膜生物反應器的研究進展

蔡琳暉 鄒 麗

（1中國城市建設研究院有限公司山東分院山東濟南2501012山東華城城建設計工程有限公司山東濟南250101）

膜生物反應器的研究進展

蔡琳暉1鄒 麗2

（1中國城市建設研究院有限公司山東分院山東濟南2501012山東華城城建設計工程有限公司山東濟南250101）

膜生物反應器是一種新型的污水處理方法，在近些年來得到了迅速的發展。在水處理方面也得到了廣泛的應用，尤其是在中小型的污水處理系統中，但是其還存在很多問題需要解決。本文討論了膜生物反應器的工藝特點、反應器類型以及影響因素等，并且對其今后的發展方向進行了深入的分析。

膜生物反應器，研究，污水處理

1 引言

隨著工業的快速發展、城鎮化的加速，帶來了大量的環境問題。尤為突出的是大量污水的肆意排放，引起了水資源的嚴重缺乏。因此，使水污染控制技術成為環境保護發展的重要方向。而膜生物反應器的特點使得其得到了更快的發展。膜生物反應器是生物反應器與膜分離技術的一個新型的結合，在運行過程中能耗低、處理效率高、操作簡單，而且相比傳統的污水處理技術，耐沖擊負荷、結構簡單、對氨氮的處理效率高、出水中懸浮物低。膜生物反應器最早應用于發酵工業中，隨著對膜生物反應器的深入研究，逐漸擴大了處理的范圍。在實際應用中對中小型的污水處理廠、生活污水、食品廢水等有著明顯的效果[1]。

2 MBR的工藝特點

膜生物反應器是一種充分利用空間以及微生物降解能力的新型污水處理技術，是膜分離技術與生物反應器重要結合方式，使其在水處理方面得到了發揮了自己獨特的優勢，同時它也有一些問題存在，其主要的工藝特點為[2]：

（1）膜生物反應器的結構形式可以使污水進行充分的固液分離，而其效果相比傳統的沉淀池要更佳。研究表明，其出水的懸浮物的濁度接近于零，可作為景觀用水等直接利用，降低了污水的處理成本，對現實污水資源化有著重要的意義。

（2）膜生物反應器利用膜的高效截留作用，能夠使污水中的微生物可以最大化的保留在反應器中，保持了反應器中的生物量，而且實現了HRT和SRT的完全分離，使得反應器的運行更加穩定、簡易。

（3）膜生物反應器中保證了高的生物濃度，使其更能承受污水負荷的改變。

（4）膜生物反應器的污泥停留時間相比一般的污水處理工藝更長，一般在15～45天，因此該系統中微生物的硝化作用更強。由于增加了污泥齡的時間，使得反應器中提高了繁殖緩慢、分解難降解有機物的微生物數量。

（5）膜生物反應器的結構簡易、占地面積小，充分利用的反應器的空間，使得處理系統中設備更集中，整體更容易操作運行，現實自動化控制。

（6）膜生物反應器在運行中最大的確定就是有膜污染的問題，是限制該工藝發展的關鍵因素，亟待解決。

3 膜生物反應器的影響因素

3.1 混合液懸浮濃度

膜生物反應器的優勢之一就是取代了傳統活性污泥處理工藝中的二沉池，能夠將活性污泥完全截留到反應器中，可以使膜生物反應器在高MLSS條件下運行。研究表明：在不排泥的條件下，反應器污泥濃度可達40g/L～50g/L，能夠進行穩定的運行；而當污泥濃度大于40g/L時膜的通量就會下降。還有研究發現，由于高的污泥濃度會影響氧氣的傳質效率，要改善處理系統中的氧濃度，會導致運行過程中增加能耗；此外，在處理難降解有機物或有毒有害物質時，會在膜生物反應器中積累，產時間下回影響反應器的處理效果[3]。

3.2 污泥停留時間和水力停留時間

膜生物反應器的另一個特點就是能夠控制水力停留時間以及污泥停留時間，使得工藝操作更為靈活。研究表明：污泥停留時間為10、20、30天的條件下，反應器中污泥產量和COD去除率隨著污泥停留時間的延長而逐漸提高。同時太長的污泥停留時間對于微生物的生長不利，到了一定的程度會導致反應器中營養匱乏，進而導致大量的微生物死亡，增加了出水中的COD濃度，同時也降低了氨氮的去除率[4]。

