MBR膜生物反應(yīng)器在分散式中水回用系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 概述

我國水資源短缺，而水污染形勢卻日趨嚴(yán)峻，很多城市面臨水緊缺的問題，在全國600 多個建制市中，有近400個城市缺水，其中130 多個嚴(yán)重缺水。再加上水資源時空分布不均，嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。水資源的可持續(xù)利用，合理配置水資源, 提高水資源利用率，建立節(jié)水型社會，顯得尤為迫切和重要。污水是一種穩(wěn)定可靠的、可再生的水資源。污水處理與回用成為解決水資源短缺的有效措施，是實(shí)現(xiàn)水的良性循環(huán)的關(guān)鍵。

1.1 分散式中水回用系統(tǒng)

污水處理可分為集中式和分散式兩種。污水集中式處理, 是建立集中式管網(wǎng)收集體系

和大型污水處理廠，采用適宜的措施進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后再排入自然水系。集中式污水處理是絕大多數(shù)城市的選擇，用于收集和處理大流量污水，能夠可靠地、高效地管理和控制污水處理的運(yùn)行；分散式污水處理技術(shù)是一種新型的，經(jīng)濟(jì)環(huán)保的污水處理系統(tǒng)。對于居住比較分散的中小城市(鎮(zhèn)) 、廣大農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于受到地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)因素制約，不宜于進(jìn)行生活污水的集中處理，此時應(yīng)因地制宜地選擇和發(fā)展生活污水分散式和就地處理技術(shù)[1]。分散式污水處理最大的好處是適用于不同程度的現(xiàn)場條件，可便捷、快速地實(shí)現(xiàn)污水處理，并且投資和維護(hù)費(fèi)用都不大。

在推動中國水污染治理方面，集中式污水處理模式和分散式污水處理模式各有長短，目前中國主流的污水處理大多采用管網(wǎng)集中收集、污水廠集中處理的集中式污水處理，但由于存在污水收集難、管網(wǎng)投資高、占地面積大和施工不便等問題，制約了污水處理進(jìn)程。而分散式處理將污水就地收集、就地處理和就地回用，無需新建排水管網(wǎng)和中水回用管網(wǎng)，減少了投資，有利于提高污水處理率、加快水環(huán)境的改善。若將處理后的水根據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步凈化、回用，可緩解供水需求，大大減少水供應(yīng)緊張的局面。因此分散式污水處理及回用集成技術(shù)已經(jīng)成為集中處理方式的一種有益而必需的補(bǔ)充措施。

中水，也稱再生水，它的水質(zhì)介于污水和自來水之間，是城市污水、廢水經(jīng)凈化處理后達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，能在一定范圍內(nèi)使用的非飲用水，可用于市政和百姓生活的諸多方面。城市受污染較輕的大量生活污水，經(jīng)處理后，能夠得到數(shù)量可觀的再生水，可以使中水成為城市第二水源，大大緩解城市缺水狀況。中水來源主要有雨水、冷卻水、盥洗水、淋浴水、游泳池排污水、洗衣排水、廚房排水等。根據(jù)不同水質(zhì)和不同回用用途的要求, 經(jīng)過濾、混凝、沉淀等預(yù)處理，采用超濾、接觸氧化、厭氧/缺氧/好氧（A2/O）等主體工藝，再通過過濾、消毒等后續(xù)處理，便可得到可利用的水。中水回用，指通過提高水資源的重復(fù)利用率，解決城市水資源危機(jī)，促進(jìn)水資源可持續(xù)循環(huán)利用，是處理城市水資源缺乏的一條重要途徑。

缺少相關(guān)政策法規(guī)，建設(shè)成本高，資金回收難，人們的用水習(xí)慣，工藝技術(shù)不穩(wěn)定等因素都制約著城市中水回用的普及和技術(shù)的發(fā)展。其中工藝技術(shù)和成本是制約中水回用普及的關(guān)鍵因素之一。

1.2 分散式污水處理技術(shù)發(fā)展趨勢

分散式污水處理技術(shù)可采用多種工藝形式，如人工濕地、生物濾池、土壤滲濾和生態(tài)塘等。這些傳統(tǒng)工藝存在一些局限性，如有的僅采用單一好氧生化處理工藝，脫氮除磷不理想；有的采用單一曝氣方式、能耗偏高；有的采用人工濕地等植物處理法，占地太大，受氣候影響，運(yùn)行不穩(wěn)定；有的設(shè)備集成度不高、占地面積較大。國內(nèi)很多地方的工程示范點(diǎn)在運(yùn)行不到一兩年就癱瘓了。深入分析可知，大部分土地處理系統(tǒng)利用植物的新陳代謝去除污染物，但植物呈季節(jié)性生長，需不斷的收割和種植，人工維護(hù)強(qiáng)度大，抗沖擊能力弱，且冬季運(yùn)行困難，在農(nóng)村操作水平較低的情況下，很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在北京，已建成中水設(shè)施的上百個住宅小區(qū)中，能正常運(yùn)行的不足三成，小區(qū)中水的年用量僅有300萬噸。分析其原因，中水處理設(shè)施建設(shè)成本高，中水處理成本高，是制約中水設(shè)施正常運(yùn)行的主要因素。

