膜生物反應器工藝的優點及膜組件設計

鐘 毓

(廣東省環境保護工程研究設計院，廣州 510630)

膜生物反應器工藝的優點及膜組件設計

鐘 毓

(廣東省環境保護工程研究設計院，廣州 510630)

對比傳統活性污泥法與膜生物反應器MBR的工藝原理，簡要闡述了膜生物反應器工藝的優點。對工藝中的設計依據、構型、膜組件和有機負荷、固體停留時間、水力停留時間等生物反應器的技術參數進行了探討，為膜生物反應器中試設計提供了借鑒。

膜生物反應器;活性污泥法;停留時間;污泥

1 引言

目前，污水處理中常見的生化法有傳統活性污泥法或改進型的活性污泥法，如SBR、氧化溝等工藝，但無論是傳統活性污泥法還是改進型的活性污泥法，都存在污泥和微生物會隨排水流失的問題。盡管泥水分離在二沉池中依靠重力沉降作用完成，但是其分離效率完全依賴于活性污泥的沉降特性。污泥的沉降特性除了與水質有關外，還取決于曝氣池的運行狀況，所以要改善污泥的沉降特性，必須嚴格控制曝氣池的操作條件，特別是要防止絲狀菌增殖引起污泥沉降性變差等現象發生。另一方面，由于經濟因素的制約，二沉池的容積不可能很大，所以污泥濃度不會很高，一般在4～6g/L，因而也限制了系統中污染物的去除率。

膜生物反應器（MBR）以膜單元（超濾膜或微濾膜）取代二沉池，所有的懸浮物和膠體都被膜分離截留，污泥的沉降特性不會影響到出水水質。另一方面，膜分離單元增加了曝氣池中活性污泥的濃度，提高了生物降解的速率，同時也降低了比負荷率（進水污染物負荷/生物量，即F/M比值），并減少了剩余污泥的產生量。膜生物反應器工藝利用膜分離的截留作用，基本上可解決傳統活性污泥法存在的問題。

2 膜生物反應器工藝的優點

（1）設備緊湊，占地少，基本解決了污泥的膨脹問題；膜生物反應器的污泥濃度、容積負荷都遠高于傳統活性污泥法，所以膜生物反應器和處理系統所占的體積要小于傳統活性污泥法。傳統活性污泥法的F/M值在0.05～1.5kgBOD/kgMLSS·d之間，而通常膜生物反應器的F/M值小于0.2kgBOD/kgMLSS·d。膜生物反應器系統在這樣低的F/M值下運行，是因為泥齡相當長，MLSS可高達20g/L。在膜生物反應器工藝中，由于膜為固液分離提供了絕對的保證，排水的質量與生物絮體的沉降性沒有關聯，所以，膜生物反應器工藝基本上解決了活性污泥法的污泥膨脹問題。

（2）出水水質好，可直接回用。由于膜的高效截留，出水中懸浮固體的濃度基本為零；對游離菌體和一些難降解的大分子顆粒狀物質有截留作用，生物反應器內生物相豐富，如代謝時間較長的硝化菌得以富集，原生動物和后生動物也能生長；膜出水不受生物反應器中污泥膨脹等因素的影響，因此MBR的出水質量高，可滿足回用水水質的要求，出水中SS低于檢測限，有毒的微污染物（如殺蟲劑、多環芳烴等）幾乎全部被吸附在污泥上，因此可與SS同時被去除。

（3）生物處理單元中污泥濃度高、泥齡長，對有機物的去除率高。

（4）對于氮、磷污染物有較高的去除率。膜生物反應器工藝對氮和磷等營養物的去除效率亦優于傳統工藝，膜生物反應器工藝出水的氨態氮（NH4+-N）的含量相當低，絕大多數膜生物反應器系統都可以實現幾乎完全的硝化反應。

（5）污泥產量少。對于傳統的活性污泥法，過長的污泥齡將會導致出水中懸浮固體的增加。而MBR中由于膜的截留作用，長污泥齡運行并不影響出水水質。剩余污泥量的減少，可以降低污泥處理費用，簡化污水處理工藝操作，特別是對于小型污水處理廠和分散的污水處理設施，其優越性更為突出，可大大降低對剩余污泥處置的費用。但MBR污泥的絮體較小且粘度較高。