3.3 溶解氧

在好氧膜生物反應器中，必須保證反應器中充足的溶解氧濃度。在對其的研究中發現，對于毛紡廠的污水，反應器中的溶解氧濃度是一個非常關鍵的因素，當溶解氧濃度為1mg/L時可以實現完全的硝化[5]。是由于膜生物反應器較長的SRT，使得F/M值較低，在反應器內部形成的絮凝體有利于硝化菌的生長與繁殖，加強了氨氮的去除效果。隨著對膜生物反應器的改善，為了提高好氧膜生物反應器中氧氣的濃度，出現了無泡充氧方式，進而改善了膜生物反應器氧的利用效率，降低了能耗。

3.4 COD負荷

膜生物反應器作為新型的水處理工藝，出水水質穩定，而且耐COD沖擊負荷強。大量的研究已經證實這一特點，在處理水質波動較大的啤酒廠廢水時，在較高的COD負荷以及強度下，膜生物反應器的出水水質可保證在95%以上[6]。在處理生活污水時，污水中COD濃度高于正常值3倍以上，仍可以保證正常的運行，系統表現出良好的抗沖擊力負荷能力。

3.5 膜污染

雖然膜生物反應器在處理污水中有著很多優勢，但其存在一個非常嚴重的缺點，就是膜組件容易收到微生物以及其他污水中的物質污染，進而導致出水效果下降。膜污染是指膜孔、膜表面上被各種污染物積累進而導致膜通量下降的現象。目前膜污染的控制已經是蓋工藝中不可避免的難題，是限制膜生物反應器的主要因素，膜污染的加重會逐漸影響系統的運行、膜組件的壽命，此外還會增加運行的能耗。目前的研究中解決膜污染的方法主要有物理、化學方法來進行消除[7]。

4 新型膜生物反應器

4.1 萃取膜生物反應器

圖1 萃取膜生物反應器

萃取膜生物反應器是一種新型的膜生物反應，它是利用膜的接觸作用和萃取技術的結合來去除污染物質。圖1為萃取膜生物反應器的結構示意圖，其在運行過程中先將廢水中的污染物質萃取出來，然后在微生物反應器中進出去除，在運行過程中反應器的膜兩次出現了濃度差，進而使得污染物自行的向微生物處理方向移動。該反應器對于處理含有揮發有機物、重金屬以及有毒有害的污水具有良好的效果。

4.2 滲透膜生物反應器

滲透膜生物反應器是利用滲透汽化膜與生物反應器相結合的工藝技術，其結構如圖2，是利用具有滲透作用的膜在膜兩側形成濃度差，以此作為驅動力，在反應器運行時含有污染物的廢水不斷的從膜的一側進入到生物反應器中，然后進一步的進行分解污染物。該反應器在處理含有揮發性物質的廢水效果最佳[8]。

圖2 滲透膜生物反應器

4.3 膜-酶生物反應器

膜-酶生物反應器是把膜的分離技術與酶具有催化性、專一性等結合起來的生物反應器[9]，其結構如圖3。該反應器既具有膜的分離技術，同時也發揮了酶降解的高效性。在反應器運行時膜組件的狀態以及酶的性質對于系統處理的效果起到了關鍵的作用。研究表明：在處理高鹽度、難降解物質等有機廢水中其具有更突出的優勢。

圖3 膜-酶生物反應器

4.4 無泡曝氣膜生物反應器

圖4 無泡膜生物反應器

無泡曝氣膜生物反應器改善了膜生物反應器的曝氣方式，提高了曝氣效率，提高了膜生物反應器的能量利用效率。其膜組件采用了透氣性致密膜或者是具有疏水性的微孔膜，相比之前的曝氣方式具有了更大的比表面積和氧傳遞面積，遠遠提高了曝氣效率，其結構原理圖見圖4[10]。在大量的研究中表明：無泡曝氣膜生物反應器的特點更適合于處理含有揮發性有機物、表面活性劑的污水。原因是在反應器運行時并無氣泡產生，降低了揮發有機物產生的污染。

5 結語

隨著工業的快速發展，污水的處理壓力越來越大，不僅處理水量會不斷增加，而且處理的水質也更為復雜。水資源的匱乏對污水的處理效果也更為嚴格，使得膜生物反應器得到了更好的發展，在目前的研究中膜生物反應器還存在很多解決的問題，膜材料的質量較差，使用壽命短、強度低、抗污染性能差；膜組件的結構、安裝方式等需優化設計，使其更適合各種形式的反應器結構，其生產需要規模化，要適應更大水量的處理；膜生物反應器的整體結構形式還需進一步優化，提高處理能力，降低能耗；膜污染是制約膜生物反應器發展的重要障礙，對膜污染進行控制是膜生物反應器的巨大推動力。

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蔡琳暉（1979—），女，漢，碩士研究生，職稱：中級工程師，主要從事工作：給排水工程設計。