的應用
相比于城市污水處理，MBR在工業廢水處理領域更具優勢。據統計，目前MBR在工業廢水處理中已占41%，廣泛用于印染、焦化、電鍍、煉油、食品、石化、啤酒、醫藥以及垃圾滲濾液等處理中。
三、MBR的特點
與傳統的水處理方法相比，MBR有以下幾個比較明顯的特點：
(1)MBR可以有效地截留污水中的微生物，實現了污泥齡和水力停留時間的分離。通過調整污泥齡的大小，使得生長周期較長的微生物如硝化細菌及反硝化細菌也可以成為優勢菌種，在一定程度上可以提高整個反應器的脫氮效率，使得運行更加靈活穩定。
(2)MBR有較高的固液分離效率，出水效果良好且穩定，受進水水質影響小。由于膜的高效截留作用，反應器中較大的顆粒物、大分子的有機物、細菌等均被截留在膜的進水側。同時不用考慮污泥膨脹。
(3)污泥濃度高，剩余污泥產量小。MBR可以在高容積負荷及低污泥負荷條件下運行，剩余污泥產量低，大大降低了后續的處理費用。
(4)MBR反應器結構緊湊，工藝設備集中，因此占地面積也較小，易實現一體化自動控制，操作管理方便。
盡管MBR具有上述特點，但也存在缺點，如膜污染嚴重、氧利用率低、投資成本高、水處理能耗較高、化學清洗廢液會造成二次污染等。實際應用中膜污染是影響MBR推廣的最大限制因素。
四、膜污染
1.膜污染形成原因
膜污染是指反應器在運行過程中由于廢水中的微小顆粒、膠體或大分子溶質在膜表面發生物理化學等相互作用而造成的膜孔堵塞現象。污染的類型主要表現為孔口堵塞、孔內沉積、和表面污染(污泥層形成)以及各種污染形式的組合。膜污染主要分為以下幾類：
(1)短期污染，短時間內由于濃差極化、凝膠層的形成使膜通量急劇下降，其為可逆污染，通過反洗，可以迅速去除恢復。
(2)長期污染，廢水中的微小顆粒與膜表面發生的長期作用而產生的膜污染現象，其為不可逆污染，可以通過化學藥劑清洗方法恢復。
(3)不可逆膜污染，由于反應器的長期運行而產生的不能被去除的污染。
2.膜污染影響因素
(1)膜本身的性質
影響膜污染的因素主要包括膜材質、膜孔徑、膜的親水性、膜表面粗糙度、電荷性質和密度等。膜組件根據膜材料的不同主要分為無機膜和有機膜，其中應用于膜生物反應器中的膜主要是無機膜，較有機膜而言使用壽命較長，不易形成膜污染現象。膜的孔徑大小及分布對膜污染也有一定的影響，溶液性質不同、顆粒大小分布不同，需采用不同孔徑的膜材料。與較大孔徑的膜相比，小孔徑膜更容易截留溶液中的污染物，因此而產生沉積層，增加膜阻力，加重膜污染現象。膜材料的憎水性對膜污染也會產生影響。
(2)混合液性質
膜生物反應器中的膜污染主要來自混合液中的物質。研究表明懸浮固體濃度(MLSS)直接影響混合液粘度，粘度升高，過濾性能隨之下降，若流速較小或曝氣強度無法沖刷附著在膜表面的物質，則容易產生污染層。溶液中顆粒大小及分布對膜污染現象的產生也有較大的影響，一般顆粒粒徑越小，則容易在表面沉積，形成的沉積層也越致密，膜污染越嚴重。除此之外，曝氣量、機械攪拌速度及膜表面錯流速度都會影響膜污染程度。
(3)操作條件
操作條件會直接或間接影響膜污染。研究表明適當增加污泥齡可以減少微生物產物和胞外聚合物的生成，從而減緩膜污染現象。但是，過長的污泥齡又會增加污泥濃度，導致更嚴重的膜污染。因此，實際城市污水應用中一般設置SRT為5-20天。
3.膜污染的防治
目前，國內外膜污染的防治主要集中在以下幾個方面：
(1)改變混合液特性，在混合液過濾前向其中加入適當的藥劑或載體(如PAL、填料)，以改變料液或溶質的性質，從而減輕膜污染負荷。
(2)膜表面改性。膜表面的改性主要傾向于以下幾個方面：新型無機膜的開發;提高膜的親水性以改善膜的抗污染性能;制造有機-無機混合膜，使之兼有無機膜與有機膜的長處。
(3)優化運行條件及反應器結構。選擇合適的操作壓力、膜通量、曝氣強度、HRT、SRT、抽吸時間及停抽時間，確定最優參數值;維持良好的生物條件，防止污泥膨脹和EPS的生成;間歇運行，停運期間進行空曝，并進行周期性反洗。
(4)膜清洗。為了恢復膜運行通量，必須對膜進行清洗，清洗方法包括物理清洗、化學清洗、超聲波清洗以及電清洗等。
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