由此可以看出，分散式污水處理及回用技術(shù)首先要保證穩(wěn)定運(yùn)行，其次，要容易操作，最好能實(shí)現(xiàn)無人值守，減少人工操作強(qiáng)度，同時也可避免因?yàn)椴僮鞑划?dāng)對設(shè)備引起的人為損壞，另一個應(yīng)注重是要省地，特別是在景區(qū)和城區(qū)，占地成為制約污水處理設(shè)施的主要因素之一。隨著用地規(guī)范的不斷調(diào)整，分散式污水處理設(shè)備重復(fù)利用性要高，很多工程因?yàn)楦倪w或當(dāng)?shù)赜玫匾?guī)劃調(diào)整，處理設(shè)施全部報廢。

綜上，分散式污水處理及回用技術(shù)應(yīng)向一體化、自動化和靈活化的方向發(fā)展。MBR的工藝特點(diǎn)正是較好的滿足了這一發(fā)展需求，從而在分散式中水回用工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

2 膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝

膜-生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor）工藝是膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型廢水處理技術(shù)。它利用膜分離設(shè)備將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子物質(zhì)截留住，省掉二沉池?；钚晕勰酀舛纫虼舜蟠筇岣?，水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）可以分別控制，而難降解的物質(zhì)在反應(yīng)器中不斷反應(yīng)、降解。

20世紀(jì)80年代以來，該技術(shù)在國外愈來愈受到廣泛關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。目前膜生物反應(yīng)器技術(shù)已應(yīng)用于美國、德國、法國、英國、埃及等數(shù)十個國家，規(guī)模為每天5～100000m3不等[3]。我國對膜生物反應(yīng)器的研究起步于20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)和同濟(jì)大學(xué)等單位。近年來，由于該技術(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)、研究院所、環(huán)保公司也加入到該項(xiàng)技術(shù)的研究和開發(fā)之中。目前MBR技術(shù)在我國已逐步從實(shí)驗(yàn)室研究過渡到工程應(yīng)用，其處理規(guī)模為每天5～45000m3不等[4]?，F(xiàn)今，膜生物反應(yīng)器主要用于回用水、工業(yè)廢水、城市污水和生活污水的處理[5]。

2.1 MBR工藝及特點(diǎn)

膜生物反應(yīng)器（MBR）是將生物反應(yīng)器與膜組件相聯(lián)用的一項(xiàng)廢水處理新技術(shù)，它由膜組件、生物反應(yīng)器和泵三部分組成。其流程為：原水進(jìn)入生物反應(yīng)器與生物相充分接觸，再在循環(huán)泵作用下，由生物反應(yīng)器流經(jīng)膜組件，過濾出水被排放，生物相回流入生物反應(yīng)器；或者膜組件浸入生物反應(yīng)器中進(jìn)行負(fù)壓抽吸出水。污泥被膜完全截留在反應(yīng)器中，剩余污泥被排放以確保固定的污泥齡。

膜生物反應(yīng)器的主要類型有分置式和一體式，近年來還出現(xiàn)了一些改進(jìn)型如圖1 所示：

推薦理由:這是一本引自美國的經(jīng)典服裝類版權(quán)圖書，藝術(shù)與技術(shù)交相輝映。本書從立體裁剪基本原理入手，詳細(xì)講解了基本款式、系列款式、變化款式的立體裁剪技法及應(yīng)用，以期為廣大愛好服裝藝術(shù)的讀者在原創(chuàng)作品和專業(yè)技術(shù)上提供指導(dǎo)和啟發(fā)。

圖1 膜生物反應(yīng)器的基本類型

膜生物反應(yīng)器（MBR）融合了微生物對污染物的分解和膜的高效分離兩個過程。一方面，由于膜的截留作用，反應(yīng)器內(nèi)得以存有大量高活性的微生物，因此污水中的有機(jī)污染物被微生物吸附、降解，這對污染物的去除起主要作用；另一方面，由于吸附、篩分等過程，膜可以截留大部分微生物絮體、膠體粒子以及大分子有機(jī)物，從而提高了出水水質(zhì)[5]。

