中水回用中的MBR工藝技術
1 前言
我國是一個水資源貧乏的國家，人均水資源僅為世界平均水平的1/4，南北水資源分配嚴重不均，我國669個城市，400個城市常年供水不足，其中有110個城市嚴重缺水，年缺水量60億立方米。同時隨著現代工業的迅猛發展，城市人口逐漸增加，人民生活水平逐漸提高，各種用水量亦隨之增長，但大自然賦予人類的這部分資源是有限的，而這有限的資源還在不斷地受到人類肆意及污染，這就使得水資源供需矛盾愈來愈突出，這已成為世界各國共同面臨的問題。在水資源緊缺的現實下，開發除自來水以外的第二水源，實行中水回用，將從根本上緩解水資源的緊缺狀況，是解決水危機的根本途徑，對緩解水資源危機將發揮重要的作用，具有非常深遠的社會效益[1]。
中水是指將人們在生活和生產中用過的優質雜排水(不含糞便和廚房排水)、雜排水（不含糞便排水）以及生活污水經過處理后達到《生活雜用水水質指標(GB25.1-89)》標準，可以在一定范圍內重復使用的非飲用水，即再生水。之所以叫中水，是沿用了日本的說法，通常人們把自來水叫做“上水”，把污水叫“下水”，而中水的水質介于上水和下水之間，故名“中水”。中水雖然不能飲用，但它可以用于一些對水質要求不高的場合。中水回用的對象有市政雜用水、生活雜用水和工業用水。市政雜用水包括公園綠化、城市綠化、道路路面噴灑等用水；生活雜用水包括沖洗廁所，洗車；工業用水重點是回用至熱電廠和化工廠等冷卻用水以及城市污水處理廠內部雜用水等[1]。隨著水荒的日益加劇，中水回用將越來越顯示出它的優越性和生命力。
中水回用，一方面為城鎮供水開辟了第二水源，可大幅度降低“上水”的消耗量；另一方面，在一定程度上解決了“下水”對水源的污染問題，從而起到保護水源、節約用水的作用。在美國、日本、以色列等國，廁所沖洗、園林和農田灌溉、道路保潔、洗車、城市噴泉、冷卻設備補充用水等大都使用中水。
2 MBR在中水回用中的應用
2.1 中水回用的發展歷程
目前世界上許多面臨著嚴重水危機的國家都在積極利用城市污水，并將城市污水作為第二水源予以開發利用，并已取得了成功的經驗。美國有357個城市實現了污水處理后再利用；美國丹佛市已將處理后的再生水送入自來水管網作為城市管網的補壓用水。日本從20世紀60年代起開始研究，20世紀末推廣城市污水回用和中水技術，廣泛供給工廠、企業和居民小區[2]。此外以色列、俄羅斯、英國、以及中東諸國等相繼發展利用污水回用，以彌補日益缺乏的水資源[3]。
我國對城市污水處理與利用的研究，早在1958年就開始列入國家科研課題。60年代關于污水灌溉的研究已達到一定的水平。70年代中期進行了城市污水以回用為目的的污水深度處理小試。80年代初，我國青島、大連、北京、太原、天津、西安等缺水的大城市相繼開展了污水回用于工業和民用的試驗研究，其中有些城市以修建了回用試點工程并取得了積極的成果，不少公共建筑亦建設了中水回用裝置。我國北京市環保所于1984年底在所內建成的120m3/d規模的中水道試點工程，對我國中水道的發展起到積極的推動作用。在“十五”計劃初步安排中，國家要求將城市污水處理量的10%作進一步處理后回用，這將意味著每天將有幾百噸的中水可回用，以中水回用為主的節水措施將是我國今后的主要發展方向。特別是北京及周邊地區水價日益上漲的情況下，節水措施勢在必行。
2.2 國內外MBR的發展研究現狀
MBR的研究始于20世紀60年代的美國，當時由于受膜生產技術所限，膜的使用壽命短、水通透量小，使其在投入實際應用中遇到障礙。70年代以后，日本根據本國國土狹小、地價高的特點對MBR在廢水處理中的應用進行了大力開發和研究，使MBR開始走向實際應用。MBR工藝80年代后在日本等國得到了廣泛應用[2]。日本某公司對MBR工藝的污水處理效果進行了全面研究，表明活性污泥－平板膜組合工藝不僅可以高效去除有機物，且出水中不含細菌，可直接作為中水回用[4]。目前，日本已經有100處高樓的中水回用系統采用MBR處理工藝。如日本第36/37森樓和都飯店、北千住終點站大樓、東京都港區廳宿舍等，都采用膜好氧生物反應器，由好氧性的高濃度活性污泥法和超濾膜組件組合而成的水處理系統，所采用的超濾膜孔徑為10μm切割分子量為20000的聚丙烯腈平板膜組件，處理效果良好[1] 。進入90年代后，MBR工藝已經被廣泛接受。目前，這技術已在歐洲、北美及亞洲一些國家得到較快的發展，并已在水處理的許多領域廣泛應用。
我國對MBR的研究還剛剛起步，但發展十分迅速。MBR在我國的研究始于1993年。研究者對分離MBR，抽吸淹沒式MBR，重力淹沒式MBR與傳統生物處理工藝在城市污水處理方面進行的比較研究表明各種MBR的出水水質均優于傳統生物處理工藝。近年來有關MBR試驗研究的報道頻繁出現，實際應用也在逐漸增多，大連香格里拉大飯店的賓館污水再生回用工程就是使用MBR工藝[4]。我國在中水處理技術領域與世界先進水平的差距在15-20年，和美國就不必說，就是同在亞洲的近鄰日本，也把我們遠遠甩在了后面。因此必須加大技術研究開發力度，以縮短同世界先進水平的差距，發展壯大我們的水處理產業。
