膜-生物反應(yīng)器的污水處理與回用技術(shù)研究與應(yīng)用
膜-生物反應(yīng)器是近年新開發(fā)的污水處理與回用技術(shù)。該技術(shù)由于具有諸多傳統(tǒng)污水處理工藝所無法比擬的優(yōu)點，在世界范圍受到普遍關(guān)注。本文將對近年來膜-生物反應(yīng)器污水處理與回用技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)行介紹。
1.前言
隨著全球范圍經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的膨脹，水資源短缺已成為全球人類共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為解決困擾人類發(fā)展的水資源短缺問題，開發(fā)新的可利用水源是世界各國普遍關(guān)注的課題。世界上不少缺水國家把污水再生利用作為解決水資源短缺的重要戰(zhàn)略之一。這不僅可以消除污水對水環(huán)境的污染，而且可以減少新鮮水的使用，緩解需水和供水之間的矛盾，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展提供新的水源，取得顯著的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會效益。開展新型高效污水處理與回用技術(shù)的研究對于推進(jìn)污水資源化的進(jìn)程具有十分重要的意義。
膜-生物反應(yīng)器是近年新開發(fā)的污水處理與回用技術(shù)。該技術(shù)由于具有諸多傳統(tǒng)污水處理工藝所無法比擬的優(yōu)點，在世界范圍受到普遍關(guān)注。本文將對近年來膜-生物反應(yīng)器污水處理與回用技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)行介紹。
2.膜-生物反應(yīng)器的技術(shù)原理與特點
在膜-生物反應(yīng)器中，由于用膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥工藝中的二沉池，可以進(jìn)行高效的固液分離，克服了傳統(tǒng)活性污泥工藝中出水水質(zhì)不夠穩(wěn)定、污泥容易膨脹等不足，從而具有下列優(yōu)點：
(1)能高效地進(jìn)行固液分離，出水水質(zhì)良好且穩(wěn)定，可以直接回用；
(2)由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反應(yīng)器內(nèi)，實現(xiàn)反應(yīng)器水力停留時間（HRT）和污泥齡（SRT）的完全分離，使運行控制更加靈活穩(wěn)定；
(3)生物反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負(fù)荷高，占地面積；
(4)有利于增殖緩慢的微生物如硝化細(xì)菌的截留和生長，系統(tǒng)硝化效率得以提高。也可增長一些難降解有機(jī)物在系統(tǒng)中的水力停留時間，有效地將分解難降解有機(jī)物的微生物滯留在反應(yīng)器內(nèi)，有利于難降解有機(jī)物降解效率的提高；
(5)膜-生物反應(yīng)器一般都在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷下運行，剩余污泥產(chǎn)量低，降低了污泥處理費用；
(6)易于實現(xiàn)自動控制，操作管理方便。
但膜-生物反應(yīng)器也存在一些不足：(1)在運行過程中，膜易受到污染，產(chǎn)水量降低，給操作管理也帶來不便。這是目前廣大研究者致力改進(jìn)的問題；(2)膜的制造成本較高。但隨著膜制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，其成本可望降低。
3.膜-生物反應(yīng)器的發(fā)展概述
膜-生物反應(yīng)器的最早研究可以追溯到上世紀(jì)60年代末期的美國。1969年Smith等報道采用超濾膜來替代傳統(tǒng)活性污泥工藝中的二沉池，用于處理城市污水。在另一早期的報道中，Hardt等采用死端過濾的超濾膜與10L的好氧反應(yīng)器組合處理人工配制的污水，獲得了COD去除率達(dá)98%的處理效果，污泥濃度與傳統(tǒng)活性污泥法相比，有大幅度增加。美國的Dorr-Oliver公司在1966年前后也開始了膜-生物反應(yīng)器的研究，開發(fā)了MST（Membrane Sewage Treatment）的工藝。這一時期，研究的重點在于開發(fā)適合高濃度活性污泥的膜分離裝置。但由于受當(dāng)時的膜生產(chǎn)技術(shù)所限，膜的使用壽命短、通量小，加之當(dāng)時對處理排放出水水質(zhì)要求不嚴(yán)，使這項技術(shù)在相當(dāng)長一段時間僅停留在實驗室研究規(guī)模，未能投入實際應(yīng)用。