與傳統(tǒng)好氧活性污泥法比較，膜生物反應(yīng)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：處理效率高、出水水質(zhì)好；工藝設(shè)備緊湊、占地面積?。灰子趯?shí)現(xiàn)自動化控制、運(yùn)行管理簡便。MBR可以通過膜的截留作用，使硝化菌長期停留在好氧池內(nèi)，在不增加池容的前提下延長了污泥齡，滿足了硝化菌的生長，減少了硝化菌的流失。同時，在MBR中還發(fā)現(xiàn)存在反硝化除磷菌，在脫氮的同時也能有效地去除磷。

3 MBR在國外污水及廢水處理中的應(yīng)用

早在1983年到1987年，在日本已有13家公司使用好氧膜生物反應(yīng)器處理大樓廢水，經(jīng)處理后的水做中水回用，處理水量每天達(dá)50～25m3。歐洲大部分國家，由于國土面積小，地面水體因徑流距離較短而導(dǎo)致自凈能力較差，水生生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，易受污染。MBR處理系統(tǒng)由于占地面積小且出水水質(zhì)好，目前越來越多的國家將其應(yīng)用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。荷蘭在處理能力為240m3/d的MBR中試取得成功以后，正在建造處理能力18000m3/d的MBR污水處理廠，并計(jì)劃從2003年開始投資建設(shè)處理能力為6～24×104m3/d的MBR污水處理廠。

德國已經(jīng)建成5家大規(guī)模使用MBR的污水處理廠，總的處理能力為21000m3/d；另有兩家污水處理廠已在規(guī)劃中，其中一家位于Kaarst的污水處理廠，設(shè)計(jì)服務(wù)人口為8萬人，使用膜面積總計(jì)為88000m2，預(yù)算為4600萬德國馬克，建成后將是世界上最大的MBR污水處理廠。

荷蘭Xflow公司開發(fā)的MBR在生活污水和食品、林業(yè)、造紙等工業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)廢水合計(jì)處理流量為245m3/h，一家規(guī)模最大的生活污水處理廠的處理能力為1100m3/h。

美國和加拿大已有多個投入運(yùn)行的MBR污水處理廠，并取得了良好的運(yùn)行效果。美國已有超過357個城市實(shí)現(xiàn)了污水處理后再利用，其中丹佛市已將處理后的再生水送入自來水管網(wǎng)作為城市管網(wǎng)的補(bǔ)壓用水。

目前日本對于MBR的使用更為普遍，主要是用于小區(qū)污水的處理與回用及工業(yè)（如食品、飲料制造業(yè)等）廢水處理。

4 MBR工藝在我國分散式中水回用系統(tǒng)中的應(yīng)用

近年來，我國MBR工藝技術(shù)研究發(fā)展非常迅速。從1999年至2000年的試驗(yàn)室階段，到2004年至2005年的每天千噸級的規(guī)模應(yīng)用，再到2007年至今每天10萬噸級的規(guī)模工程設(shè)計(jì)，建設(shè)和運(yùn)行。在過去幾年，我國的MBR技術(shù)產(chǎn)業(yè)取得了“井噴”式發(fā)展。隨著膜技術(shù)的成熟和膜的大規(guī)模生產(chǎn)，膜的價格降低和使用壽命延長，膜組件的一次性投資及后期運(yùn)行成本不斷降低，MBR在分散式中水回用系統(tǒng)中應(yīng)用越來越普遍。

4.1 MBR在酒店中水回用設(shè)施的應(yīng)用

大連香格里拉大飯店原有的中水處理設(shè)施采用三級處理方法，處理效率低、占地面積大，沒有實(shí)現(xiàn)完全的自動化，而且其處理能力遠(yuǎn)大于酒店最大回用水量，又無法靈活地調(diào)節(jié)，造成了人力、物力的浪費(fèi)，增加了成本。采用MBR工藝對原有系統(tǒng)進(jìn)行改造。其進(jìn)出水水質(zhì)及處理水量見表如下：

表1 大連香格里拉大飯店中水處理設(shè)施進(jìn)出水水質(zhì)水量

圖2 大連香格里拉大飯店中水處理設(shè)施工藝流程

大連香格里拉大飯店MBR中水回用工程自2001年10月投產(chǎn)以來運(yùn)行性能良好，出水水質(zhì)完全達(dá)到《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ25.1-89），運(yùn)行成本主要構(gòu)成為電費(fèi)0.57元/m3，折舊費(fèi)1.052元/m3消毒劑0.036元/m3，營養(yǎng)劑0.007元/m3，合計(jì)運(yùn)行成本為1.665元/m3。與大連市旅游業(yè)、商業(yè)等場所的自來水費(fèi)為5元/m3的價格相比，顯然采用MBR工藝使中水回用是經(jīng)濟(jì)可行的。

