膜生物反應器在環境工程中的應用與發展

膜生物反應器(MBR)是以酶、微生物或動、植物細胞為催化劑，進行化學反應或生物轉化，同時憑借超濾分離膜不斷地分離出反應產物并截留催化劑而進行反應的裝置，是由傳統活性污泥工藝與膜分離技術結合的一種新型工藝。它zui早使用于生物化工行業中的連續發酵工藝。自從美國的Smith于1969 年創造性地把MBR 引進廢水處理行業以來，世界上出現

了各種各樣的MBR 法用在城市生活污水和可生物處理的工業廢水處理工藝中。膜生物反應器的研究和開發日益發展，為水處理技術開辟了一條新的思路，近十多年來，已經在水處理

中得到了較廣泛的應用。

1、膜生物反應器(MBR)工藝簡述

膜生物反應器工藝(MBR 工藝)是現代膜分離技術與生物技術有機結合的一種新型廢水生物處理技術，是目前在高濃度有機污水處理、中水回用處理等領域zui有前途的污水生物處理技術之一。它利用膜分離裝置將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物質有效截留，替代二沉池，大大提高了生物反應器的處理效率。其典型工藝流程如圖1 所示。

圖 1 MBR 工藝流程圖

MBR 工藝參考出水水質如表1 所示。

表1 MBR 工藝參考出水水質表

MBR 處理工藝與傳統廢水生物處理工藝相比有以下幾個優點：

(1)MBR 工藝通過采用膜分離技術能截留污水中大部分的懸浮粒子和高分子有機物質，可使生物處理單元內的微生物量維持在較高濃度，使容積負荷大大提高，因此可以zui大限度

地將活性污泥截留在生物反應器內。傳統活性污泥法的MLSSzui高在5g/L左右，而MBR系統的MLSSzui高可達到20g/L左右，從而可以帶來比傳統法更高的有機物去除率。

(2)強化生化處理效果，使處理出水水質清澈優良，達到生活雜用水質標準。

(3)傳統法污泥濃度低，污泥產量高，剩余污泥的處置費用占到廢水處理總成本的50%左右。MBR系統在低F/M條件下運行，污泥產率遠低于傳統法，從而使剩余污泥的處置費用大幅度降低，進而降低廢水的整體處理成本。

(4)污泥停留時間的大幅度延長?？墒瓜趸皝喯趸仁来鷷r間較長的微生物有效地保留在生物反應器內。從而使MBR系統具有比傳統法更好的脫氮除磷能力。

(5)膜分離的性使處理單元水力停留時間大大縮短，減少了生物反應器的占地面積。且因無需設置二次沉淀池，MBR系統的占地面積較之傳統法大大縮小，在一些土地使用緊張的

地區建設可行性高。

2、膜生物反應器應用中存在的問題及研究進展

膜生物法是一個頗具發展前景的污水處理技術，但至今在我國沒有被大規模運用，主要原因在于與傳統法相比，膜污染一直是MBR系統中一個難以克服的問題。它使膜的阻力增加，透水率逐漸下降，造成膜組件的頻繁更換，嚴重影響了MBR系統的處理效果，導致MBR系統運行及管理費用相對較高。

近年來，國內外學者為克服限制MBR應用的障礙對膜污染機理進行了大量的研究。經過研究認為生物細胞產生的胞外聚合物(EPS)對污泥粘滯度和膜過濾阻力有重要影響，并由此進行了動力學分析，計算出EPS的數量級，建立了膜污染的數學模型。通過研究各種不同的反應器對膜污染機理做了探討。研究了污泥特性對膜污染的作用機理。當前，對膜污染問題已經形成了相對一致的看法，一般根據膜組件受污染的性質不同，將膜污染分為膜的污染和劣化兩種。

2.1 膜生物反應器的膜污染問題

膜的污染是指由于在膜表面上形成了附著層或膜孔堵塞等外部因素導致了膜性能變化，由于膜表面形成了附著層而引起的膜污染被稱之為濃差極化。

在液體膜分離過程中，由于到達膜表面的溶質受到膜的截留而不斷積累，使得膜表面溶質濃度逐步高于料液主體溶質濃度。由于膜表面溶質濃度與料液主體溶質濃度之差產生了從膜

表面向料液主體的溶質擴散傳遞。當溶質的這種擴散傳遞通量與隨著透過膜的溶劑(水)到達膜表面的溶質主體流動通量*相等時，上述過程達到不隨時間而變化的定常狀態。當溶質是水溶性的大分子時，由于其擴散系數很小造成從膜表面向料液主體的擴散通量很小，因此膜表面的溶質濃度顯著增高形成不可流動的凝膠層。當溶質是難溶性物質時，膜表面的溶質濃度迅速增高并超過其溶解度從而在膜表面上產生結垢層。此外，膜表面的附著層可能是水溶性高分子的吸附層和料液中懸浮物在膜表面上堆積起來的濾餅層。

