膜生物反應器在廢水回用中的應用與發展趨勢

更新時間：2009-11-16 09:21 來源：作者: 陳林,邵林廣閱讀：1279

摘　要　膜生物反應器是將生物反應器與膜分離技術相結合的一種高效廢水處理新技術。綜述了膜生物反應器的類型、特點、對污染物的去除特性以及該工藝的影響因素和運行控制，提出了膜生物反應器所存在的問題及其研究進展和發展趨勢。

關鍵詞　膜生物反應器；廢水回用；膜污染；膜清洗

1前言

膜生物反應器(MBR)是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術，在廢水資源化及中水回用方面具有及其廣闊的發展前景，已經受到了國內外的廣泛關注。目前隨著水資源短缺局勢的日益嚴峻及膜生產技術的不斷更新發展，MBR在水處理領域得到了逐漸廣泛的應用，其數量日益增多，規模不斷擴大，因此對膜生物反應器的進一步研究，對緩解我國日益嚴重的水環境污染狀況將具有十分重要的意義。

2 MBR工藝的類型及特點

2.1 MBR工藝的分類

膜生物反應器主要由膜組件、泵和生物反應器三部分組成。根據膜組件在膜生物反應器中所起的作用的不同，膜生物反應器可以分為三種類型[1]：（1）分離膜生物反應器（BSMBR－Biomass Separation Membrane Bioreactor）（2）無泡曝氣膜生物反應器（MABR－Membrane Aeraction Bioreactor）（3）萃取膜生物反應器（EMBR－Extractive Membrane Bioreactor）。目前我們通常所說的MBR就是這三種類型的總稱，其中BSMBR是目前研究和應用最為廣泛的膜生物反應器，通常在無特殊說明的情況下，稱之為MBR。膜生物反應器中所使用的膜組件相當于傳統生物處理系統中的二沉池，主要工程是進行固液分離，截留的污泥回流至生物反應器，透過水外排。MABR則是采用致密膜或微孔膜為氧傳遞介質或生物膜載體，對生物反應器進行無泡供氧，可實現對氧的高效利用。EMBR則是采用萃取膜將廢水中有害、有毒或溶解性差的物質進行萃取后，采用專性菌對其進行單獨的生物化學處理，從而使專性菌不受廢水中離子強度和pH的影響，優化了生物反應器的功能[2]。

2.2 MBR工藝的特點

MBR工藝采用膜組件代替傳統活性污泥工藝中的二沉池，實現了高效的固液分離，克服了傳統活性污泥工藝水質波動及不夠理想、易發生污泥膨脹等問題；與傳統活性污泥工藝及許多其他的廢水生物處理工藝相比較，MBR工藝因其以具有特殊性能的膜作為泥水分離和澄清出水的介質，而具有其他生物處理工藝無法比擬的明顯優勢，主要是以下幾點[3]：

（1）出水水質良好。由于膜反應器能夠高效地進行固液分離, 分離效果遠好于傳統的沉淀池, 出水懸浮物和濁度接近于零，可直接回用，實現了污水資源化。

（2）使運行控制更加靈活穩定。由于膜的高效截流作用，使微生物完全截留在反應器內，實現了反應器水力停留時間(HRT)和污泥齡(SRT)的完全分離。

（3）反應器內的微生物濃度高，耐沖擊負荷。

（4）泥齡長。膜分離使污水中的大分子難降解成分，在體積有限的生物反應器內有足夠的停留時間，大大提高了難降解有機物的降解效率，反應器在高容積負荷、低污泥負荷、長泥齡下運行，基本無剩余污泥排放。

（5）占地面積小，工藝設備集中，系統采用PLC控制，可實現全程自動化控制。

3 MBR工藝的應用

MBR工藝最早主要用于微生物發酵工業，在污水處理領域中的應用研究始于60年代的美國。進入21世紀，國內外對膜生物反應器的研究有了較大的進展，并逐漸進入中試和生產性應用研究階段。MBR工藝具有常規污水生化處理所無法比擬的優勢，因此在城市污水處理與回用、中水回用、生活污水以及高濃度工業廢水等處理中得到了廣泛的應用[4-6]。

MBR工藝因其占地面積小、生化效率高、出水水質好等優點已被國內外水處理領域所認可。隨著水資源短缺局勢的日益嚴峻及膜生產技術的不斷更新發展,MBR在水處理領域中逐漸得到了較為廣泛的應用, 其數量日益增多, 規模也不斷擴大[7-8]。

4 MBR工藝的影響因素及膜污染的控制措施

4.1 MBR工藝的影響因素

MBR工藝中，影響其工藝設計和運行效能的因素除廢水水質、污泥特性等外，更為重要的應是其膜的運行操作條件，因此，在正確把握廢水水質，合理選取工藝設計參數和運行方式外，加強對膜運行過程的控制，就顯得更為重要。