另外，膜生物反應器還具有操作簡便、可自控、易于實現自動控制運行、無需專業人員操作、管理簡單等優點。

3 膜生物反應器設計參數

3.1 有機負荷

生物反應器中污泥的有機負荷和污泥濃度MLSS的設計若大一些，生物反應器的容積就可以小一些，同時這兩個參數數值的大小也會影響處理效果。就活性污泥法而言，一般不采用高負荷而采用常負荷，即污泥負荷一般 ＜0.15kgBOD/kgMLSS?d，如果要求氮素轉入硝化階段，一般采用0.13kgBOD/kgMLSS?d，MBR的有機負荷一般 ＜0.11kgBOD/kgMLSS?d，與活性污泥法相當， 而MBR的體積負荷比活性污泥法高數倍，達數kgCOD/m3?d。但由于MBR可完全實現泥水分離 ，從而保證了優良的出水水質和較高的污泥濃度。反應器中較高的污泥濃度，又使得MBR中的負荷率或F/M較低。較低的F/M可以減少剩余污泥， 但同時延長了污泥齡。較長的污泥齡有利于世代期較長的硝化細菌的生長，但過長的污泥齡會使反應器中產生溶解性微生物產物。若MBR中積累了一定量的溶解性微生物產物（SMP），不但會加速膜污染，還會導致出水水質變差。低F/M值還會使MBR污泥中產生胞外聚合物，使混合液的粘度升高，膜過濾阻力變大。

3.2 水力停留時間（HRT）

由于MBR系統可實現HRT和SRT的單獨控制，當選定膜組件后，HRT也就決定了生物反應器容積的大小和MBR的產水量。過長的HRT將直接增大生物反應器的容積，過短的HRT將會導致系統內溶解性有機物SMP的積累，進而引起膜通量的下降。所以，考慮到MBR系統要獲得硝化處理效果，同時，生物反應器不可能設計得很大，為充分利用設備的充氧能力，HRT值可設計得長一些，以盡量維持系統內溶解性有機物的平衡，設計時可考慮曝氣池容積有一定的調節容量。這樣，可降低剩余活性污泥量，系統更能適應沖擊負荷。

3.3 固體停留時間（SRT）

選取一定的有機負荷和污泥濃度MLSS后，就相應地決定了SRT值，所以污泥濃度與SRT存在著內在的聯系。膜分離延長了生物反應器的SRT，降低了污泥產率，提高了容積硝化及有機物去除能力。但由于膜的機械截留作用很強，隨著SRT的延長，其出水水質存在波動但變化不大。SRT愈長，微生物被循環次數愈多，失活的可能性就愈大，使MLVSS/MLSS比下降，為提高污泥活性，需定期適量排泥，以減輕膜負荷。當然，SRT值的大小對MBR的處理行為以及生物反應器內微生物的特征都會產生影響，仍需要繼續加以試驗研究。

MBR池建議設計成兩格（見下圖），有利于廢水被均勻地抽吸出去，使廢水在MBR池內不出現短路現象。

MBR池示意圖

MBR池內固定膜片的支架稱為膜架，膜架一般采用鋼防腐或不銹鋼結構。為了使膜片在生化池內有比較好的水流效果，建議按下述尺寸設計膜架的位置：膜架與生化池壁距≥400mm；膜架與膜架間距≥200mm。

4 結語

膜生物反應器的設計與工藝參數的確定，直接關系到MBR運行及處理效果。在設計時，要綜合考慮，兼顧進出水水質要求和系統造價、運行能耗等各方面因素，同時要有利于減輕膜污染，保持系統能較長時間的可靠穩定運行。所以，對MBR系統進行整體優化設計是非常重要的。

盡管膜生物反應器具有許多優點，但是目前仍然有限制該技術廣泛應用的因素，即膜的價格和膜更換費用較高。因此，膜生物反應器工藝要得到進一步發展，就需要降低膜組件的價格和減少運行成本，其中，最主要的是減少建造和運行過程中與膜相關的費用。

Advantage of Membrane Bioreactor Technology and Design of Membrane Assembly

ZHONG Yu

（略）

X703

A

1006-5377（2010）09-0050-02