70年代末期，日本由于污水再生利用的需要，膜-生物反應(yīng)器的研究工作有了較快的進(jìn)展。自1983年到1987年日本有13家公司使用好氧膜-生物反應(yīng)器處理大樓污水，處理水作為中水回用。1985日本建設(shè)省牽頭組織了 “水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計劃”，其內(nèi)容涉及到新型膜材料的開發(fā)、膜分離裝置的構(gòu)造設(shè)計和膜-生物反應(yīng)器運行系統(tǒng)的研究。通過產(chǎn)、學(xué)、研的結(jié)合，把膜-生物反應(yīng)器的研究在處理對象、規(guī)模和深度上都大大推進(jìn)了一步。這一階段的膜-生物反應(yīng)器的型式主要是分置式。
另一方面，加拿大Zenon公司推出了該公司的分置式膜-生物反應(yīng)器，用于生活污水的好氧處理。從80年代后期到90年代初，Zenon公司繼續(xù)Dorr-Oliver公司的早期研究，以開發(fā)用于處理工業(yè)廢水的系統(tǒng)并獲得了成功。Zenon公司的商業(yè)化產(chǎn)品，ZenoGem于1982年投入使用。
有關(guān)膜技術(shù)與厭氧反應(yīng)器的組合使用在80年代初也受到關(guān)注。1982年Dorr-Oliver公司開發(fā)了MARS工藝（Membrane Anaerobic Reactor System）用于處理高濃度有機(jī)工業(yè)廢水。同時80年代初，在英國也開發(fā)了類同的工藝。該工藝在南非進(jìn)一步發(fā)展成為ADUF工藝（Anaerobic Digester Ultrafiltration Process）。
80年代末以后，國際上對膜-生物反應(yīng)器的研究更是方興未艾，研究內(nèi)容更加全面，深度和廣度不斷加強(qiáng)。在傳統(tǒng)分置式膜-生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，提出了運行能耗低、占地更為緊湊的一體式膜-生物反應(yīng)器。有關(guān)膜-生物反應(yīng)器運行條件的優(yōu)化和膜污染機(jī)理及其控制對策方面的研究也十分活躍。這為膜-生物反應(yīng)器的廣泛推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，膜-生物反應(yīng)器在日本、美國、法國、英國、荷蘭、德國、南非、澳大利亞等國已得到相當(dāng)多的應(yīng)用。主要應(yīng)用對象包括：生活污水的處理與回用、糞便污水處理、有機(jī)工業(yè)廢水處理等。
我國對膜-生物反應(yīng)器的研究始于上世紀(jì)90年代初。最早開始研究的有清華大學(xué)、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、天津大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等。近年，由于該項技術(shù)所具有的巨大吸引力和潛在的應(yīng)用前景，受到了更多研究者的青睞。許多大學(xué)、研究所、環(huán)保公司也加入到了此項技術(shù)的研究開發(fā)中。從國內(nèi)專業(yè)雜志發(fā)表的論文篇數(shù)來看，近幾年增加很快，從1998年的9篇增加到2002年的60余篇。目前國內(nèi)從事膜-生物反應(yīng)器開發(fā)應(yīng)用的公司也有十余家。
4. 膜-生物反應(yīng)器對污染物的處理效果
4.1 有機(jī)污染物處理效果
許多研究者都證實膜-生物反應(yīng)器能夠有效地去除有機(jī)污染物并獲得良好的出水水質(zhì)。早在上世紀(jì)80年代日本的三井石化公司采用好氧膜-生物反應(yīng)器處理大樓生活污水，在進(jìn)水BOD5為330～710mg/L時，出水BOD5僅為1～5mg/L，BOD去除率可達(dá)99%以上。膜出水可以作為樓房中水道用水、草地噴水和汽車沖洗水等使用，達(dá)到了污水再生利用的目的。邢傳宏[5]采用分置式好氧膜-生物反應(yīng)器對城市污水的處理進(jìn)行了試驗研究。在該系統(tǒng)中，采用管狀陶瓷膜，切割分子量為3000,000。系統(tǒng)表現(xiàn)出穩(wěn)定的有機(jī)物去除率，即使進(jìn)水COD在100-800mg/L，NH4+-N在10-40mg/L大幅度變化的情況下，COD和NH4+-N去除率分別可達(dá)96%和95%以上，出水COD均小于20mg/L。其它水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)及與建設(shè)部雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的比較見表1。
表1 MBR處理城市污水出水與建設(shè)部雜用水標(biāo)準(zhǔn)（CJ25.1-89）的比較
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在膜-生物反應(yīng)器中污染物去除率很高的原因在于：（1）膜的分離作用維持了高濃度的生物量，促進(jìn)了生物降解作用；（2）膜分離本身對懸浮物COD和大分子溶解性有機(jī)物也有進(jìn)一步的截留效果。對于COD的去除，由膜截留作用的貢獻(xiàn)率在10-20%左右。
膜-生物反應(yīng)器良好及穩(wěn)定的出水水質(zhì)還有賴于膜表面形成的凝膠層的分離截留作用。很多研究者發(fā)現(xiàn)膜-生物反應(yīng)器在運行一小段時間后，一些大分子的微生物產(chǎn)物便會附著于膜的表面形成一層動態(tài)過濾膜，也稱為凝膠層。這層凝膠層也能起到過濾膜的作用，且由于其截留作用大于膜本身，從而有助于提高出水水質(zhì)。
