膜生物反應器在廢水處理中的研究進展
摘要：介紹了膜生物反應器作為高效膜分離技術和傳統活性污泥法的結合，其顯著特點日益受到世界各國的重視，正在被廣泛用于城市給水的凈化以及生活污水和工業廢水的處理。并介紹了膜生物反應器的工藝特點及其運行的影響因素。
關鍵詞：膜生物反應器；有機負荷；污泥濃度
膜生物反應器（MBR）是高效膜分離技術和傳統活性污泥法的結合，幾乎能將所有的微生物截留在生物反應器中，這使反應器中的生物污泥濃度提高，理論上污泥泥齡可以無限長，使出水的有機污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，對難降解的工業廢水也非常有效。目前，膜工藝正在被廣泛用于城市給水的凈化以及生活污水和工業廢水的處理。
1、膜生物反應器的工藝特點
膜生物反應器工藝主要有以下特點：
（1）污染物去除效率高，不僅對懸浮物、有機物去除效率高，且可以去除細菌、病毒等，設備占地；
（2）膜分離可使微生物完全截留在生物反應器內，實現反應器水力停留時間和污泥泥齡的完全分離，使運行控制更加靈活、穩定；
（3）生物反應器內的微生物濃度高，耐沖擊負荷；
（4）有利于增殖緩慢的微生物，如硝化細菌的截留和生長，系統硝化效率得以提高，同時可提高難降解有機物的降解效率；
（5）傳質效率高，氧轉移效率高達26%－60%左右；
（6）污泥產量低；
（7）出水水質好，出水可直接回用；
（8）易于實現自動控制，操作管理方便。
2、膜生物反應器運行的影響因素
膜生物反應器由膜分離單元與生物處理單元組成，因此影響MBR穩定運行的因素不僅包括常規生物動力學參數：有機負荷、污泥濃度、污泥負荷等，還包括膜分離的相關參數：膜的固有性質（膜材料、膜孔徑、荷電性等）、濾液的性質、操作方式、反應器的水力條件等。其中生物動力學參數主要影響MBR的處理效果，膜分離參數主要影響MBR的處理能力。
2.1、影響MBR穩定運行的生物動力學參數
2.1.1、有機負荷
研究表明：好氧MBR出水受容積負荷與水力停留時間（HRT）的影響較小，而厭氧MBR出水受容積負荷與HRT的影響較大。吳志超采用好氧MBR處理巴西基酸生產廢水發現：COD容積負荷分別為12kg/（m3·d），24 kg/（m3·d），36 kg/（m3·d），48 kg/（m3·d）時，出水COD濃度變化不大；且HRT對出水水質無明顯的影響。而何義亮用厭氧MBR處理高濃度食品廢水卻發現：當COD容積負荷從2 kg/（m3·d）升高到45kg/（m3·d），COD去除率從90%下降至70%；且HRT對處理效果有重要影響。對這些研究的比較發現：在好氧MBR中，污泥濃度隨容積負荷的增加迅速升高，有機物去除速率加快，污泥負荷基本保持不變，從而抑制出水水質的惡化；而在厭氧MBR中，污泥濃度升高緩慢，因此厭氧MBR出水水質易受容積負荷的影響。
2.1.2、污泥濃度
許多研究都表明污泥濃度與溶解性微生物產物是影響膜通量的重要參數。這些研究成果表明：
一定條件下污泥濃度越高，膜通量愈低。顧平在一體式MBR處理生活污水的研究卻發現：當曝氣強度足夠大時（氣水比近似100：1），MLSS由10g/L變化到35g/L時，MLSS與膜通量沒有明顯的相關性；但如果降低曝氣強度，MLSS對膜通量可能產生一定的影響。