3 MBR工藝
膜生物反應器(Membrane Biological Reactor，簡稱MBR)是將膜組件引入廢水處理氧化池中的一種新型污水處理技術。在MBR中，活性微生物與污水充分接觸氧化，不斷氧化污水中能被微生物降解的有機物，而不能被微生物降解的有機物和無機物及活性污泥、懸浮物、各類膠體、大部分細菌則被MBR中的膜組件截留，活性污泥濃度大大提高，實現了水力停留時間和泥齡的完全分離。MBR對于原水水質的的變化均有很強的適應性，保證出水水質的穩定,集生物反應器的生物降解作用和膜的高效分離作用于一體，大大強化了生物反應器的功能。MBR工藝流程見圖1。
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圖1 MBR工藝流程圖
3.1 MBR工藝特點
3.1.1 對污染物去除率高，出水水質好，基本無懸浮物。
MBR中的生物相結構復雜，形成了穩定的微生態系統，剩余污泥量少。由于膜的截流作用使SRT延長，營造了有利于世代時間較長的微生物，如硝化細菌的生長環境，提高了系統的硝化能力，同時有利于提高難降解大分子有機物的處理效率，使其徹底分解。MBR曝氣池的活性污泥不因出水而流失，在運行過程中，活性污泥會因進入有機物濃度的變化而變化，并達到一種動態平衡，這使系統出水穩定并耐沖擊負荷。
3.1.2 處理負荷高，占地面積小。
膜的機械截流作用避免了微生物的流失，生物反應器內可保持高的污泥濃度，處理負荷高，污泥負荷低。膜代替二沉池，減少了占地面積。
3.1.3 操作管理方便。
MBR實現了反應器泥齡(SRT)和水力停留時間(HRT)的徹底分離，使設計簡化，易于一體化，實現自動控制。
3.1.4 MBR缺點是膜通量較低，能耗較高。
3.2 MBR與傳統工藝生化法比較
傳統的生物化學法運轉時必須考慮到反應速率和污泥的沉降性能。反應速率主要取決于活性污泥的濃度，污泥濃度高，則反應速度就快。但考慮到二沉池不能過大，所以活性污泥的濃度就不能太大，從而影響了反應速率。污泥的沉降性能則取決于曝氣池的運行條件，嚴格控制曝氣池的操作條件是首要，因此也限制了生物化學法的分離。MBR技術正是在這樣的情形下發展起來的，其原理是在污水生物處理的反應池中引入膜組件，使其在一定壓力下，將溶液中的大分子物質、膠體、細菌和微生物與水分離，從而達到泥水分離的目的；其處理精度可達超濾級，不會產生生化法那樣難聞的氣味，污泥濃度高，污泥量少，無需進行污泥處理。MBR啟動方便，不必象生化法那樣接種和培馴污泥。MBR操作方便。國外的研究資料表明，MBR技術作為中水處理的后處理技術，具有適應性強、對懸浮物、細菌和洗滌劑的去除率高，出水穩定等諸多優點，特別適用于回用水的處理。
3.3 MBR工藝經濟效益分析
由于各種處理工藝的投資成本和運行成本差異較大，其運行費也不盡相同。由于省去了后續的依靠重力的泥水分離單元，MBR工藝的一次性設備投資低于其它工藝，但是處理成本(包括電費、人工費及膜更換費用)略高于傳統生物及物理化學工藝。今后隨著膜制造技術的進步，膜質量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投資也會隨之大幅度降低，另外各種新型MBR的開發，如在低壓下運行的重力淹沒式MBR、厭氧MBR等與傳統的好氧加壓MBR相比，其運行費用大幅度下降。因此可以預見，MBR在中水回用中將會愈來愈具有經濟、技術上的優勢。
4 結論
從以上分析可以看出，在綜合考慮各種因素的基礎上，MBR工藝與常規生物處理相比，無論經濟性還是技術性，MBR都具有自身其獨特的優勢(出水水質良好、運行管理簡單、占地面積小等)，預計我國未來的中水回用領域MBR將進一步得到廣泛的應用。
參考文獻
[1] 錢茜,王玉秋.我國中水回用現狀及對策[J].再生資源研究,2003(1):27一30.
[2] 邵剛.膜法水處理技術及工程實例[M].北京:化學工業出版社,2002..
[3] 劉茉娥,蔡邦肖,陳益棠.膜技術在污水治理及回用中的應用[M].北京:化學工業出版社,2004.
[4] 黃霞.膜-活性污泥法組合工藝的污水處理特性研究[C].資源、發展與環境保護(第三屆海峽兩岸環境保護學術研討論文集),1995:95-102.
作者簡介 劉慶斌（1970-），女，湖北崇陽人，工程師，在讀工程碩士，從事環境工程教學。
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