膜生物反應器概述

金凱　劉靚　周安興

摘 要：膜生物反應器通過膜強化生化反應的污水處理新技術。介紹了膜生物反應器的技術原理、研究現狀，指出MBR工藝具有污染物去除效果好，污泥產率低的優點，分析了影響MBR處理效果的因素，并提出對MBR的技術展望。

關鍵詞：膜生物反應器 研究現狀 優勢 展望

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0129-02

隨著經濟的發展和人口的增長，水資源面臨的嚴重挑戰。為解決水資源短缺等問題，將污水再生利用已成為人類解決水資源短缺的重要手段之一。從而減少污水對生態環境的污染，降低新鮮水的使用量，減輕供水與用水之間的矛盾，對工農業來說提供了新水源。因此，從節約用水角度上看，污水的再次利用的觀點已得到廣泛認可與支持[1]。膜生物反應器（MBR）的提出對污水處理技術來說，又是一次創新性挑戰。

膜生物反應器主要由膜組件及生物反應器組成。膜生物反應器包括：固液分離型膜生物反應器、萃取膜生物反應器、曝氣膜生物反應器。其中在水處理中應用最為廣泛的是固液分離型膜生物反應器，另外兩類處于研究階段。膜生物反應器將生物降解作用與膜分離技術集于一體，以膜過濾替代活性污泥法中的沉淀池實現泥水分離。

1 研究現狀

目前，國內對MBR的研究主要集中在以下幾個方面：（1）膜分離與不同處理工藝的組合，處理工藝包括：活性污泥法、生物膜法、活性污泥與生物膜的復合式工藝、接觸氧化法、兩相厭氧工藝等；（2）膜污染的影響因素及機理，探索最佳工藝參數，減少膜污染，提高處理能力及穩定運行；（3）研究對象由生活污水發展到高濃度廢水，同時對揮發性有機物進行動力學研究。

目前，MBR在歐洲、美國、日本、中國等[2]國家運行較多，經過幾十年的研究，MBR技術已成熟發展，廣泛應用于市政污水、工業廢水、垃圾滲濾液等污水領域。據統計，MBR市場規模在過去5年里增長1倍，2005年市場銷售額為2.17億美元。2010年，市場規模達3.6億美元。MBR市場發展速度快于污水深度處理設備，也快于其它形式的膜法水處理系統。

2 MBR的特點

2.1 污染物去除

MBR與傳統工藝相比，MBR出水水質優于傳統生物處理工藝。MBR處理后的生活污水COD、BOD、濁度較低，大部分病毒、細菌被截留，出水可直接用于消防、綠化等。同時，膜的截留作用防止了硝化細菌的流失，保持反應器內高濃度硝化細菌的有利條件，提高硝化作用。張軍[3]等人對MBR的研究表明，MBR對氮的去除效果為97%，但MBR對氮的去除易受溫度、沖擊負荷、HRT等因素的影響。在工業廢水處理中的研究表明，MBR對難降解有機物、高濃度有機物，氨氮、濁度都能達到良好效果[4]。

2.2 污泥產率低

膜生物反應器因將污泥完全截留于反應器內，理論上實現不排泥操作-污泥零排放。Chaize和HLyard在利用膜生物反應器處理生活污水的小試中，研究了污泥齡對MBR的污泥產率的影響，研究表明污泥齡分別為50 d、100 d時，污泥齡越大污泥的產量越低，這主要是因為F/M的比例較低與較長污泥齡所導致的[5]。MLller等人在利用MBR處理生活污水的中試發現，在高污泥濃度（MLSS=40-50 g/L）及污泥齡=∞時，MBR幾乎不產生泥，污泥全部被截留。在SRT為5-80 d的情況下，桂萍等[7]人研究一體式MBR處理生活污水時發現，膜生物反應器的產率系數Y與衰減系數b值隨SRT的增大而減小。在SRT=280 d時，劉銳等人[7]得出這樣的結論：表觀產率系數Y隨運行時間的延長呈降低趨勢，Y由反應器初期的0.248 kgVSS/kgCOD降低為0.083 kgVSS/kgCOD。在兩段式膜生物反應器中，張紹園等[8]人應用食物鏈中能量遞減的原理，引入后生動物-蠕蟲，研究發現在有蠕蟲的情況下，膜生物反應器其污泥產率遠遠低于一般活性污泥法的污泥產率率；隨著蠕蟲的濃度增加污泥產率越低，當蠕蟲在100個/mL以上時，反應器內的污泥產率為0.1 kgSS/kgCOD僅為活性污泥法污泥產率的1/4。如維持蠕蟲在系統內的最佳數量，使污泥產率趨向于零，達到污泥零排放的目的。

3 影響因素

3.1 有機負荷

在好氧膜生物反應器內，污泥濃度隨污染物容積負荷的上升迅速增加，同時COD去除效率也加快，但污泥的負荷基本維持不變，保證了出水水質保持不變；但在厭氧膜生物反應器中，污泥濃度隨污染物容積負荷的上升緩慢增加，故厭氧膜生物反應器出水水質受污泥容積負荷的影響[9]。在膜生物反應器內沖擊負荷對有機物的去除效率影響不明顯，但NH3–N的去除效果受沖擊負荷的影響較為明顯，去除效果與污染物沖擊負荷呈正比，這主要是因為膜對NH3-N沒有的攔截作用，故膜生物反應器對NH3-N的去除效果易受沖擊負荷的影響。