造成膜污染的另一個重要原因是膜孔堵塞。懸浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空間位阻，水溶性大分子在膜孔中的表面吸附、以及難溶性物質在膜孔中的析出都可能產生膜孔堵塞。

根據造成膜污染的發生原因可采用相應對策使膜性能得以恢復，一般通過改善膜面附近料液側的流體力學條件或開發新型膜清洗技術等方法。膜的清洗主要分為物理清洗、化學清洗和生物清洗三種方法。物理清洗是利用高流速的水或空氣和水的混合流體沖洗膜表面?；瘜W清洗是在水流中加入某種合適的化學藥劑，連續循環清洗。物理和化學清洗是目前應用得較多的清洗手段，國內也做了大量的研究工作。付婉霞等人通過對膜生物反應器處理盥洗廢水時，水力清洗、酸洗、堿洗等不同組合形式對膜的清洗效果進行研究，認為水力清洗可以較*地去除運行初期的膜表面沉積物，但隨運行時間的延長，水力清洗的效果變差，膜通量恢復率降低。酸洗和堿洗的順序應依據處理廢水的性質做相應調整。研究認為清洗時采用高膜面流速、低操作壓力和限制透過液對流傳遞作用有利于錯流膜生物反應器通量的恢復。發現氣體噴射技術是控制浸沒式膜生物反應器膜污染的一種較好的方法,也對化學清洗進行了研究。生物清洗是借助微生物、酶等生物活性劑的生物活動去除膜表面及膜內部的污染物。生物清洗目前在我國還鮮有應用，仍然處于研發階段，在國外該項技術相對成熟。除了上述幾種傳統方法外，近年來文獻上也相繼報道了部分新穎的膜清洗方法，如超聲波清洗法、脈沖電場膜清洗法等。

2.2 膜生物反應器的膜劣化問題

膜的劣化是指膜自身發生了不可逆轉的變化等內部因素導致了膜性能變化。導致膜的劣化的原因可分為化學、物理及生物等三個方面?；瘜W性劣化是指由于膜材質的水解或氧化反應

等化學因素造成的劣化，而物理性劣化則是指膜結構在很高的壓力下導致膜結構的致密化或因其置于干燥狀態下發生不可逆轉性變形等物理因素造成的劣化。生物性劣化通常是由于處理料液中的微生物的存在導致膜材料發生生物降解反應等生物因素造成的劣化。

膜材料及其制備是膜過程的技術核心，膜材料的化學性質和結構不僅對膜分離的性質起決定性的影響，并且不同的膜材料可以有不同的耐污染性能，通過對抗劣化材料的研發對改善

膜的劣化問題有著重要意義。膜的性質對膜污染的影響，認為膜的性質，包括膜材質、膜孔徑大小、孔隙率、親/疏水性、電荷性質和粗糙度等對膜劣化有重要影響。這樣，我們認為通過人工合成新的膜材料或對現有材料進行改性，并在此基礎上研究成膜規律，就為防治或減輕膜劣化提供了可能，事實上，通過這種方法已經取得了一定的進展。通過對聚丙烯進行接枝聚合改性減少了膜污染，通過兩種聚合物共混的方法研制了抗污染的超濾中空纖維膜。除了在抗污染方面對膜分離材料進行開發以外，針對當前膜材料普遍水通量低、價格昂貴等缺陷，國內外諸多研究人員在此投入了大量的精力，已經研制成功了數百種適合各種用途的分離膜材料，取得了重要進展。

顯而易見，膜的劣化與膜材料和料液性質密切相關，通過新型耐污染膜材料的研發對解決膜劣化問題將起到決定性的作用。

3、結語

膜生物反應器具有-定的特色，已經在國內外得到了逐步推廣使用。目前膜材料的價格偏高，需要頻繁更換，導致一次性投資較大，且運行費用也較高，限制了其在廢水處理中的推廣。從以上論述我們可以看到，目前解決的主要方法是防止膜劣化和對膜污染進行后處理。因為膜污染是一個不可逆的過程，所以后處理過程只能是作為膜污染后的修補手段，況且清洗設備需要不定期的停產，也導致成本增加、膜壽命減少；而前一種方法，研制、開發具有更好耐污染性的膜則是解決膜污染問題的根本途徑。