污泥濃度對膜通量的影響程度與曝氣強度、膜面循環流速、水力學條件等密切相關。桂萍應用正交試驗的方法對一體式MBR中膜污染速度與污泥濃度、曝氣量和膜通量的關系進行考察，研究結果表明：不同污泥濃度均存在一個污泥在膜表面大量沉積的臨界膜通量，當膜通量小于臨界膜通量，膜污染主要由溶解性有機物在膜面的沉積引起；當膜通量大于臨界膜通量，膜污染主要由懸浮污泥在膜面的沉積引起；在污泥濃度較低時，曝氣強度對膜的污染影響不大，在中、高污泥濃度條件下，增加曝氣強度有利于減緩膜污染；臨界膜通量J與污泥濃度MLSS和曝氣強度QA有以下關系：QA/J =8.34e0.07MLSS。
2.1.3、微生物群落
微生物群落決定污泥特性。然而，目前有關好氧膜生物反應器中的微生物群落及其生物動力學特性卻知之甚少。同常規活性污泥法相比，膜生物反應器的污泥齡長且污泥負荷低。雖然在常規活性污泥法中較長的污泥齡有助于高一級微型動物（原生和后生動物）的產生，但現有的研究表明，當膜生物反應器長時間不排泥時，污泥中很少或沒有原后生動物出現，遺憾的是至今并不清楚為什么會出現這種現象。因為膜生物反應器中微生物群落的多樣性和復雜性，以及現有的常規研究方法和分析手段的局限，所以，非常有必要研究和開發新的方法和手段，以便全面揭示膜生物反應器中的微生物群落及其生物動力學特性。現代新型分析技術（如分子生物技術）為我們進一步了解膜生物反應器中的微生物群落提供了可能。例如，采用熒光原位雜交對膜生物反應器中的污泥進行分析，結果表明：膜生物反應器中微生物群落含有的細菌細胞遠少于常規活性污泥法，并且膜生物反應器的低污泥產率來自于微生物的內源呼吸而不是生物捕食。此外，結果也表明：MBR中的微生物群落和其多樣性不同于常規活性污泥法；MBR適宜于氨氧化菌的生長；MBR中的硝化菌通常為不同形狀（如卵形、圓形）的串狀，小顆粒污泥中的硝化菌含量高于其在大顆粒污泥的含量。
2.2、影響MBR穩定運行的膜分離參數
由于膜通量的提高、膜壽命的延長會大幅度降低MBR的運行費用，因此，在保證出水水質的前提下，膜通量應盡可能大，這樣可減少膜的使用面積，降低基建費與運行費用。因此控制膜污染，保持較高的膜通量，是MBR研究的重要內容。而膜通量與膜材料、操作方式、水力條件等因素密切相關。
2.2.1、膜的選擇
現有膜可分為有機膜和無機膜兩種。由于較高的投資成本限制了無機膜生物反應器在我國的廣泛應用，國內MBR系統普遍采用有機膜。常用的膜材料為聚乙烯、聚丙烯等。分離式MBR通常采用超濾膜組件，截留分子量一般在2－30萬。截留分子量越大，初始膜通量越大，但長期運行膜通量未必越大。張洪宇進行無機膜的通量衰減試驗表明：孔徑0.2μm的膜比0.8μm的膜更適合于MBR。何義亮用PES（磺化聚醚砜）平板膜組件進行膜通量衰減規律的研究發現：在該試驗條件下，膜初始通量衰減主要是由于濃差極化引起，膜截留分子量愈小，通量衰減率愈大；膜長期運行的通量衰減主要是由于膜污染引起、膜截留分子量愈大，通量衰減幅度愈大，化學清洗恢復率愈低。
對于一體式MBR，既可用超濾膜，也可使用微濾膜。由于膜表面的凝膠層也起到了過濾作用，在處理生活污水時，微濾膜與超濾膜的出水水質沒有明顯差別，因此一體式MBR多采用0.1—0.4μm微濾膜。
2.2.2、操作方式的優化
當膜材料選定后，其物化性質也就基本確定了，操作方式就成為影響膜污染的主要因素。為減緩膜污染，反沖洗是維持分置式MBR穩定運行的重要操作，樊耀波通過確定最佳反沖洗周期，使分置式MBR的膜通量達到60L/（m2·h）。針對一體式MBR，Yamamoto提出間歇式抽吸方式可有效減緩膜污染，桂萍通過研究進一步指出：縮短抽吸時間或延長停吸時間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染、抽吸時間對膜阻力的上升影響最大，曝氣量其次。
