膜生物反應器處理廢水技術研究

目前，傳統的活性污泥工藝( Conventional ActivatedSludge，CAS) 廣泛地應用于各種污水處理中，但采用重力式沉淀方式作為固－ 液分離手段帶來了很多方面的問題，如固－ 液分離效率不高、處理裝置容積負荷低、占地面積大、出水水質不穩定、傳氧效率低、能耗高以及剩余污泥產量大等。因此，傳統生物處理工藝處理后的水難以滿足越來越嚴格的污水排放標準，同時，經濟的發展所帶來的水資源的日益短缺也迫切要求開發合適的污水資源化技術，以緩解水資源的供需矛盾。
在上述背景下，一種新型的水處理技術——膜生物反應器( Membrane Bioreactor，MBR) 應運而生，膜生物反應器處理污水具有出水水質優異，操作運行簡單，污泥產率低，占地面積小等特點。
隨著膜分離技術和產品的不斷開發，MBR 也更具有實用價值，近年來許多國家都投入了大量資金用于開發此項技術。
1、膜生物反應器及其廢水處理特點
1．1膜生物反應器特點
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，同時憑借生物膜不斷的分離出反應產物并截留催化劑而進行連續反應的裝置。
MBR 有各種不同的類型，根據膜組件在MBR 中的作用，可將MBR 分為分離MBR、無泡曝氣MBR 和萃取MBR 3 種。而分離MBR 根據膜組件與生物反應器的相互位置又分為分置式MBR( 見圖1) 和一體式MBR( 見圖2) 。分置式MBR 的膜組件與生物反應器通過泵與管線連接。特點是: 相互干擾小，易于分別控制，膜組件也易于清洗、更換及增設。但混合液靠泵抽取進入膜組件，泵的高速旋轉會使某些微生物失活，另外也加大了動力消耗，其處理單位體積水的能耗是傳統活性污泥法的10～20 倍，運行費用增加。一體式MBR 的膜組件浸沒在生物反應器中，曝氣器在膜組件的下方，混合液隨氣流向上流動，在膜表面產生的剪切力可迫使膠體顆粒離開膜表面，讓水透過。一體式MBR 的能耗小，工作壓力小，特別是管線少、體積小的特點使其易于在原有處理設施基礎上實現技術改造，減少改造成本和占地面積。

1． 2 膜生物反應器( MBR) 廢水處理特點
膜生物反應器( MBR) 工藝是膜分離技術與生物技術有機結合的新型廢水處理技術。它利用膜分離設備將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物質截留住，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，而難降解的物質在反應器中不斷反應、降解。因此，膜生物反應器( MBR)工藝通過膜分離技術大大強化了生物反應器的功能。
在MBR 工藝中有機污染物的zui終去除仍是微生物細胞的新陳代謝作用，只是膜的固液分離強化了這種生物處理作用，與常規的活性污泥法相比較，克服了常規法不可避免的弊病，具有諸多優點: 出水水質好、系統流程簡單、設備少、占地面積小、控制靈活穩定、泥齡長污泥產量低、易于實現自動控制、操作管理方便、節省運行成本。與傳統的生物處理方法相比，是目前zui有前途的廢水處理新技術之一。
2、影響MBR 工藝運行的主要因素
2．1有機負荷對MBR 運行的影響
研究表明，好氧MBR 出水受容積負荷與水力停留時間( HRT) 的影響較小，而厭氧MBR 出水受沖擊負荷與HRT 的影響較大。另外，在好氧MBR 中，污泥濃度隨容積負荷的增加迅速升高，有機物去除速率加快，污泥負荷基本保持不變，從而抑制出水水質的惡化; 而在厭氧MBR 中，污泥濃度升高緩慢，因此厭氧MBR 出水水質易受容積負荷的影響。
另有一些研究成果表明，不同污泥濃度均存在污泥在膜表面大量沉積的臨界膜通量，當膜通量小于臨界膜通量，膜污染主要由溶解性有機物在膜面的沉積引起; 當膜通量大于臨界膜通量，膜污染主要由懸浮污泥在膜面的沉積引起; 在污泥濃度較低時，曝氣強度對膜的污染影響不大，在中高污泥濃度條件下，增加曝氣強度有利于減緩膜污染。
2．2膜的固有性質對MBR 運行的影響