3.2 污泥濃度

在膜生物反應器中污泥濃度是一個重要的影響因素，污泥濃度不僅會對污染物的去除效果產生影響，還影響膜通量。膜通量受污泥濃度影響的程度還與水力學條件、膜面循環流速、曝氣強度等密切相關。在對膜生物反應器的膜污染速度與和膜通量、曝氣量、污泥濃度的研究中，桂萍等[6]人發現，在不同污泥濃度的膜生物反應器中均存在一個臨界膜通量，當膜通量大于臨界膜通量時，懸浮污泥的沉淀是導致膜污染主要原因；當通量小于臨界膜通量，溶解性有機物的沉淀是導致膜污染主要原因。在不同污泥濃度情況下，曝氣量對膜污染的影響是不同的，當污泥濃度較低時，曝氣量對膜污染未產生影響；當污泥濃度較高時，曝氣量越大膜污染的速度越緩慢。

4 膜污染

膜污染是指膜的分離特性發生改變的現象。在膜生物反應器中存在大分子物質、顆粒膠體、物料顆粒與膜之間存在機械或化學、物理的作用，導致膜孔及膜的表面積縮小或堵塞。一般膜污染的主要原因是膜的堵塞，造成膜的堵塞一是吸附引起的不可逆堵塞，二是濃差極化引起的凝膠層。endprint

膜污染與濃差極化存在著密切關系，大部分膜污染的主要根源是濃差極化引起。膜生物反應器內的膜表面溶質濃度升高其原因就是濃差極化，濃差極化導致滲透壓增大，減小傳質動力，導致膜表面溶質濃度升高，當膜表面的溶質達到一定濃度時，膜可能發生溶脹或溶解惡化，膜的性能膜表面的凝膠層或沉積層會改變膜的分離特性；甚至出現結晶，阻塞通道，使運行惡化。顆粒物質小于膜孔徑時，主要通過沉淀、結晶、濃縮或濃差極化導致溶質在膜表面超過其溶解度生膜發生堵塞，膜的透過量及奮力特性發生改變，導致膜污染。

膜生物生物反應器在污水領域的應用范圍及規模不斷發展，主要是因為膜生物反應器具有占地面積少、反應器內生物量大、污泥量低、泥水分離效果好、出水水質好等優點。但其應用范圍較有限，主要是因為膜污染、高能耗、膜價格的制約，其中膜污染是影響膜生物反應器大力發展的主要因素，故解決膜生物反應器膜污染的問題使膜生物反應器的主要研究內之一。

5 結語

膜生物反應器作為一種新型污水處理技術，具有獨特的優勢，其可截留大部分污泥，因此反應器內生物量與容積負荷較高；同時可通過吸附等作用消除有毒物質減少讀微生物的毒害及抑制，為微生物生長提供適宜場所；有利于世代周期較長的微生物生長，提高系統的脫氮效果。隨著水污染的日益增加，膜生物反應器具有較好的市場。但膜生物反應器的膜污染、高能耗、膜價格等問題是抑制其發展的主要因素，因此，在污水中的廣泛應用還有一定距離。盡快將膜生物反應器廣泛應用，在以下幾個方面還需要進一步研究：（1）開發價格低廉、透水量大、耐受壓、耐酸堿腐蝕、化學性質穩定的高性能膜材料。（2）研究膜污染的成因，并尋求解決方法。（3）發展新膜生物反應器，降低動力能耗。

參考文獻

[1] 王學松.現代膜技術及其應用指南[M].北京：化學工業出版社，2005：409-412.

[2] 馮文婕，蔡邦肖.膜生物反應器技術與市場的發展[J].水工業市場，2008（1）：23-28.

[3] 張軍，王寶貞.復合淹沒式膜生物反應器處理生活污水的特性研究[J].中國給水排水，1999，15（9）：13-16.

[4] 吳志超.膜生物工藝和活性污泥法處理巴西基酸生產廢水的對比試驗研究[J].中國給水排水，2000，16（3）：57-60.

[5] Chaize S，A～uyard.Membrane bioreactor on domestic wastewater treatment sludge production and modelling approach[J].watSci Tech，1991（23）：1591-1600.

[6] 桂萍.一體式膜生物反應器污水處理特性及膜污染機理研究[D].北京：清華大學，1999.

[7] 劉銳.一體式膜生物反應器的微生物代謝特性及膜污染控制[D].北京清華大學，2000.

[8] 張紹園.膜分離與生物降解組合工藝處理受污染水研究[D].北京：中國科學院生態環境研究中心，2000.

[9] 孟耀斌.分置式膜"生物反應器處理生活污水的抗沖擊負荷能力[J].環境科學，2000，21（5）：22-26.endprint