在MBR工藝中，膜分離操作的主要影響因素有膜面流速、溫度、操作壓力等，這些因素對膜通量及膜組件的有效產水效能構成直接的影響。其中的關鍵運行控制條件因素有膜的操作壓力與膜面流速及膜的污染控制。作為MBR工藝中重要的運行控制條件，操作壓力和膜面流速均對膜通量有較大的影響，而且它們的影響往往又是相互交叉和制約的，膜面流速一定且濃差極化現象尚不明顯時，膜的通量隨壓力的增大而增大；發生濃差極化后，壓力的增大，一方面可以提高膜通量，但將在促進濃差極化的同時，增加通水的阻力。當操作壓力一定時，隨膜面流速的提高，膜通量相應提高，但當污泥濃度較高時，膜面流速提高到一定值后，由于膜面泥餅阻力的增加，膜通量提高的速率將隨膜面流速的提高而降低[9]。

4.2 膜污染的控制措施

膜污染是指處理料液中的微粒、膠體粒子或溶質大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產生透過通量與分離特性的不可逆變化的現象。通常認為膜污染主要由4種原因引起[10]：吸附、孔堵、濃差極化、濾餅層的形成和壓縮

膜污染的防治措施基本包括三種：第一：改善膜的性質，提高膜的親水性。第二：對濾液進行預處理，改善濾液特性對膜污染的防治有很大的作用。第三：優化膜分離操作條件。

無論如何改進工藝，膜污染都是無法避免的，所以在應用中應及時對膜進行清洗，使其恢復過濾能力。目前清洗方法主要有物理清洗、化學清洗、超聲波清洗和電清洗[11]。

5 MBR工藝存在的主要問題及研究進展

MBR工藝具有出水水質好，操作運行簡單，污泥產率低，占地面積小等優點。隨著膜生物反應器在污水處理的應用范圍和規模不斷擴大和增加，該工藝具有傳統工藝所不具備的許多優點，但同時也存在膜污染、膜清洗和膜更換以及能耗高等問題，有待于對其進行深入的研究和改進。

5.1 MBR工藝存在的主要問題

(1) MBR工藝的一大缺點是膜在運行一段時間以后比較容易受到污染。膜污染取決于混合液組成特性和膜的物化性能。膜生物反應器中膜污染的物質來源是活性污泥混合液。對活性污泥混合液這種組成復雜而又變化的體系，要認識其污染機理還需對MBR有個全面的研究。[14]。

(2) MBR工藝的另一大缺點是能耗比較高。研究表明，常規分離式MBR運行能耗明顯高于活性污泥法。MBR高能耗的原因首先是因為MBR過程必須保持一定的膜驅動壓力，其次是MBR中MLSS非常高，所以MBR工藝采用加大曝氣量的方式來改善水中氧的傳質效果，因而造成能耗偏高。

(3)膜組件的結構也是影響MBR工藝發展和應用的重要因素。在MBR工藝中，膜組件的費用明顯高于占地和土建費用[12]。

5.2 研究進展及發展趨勢

(1) 開發高性能、耐污染膜以及提高膜的單位面積處理能力，能從根本上改善膜污染的問題。

(2) 優化膜組件的安裝設計以及改善對膜的清洗方法，對其使用效果也有很大的影響。

(3) 通過改進膜組件的形式和工藝條件，可以解決MBR工藝能耗較高的問題。

(4) 在現有工藝基礎上開發出一些新的工藝。在膜生物反應器研究的早期，生物反應器基本上都是采用活性污泥法，膜組件也多采用加壓式平板膜。隨著膜材料的發展、生物反應器新工藝的開發和研究工作的不斷深入，近些年出現了一些新型的膜生物反應器[13]。

6結語

膜生物反應器在污水處理中的應用和研究涉及到生物學、水力學、材料學、經濟學和工程學等眾多學科，MBR的發展需要每個學科的進一步探索和各個學科之間的相互滲透。雖然膜污染和高能耗問題尚未得到徹底解決，但是由于MBR工藝有著傳統工藝所無法比擬的優勢，尤其是近20年來有機高分子材料科學的飛速發展，使得膜生物反應器在城市污水和工業污水處理領域中得到了更多的應用。可以相信，隨著膜技術發展的日益成熟，MBR技術必然會在我國成為一種實用技術而被廣泛采納。

參考文獻

[1]沈耀良，王寶貞編著. 廢水生物處理新技術——理論與應用（第二版）[M]. 北京:中國環境科學出版社, 2002

[2]顧國維，何義亮編著膜生物反應器——在污水處理中的研究和應用[M]. 北京:化學工業出版社 2002

[3]趙世杰. 膜生物反應器的工藝特點與應用[J ] . 市政技術, 2003 , 21 (1) : 53 - 55.

[4]黃霞，桂萍，范曉軍等膜生物反應器廢水處理工藝的研究進展[J] 環境科學研究 1998，11(1):40~44

[5]張忠詳，錢易主編. 廢水生物處理新技術[M]. 北京:清華大學出版社，2004

[6]王寶貞，王琳主編. 水污染治理新技術——新工藝、新概念、新理論[M]. 北京:科學出版社，2004

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[9]李靜, 杜啟云, 戴海平. 污水處理中膜生物反應器的研究進展[J ] . 天津工業大學學報, 2003 , 22 (6) : 18 - 21.

[10]邵剛. 膜法水處理技術[M] . 北京: 冶金工業出版社, 2000.

[11]許振良編著. 膜法水處理技術[M]. 北京:化學工業出版社，2001.