不僅污泥濃度、混合液粘度等影響膜通量，混合液本身的過濾性能，如活性污泥性狀，生物相也影響膜通量的衰減。有研究表明：粉末活性炭與絮凝劑的加入有助于改善泥水分離性能，形成體積更大、粘性更小的污泥絮體，減少了膜堵塞的機會。但絮凝劑的過量加入會使污泥活性受到抑制，影響反應器的處理能力和處理效果。
2.2.3、水力學特性的改善
改善膜面附近料液的流體力學條件，如提高流體的膜面流速，減少濃差極化，使被截留的溶質及時被帶走，能有效降低膜的污染，保持較高的膜通量。黃霞、何義亮分別采用PAN（聚丙烯腈）平板式超濾膜、PAN（聚丙烯腈）/PS（聚砜）管式膜組件考察不同膜面循環流速下污泥濃度對膜通量的影響，發現MLSS對膜通量的影響程度與膜面循環流速有關。大量試驗表明：污泥過膜流態為層流，遠比紊流時易于堵塞，因此從理論上確定不同污泥濃度下紊流發生的最小膜面流速Vmin有重要意義。邢傳紅研究發現：最小膜面流速與污泥濃度之間呈良好的線性關系。但他們對臨界膜面流速的計算值可能偏高，因為污泥沿流道流動的過程中，水同時透過膜流出，增加了流體在垂直方向的紊動，從而在—定程度上降低了下臨界雷諾數（Rek）。何義亮的發現證實了這一推論，平板膜組件從紊流到層流的Rek為1083，外壓管式膜組件的Rek為966，均小于一般牛頓流體的下臨界雷諾數2000。
分置式MBR中，一般采用錯流過濾的方式，這有助于防止膜面沉積污染。對于一體式MBR，設計合理的流道結構，提高膜間液體上升流速，使較大的曝氣量起到沖刷膜表面的錯流過濾效果顯得尤為重要。劉銳通過均勻設計試驗，得到適合活性污泥流體的膜間液體上升模型，提出反應器結構對液體上升流速的影響：在同樣的曝氣強度下，反應器越高，上升流通道越窄，下降流通道與底部通道越寬，則越能獲得較大的膜間錯流流速。
3、結論
膜生物反應器是一種新型廢水處理系統，具有許多突出的優點，已引起世界各國的普遍關注。國外膜生物反應器在污水處理中的應用范圍和規模不斷增加，其中絕大部分是好氧膜生物反應器，并且一體式膜生物反應器的應用數量略大于分置式膜生物反應器。中小規模的污水處理廠可能采用膜生物反應器更便宜，但大規模的污水處理廠宜采用常規工藝。然而，膜污染依然是影響其推廣應用的主要障礙。膜污染的影響因素和控制對策很多，但值得注意的是采用空氣噴射方法在中空纖維膜內形成活塞流，從而可有效減輕膜污染和提高膜通量。
今后的研究主要應集中在以下兩方面：
（1）開發低成本、高性能的耐污染膜。解決膜的成本高、壽命短、易受污染問題是影響膜生物反應器能否推廣應用的重要因素。現在，已研制出聚酰胺系列、聚丙酰胺系列等有機膜及耐高溫、耐高壓的無機膜。近來，人們開始著眼于仿生膜的制備研究。生物膜具有極好的傳遞性能、分離性能、選擇性能和生物兼容性。隨著膜科學的發展，低成本、高性能的耐污染膜必將出現。
（2）開發新型膜生物反應器。膜生物反應器的構型有分置式和一體式，膜組件有板式、管式、卷式、中空纖維管式、毛細管式等，運行方式有間歇和連續式。根據不同的水質及處理要求，用不同的膜及膜組件與各種好氧和厭氧生物廢水處理技術相結合，開發處理能力更大、耐污染能力更強、運行更經濟的新型膜生物反應器，其應用將會得到更廣泛的推廣。
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