4.2 MBR在超市賣場中水回用

該工程采用MBR膜生物反應(yīng)器為主體的水處理工藝，使賣場污水經(jīng)處理后，用于生活雜用。出水水質(zhì)達(dá)到國家規(guī)定的生活雜用水水質(zhì)要求。中水水源主要來自超市生鮮及生活污水。進(jìn)出水水質(zhì)及設(shè)計(jì)處理量見表如下。

表2 賣場污水處理設(shè)施進(jìn)出水水質(zhì)水量

該工程采用一體化設(shè)備，節(jié)省了占地和安裝時間，將處理工藝的各個單元集成在一個設(shè)備中。其主體工藝流程如下：

圖3 賣場污水處理設(shè)施工藝流程

4.3 MBR在洗浴廢水和雨水中水回用中的應(yīng)用

廣州科學(xué)城A團(tuán)組六棟建筑中水回用工程，采用以處理洗浴洗滌廢水為主、處理少量雨水為輔的MBR處理工藝，調(diào)試運(yùn)行良好，出水各項(xiàng)指標(biāo)極佳，均達(dá)到國家規(guī)定的中水回用標(biāo)準(zhǔn)[5]。該工程設(shè)計(jì)水量為300 m3/d其中每天可以處理的洗浴廢水為250m3/d，雨水量為50m3/d.水力停留時間(HRT)為6h，溶解氧(DO)為2.5mg/L，氣水比30∶1。其主體工藝如圖4所示，處理前后進(jìn)出水水質(zhì)如表3所示。

圖4 廣州科學(xué)城A團(tuán)組六棟建筑中水回用工程工藝流程

表3 廣州科學(xué)城A團(tuán)組六棟建筑中水回用工程進(jìn)出水水質(zhì)水量

4.4 一體化MBR在高校中水回用中的應(yīng)用

華東交通大學(xué)中水回用系統(tǒng)采用4S-MBR一體化處理裝置，通過引入特性菌群，實(shí)現(xiàn)了污泥減量，基本不排有機(jī)污泥；同時強(qiáng)化了系統(tǒng)厭氧氨氧化、反硝化除磷以及氣化除磷等生化降解效果，實(shí)現(xiàn)了一體式連續(xù)脫氮除磷；出水COD、NH3-N、TN、TP穩(wěn)定優(yōu)于《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920-2002）標(biāo)準(zhǔn)；能耗降低50%以上。出水就近用于校園雜用。該系統(tǒng)于2008年投入運(yùn)行，處理水量200m3/d，占地面積小于0.2m2/m3工程投資小于1800元/噸水，噸水運(yùn)行電耗約0.36kW?h/m3，噸水處理成本0.3～0.5元。該處理裝置4S-MBR工藝示意圖見圖 。

圖5 4S-MBR工藝示意圖

污水經(jīng)提升泵提升后進(jìn)入兼氧/好氧區(qū)（主要目的是控制前端硝化反應(yīng)，優(yōu)化后段氨氮及硝酸鹽比例），隨后污水進(jìn)入膜生物反應(yīng)區(qū)，由于膜的截留作用，反應(yīng)區(qū)內(nèi)形成高濃度的活性污泥，主要污染物（有機(jī)負(fù)荷及氨氮）在此區(qū)得到強(qiáng)化降解，出水達(dá)到城市生活回用水標(biāo)準(zhǔn)要求。

目前MBR一體化中水回用裝置已成功應(yīng)用在集裝箱碼頭污水處理與回用、校園污水處理與回用、森林公園污水處理與回用、創(chuàng)業(yè)園區(qū)生活污水處理回用、村莊污水處理回用、高速公路生活污水處理回用等生活污水處理與回用領(lǐng)域。另外，將MBR工藝與反滲透等深度處理工藝相結(jié)合，更可滿足各種不同工業(yè)回用水的水質(zhì)要求，在電子電鍍、皮革、印染、制藥、煙草等多個工業(yè)廢水處理與回用領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)論

分散式污水處理及回用技術(shù)正向著一體化、自動化和靈活化的方向發(fā)展。MBR工藝具有處理效率高、出水水質(zhì)好；污泥濃度高，脫氮除磷效果好；工藝設(shè)備緊湊、占地面積小；易于實(shí)現(xiàn)自動化控制、運(yùn)行管理簡便等特點(diǎn)。隨著膜技術(shù)的成熟和膜的大規(guī)模生產(chǎn)，膜的價格降低和使用壽命延長，膜組件的一次性投資及后期運(yùn)行成本不斷降低，MBR在分散式中水回用系統(tǒng)中應(yīng)用將越來越普遍。