有關(guān)操作條件對膜-生物反應(yīng)器處理效果的影響也有許多報道。研究表明，變化HRT（從2h 變化到24h）和SRT（從5d到1300d（基本上不排泥）），對污染物的去除沒有明顯影響。
表2列出了好氧膜-生物反應(yīng)器處理城市和工業(yè)廢水的效果和運行條件。
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4.2 氮磷去除效果
在膜-生物反應(yīng)器中，由于膜分離對硝化細(xì)菌的高效截留作用，生物反應(yīng)器內(nèi)可以維持高濃度的硝化細(xì)菌。因此通常膜-生物反應(yīng)器可以獲得非常高的硝化效果，氨氮去除率可以達(dá)到95%以上。通過調(diào)整適當(dāng)?shù)牟僮鞣绞，?生物反應(yīng)器中也能獲得很好的TN去除率。如Suwa利用間歇曝氣，在分置式膜-生物反應(yīng)器中獲得了0.0074 g-N /g-VSS d-1的反硝化效果。Chiemchaisri采用同樣的運行方式，脫氮率達(dá)92.6%。有研究認(rèn)為，在膜-生物反應(yīng)器內(nèi)控制DO的條件下，可以發(fā)生同步硝化/反硝化反應(yīng)。
關(guān)于膜-生物反應(yīng)器對磷的去除也有相當(dāng)報道，去除范圍在11.9%到75%不等。單獨的同化作用似乎不能解釋膜-生物反應(yīng)器中磷的全部去除。其機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。通過與化學(xué)除磷法相結(jié)合，可以保證系統(tǒng)出水達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值以下。
4.3 難降解有機(jī)物處理效果
采用膜-生物反應(yīng)器處理含難降解有機(jī)物廢水，可以強(qiáng)化系統(tǒng)對難降解有機(jī)物的處理效果，提高系統(tǒng)對沖擊負(fù)荷的承受能力。桂萍以喹啉和EDTA兩種難降解有機(jī)物為對象，在實驗室小試的基礎(chǔ)上采用膜-生物反應(yīng)器進(jìn)行了試驗研究，并在同等條件下與普通活性污泥法進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，膜-生物反應(yīng)器較普通活性污泥法，對難降解有機(jī)物的去除效率和去除負(fù)荷更高，抗進(jìn)水有毒物沖擊負(fù)荷能力更強(qiáng)，運行更為穩(wěn)定。劉超翔開展了厭氧/好氧膜-生物反應(yīng)器處理毛染廢水的中試研究，獲得了比傳統(tǒng)工藝更好的處理效果，處理出水可以達(dá)到中水回用標(biāo)準(zhǔn)。此外，也有研究報道采用膜-生物反應(yīng)器處理制藥廢水、石化廢水等，取得了良好的效果。
5.膜-生物反應(yīng)器的應(yīng)用現(xiàn)狀
5.1 在國外應(yīng)用情況
表3 列出了國外一些國家近年來MBR的應(yīng)用情況。在日本運行（包括在建）的膜-生物反應(yīng)器占全球的60%以上。在膜-生物反應(yīng)器的應(yīng)用中，98%以上是好氧膜-生物反應(yīng)器，其中55%以上是一體式膜-生物反應(yīng)器。
表3 MBR的國外應(yīng)用情況
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5.2 在國內(nèi)應(yīng)用情況
表4為我國的部分應(yīng)用實例。
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5.3 鋒尚國際公寓膜-生物反應(yīng)器示范工程運行情況
清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系在國家“十五”攻關(guān)的支持下，在海淀區(qū)鋒尚國際公寓建立了處理規(guī)模為240m3/d的膜-生物反應(yīng)器中水回用工程。目前該工程從啟動已運行3個多月，COD，氨氮和LAS的去除效果分別見圖1, 圖2和圖2。運行期間，系統(tǒng)出水平均COD，氨氮, LAS和濁度的濃度分別為17.25mg/L, 0.75 mg/L, 0.16mg/L和0.61mg/L，滿足中水回用標(biāo)準(zhǔn)。目前處理出水用于該住宅區(qū)的綠化用水。
6.結(jié)束語
膜-生物反應(yīng)器有諸多傳統(tǒng)工藝不及的優(yōu)點，在污水處理和回用中具有廣闊的應(yīng)用前景？梢詰(yīng)用的領(lǐng)域包括：高層建筑的中水回用、居住小區(qū)生活污水資源化、城市污水資源化以及有機(jī)工業(yè)廢水的資源化等。目前我國在膜-生物反應(yīng)器污水處理與回用方面的應(yīng)用實例還不太多，規(guī)模也不夠大。今后應(yīng)通過產(chǎn)、學(xué)、研的緊密合作，進(jìn)一步加強(qiáng)研究開發(fā)以推動其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
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