膜的固有性質包括親水性程度、膜表面的粗糙程度和膜孔徑大小等。憎水性膜對蛋白質的吸附小于親水性膜，因此能獲得較高的膜通透量。但在濃差極化效果強烈時，這種作用不明顯。易受蛋白質污染的膜有聚砜等，而憎水性強的聚烯烴膜等受到的污染程度較輕。另外，與膜表面有相同電荷的料液能改善膜表面的污染，提高膜通透量。膜孔徑的大小也會影響膜通透量的變化，當截留物相對分子質量小于300000時，隨膜孔徑的增加，膜通量增加，大于300000時，膜通量隨孔徑變化不大; 膜孔徑增加至微濾范圍時，膜通量反而減少，這是因為細菌在膜孔內滋生造成不可逆的堵塞所至。膜表面粗糙度增加使膜表面吸附污染物的可能性增加，同時使膜表面的攪動程度增加，阻礙污染物在膜表面的吸附，因而膜表面的粗糙度對膜通量的影響是兩方面作用的綜合表現。
2．3膜污染對MBR 運行的影響
膜生物反應器運行中存在的主要問題是膜污染。在膜操作過程中，膜的滲透能量會逐漸降低，其主要原因就是膜污染。根據純化學和應用化學協會( IUPAC， International Union of Pure andApplied Chemistry) 的定義，由于懸浮物或可溶性物質沉積在膜的表面、孔隙和孔隙內壁，從而造成膜通量降低的過程稱為膜污染。
膜污染可分為3種類型: 可逆性膜面污染，主要是水透過后被截留下來的部分活性污泥和膠體物質，在濾壓差和透過水流的作用下堆積在膜表面而形成的凝膠層，即濾餅; 不可逆污染，是由溶解性物質被膜內微孔表面吸附或結晶，堵塞孔道，使膜通量減少的一種膜污染; 生物污染，由于在膜面和膜孔中有微生物所需的營養物質，因而大量的微生物就會不可避免地在其中滋生，從而造成膜通量減小。生物污染可分為兩個階段，*階段是微生物( 包括各種細菌和微生物)通過向膜面的傳遞( 可以通過擴散、重力沉降、主體對流) 而能動地積累在膜面上形成生物膜( Biofilm); 當生物膜積累到一定程度引起膜通量的明顯下降時便是第二階段———生物污染( Biofouling) 。
膜污染是影響膜生物反應器推廣應用的主要因素。膜污染導致膜通量下降，增加膜組件更換和膜清洗的頻率，從而增加膜生物反應器的運行費用。
3、膜生物反應器在污水處理中的應用現狀
3．1污水回用方面的應用
隨著現代工業的迅速發展，城市規模的不斷擴大，城市的用水量和廢水量不斷增加，造成城市水資源的日益不足，水質日益惡劣，為解決這個問題，世界上許多國家相繼開展了許多污水資源化的研究。
膜生物反應器在污水回用中的應用早在20世紀80年代初日本就開始了這方面的研究。國外一些國家已經實施。目前在日本已有近100處的高樓采用了膜生物反應器工藝處理生活污水，并將處理出水回用于中水道系統。如日本北千住終點站大樓，其主要技術參數為: 混合液中的懸浮固體(MLSS) 為6000～10000 mg /L，水力停留時間為1．5～2．0h，5d生化需氧量(BOD5)負荷為0．79～1．42kg/(m3·d-1) 。所采用的超濾膜為孔徑10nm、切割相對分子質量20000的聚丙烯腈平板膜。據報道該系統的出水已達到深度處理的標準，而且由于系統中的污泥已得到充分的消化，因此產泥量很小。該系統占地面積小，操作管理方便，使用情況良好。
3．2工業廢水處理中的應用
工業廢水中有機物濃度很高，有的還含有毒性物質。對該種廢水處理普遍認為，厭氧法處理經濟上優于好氧法，但不同的厭氧工藝都要求保持較高的生物量、較長的泥齡、較短的水力停留時間，這使厭氧工藝的使用受到限制。將厭氧工藝與膜技術結合是一種理想的方法。厭氧處理能產生能量，污泥量較少，而膜分離能使存活時間較長的甲烷菌存活下來，從而保持較好的出水水質。這是一種相互補充、相互依賴又相互協同的處理工藝，厭氧消化降解有機物使膜不易堵塞，而膜能將生物截留下來。何義亮等采用*混合的厭氧生物反應器和板框超濾膜組件構成的厭氧生物反應器對高濃度食品廢水進行處理。結果表明，當HRT(水力停留時間) 超過50h，化學需氧量(COD)負荷在2～3kg/(m3·d-1)時，膜出水COD去除率可達80%～90%。
3．3土地填埋場堆肥瀝濾液處理
土地填埋場堆肥瀝濾液含有高濃度的污染物，其水質和水量隨氣候條件與操作運行條件的變化而變化。MBR技術在1994年前就被多家污水處理廠用于該種污水的處理，通過MBR與逆滲透(RO)技術的結合，不僅能去除固體懸浮物(SS)、有機物和氮，而且能有效去除鹽類和重金屬，2000年美國Envirogen公司開發出一種MBR用于土地填埋場/堆肥瀝濾液的處理，該種MBR使用一種天然混合菌分解瀝濾液中的烴和氯代化合物，其處理污染物的濃度為常規廢水處理裝置的50～100倍，這是因為MBR能夠保留細菌并使細菌濃度達到50000g /L。在現場測試中，進液COD值高至40000mg/L，污染物的去除率達90%以上。
4、膜生物反應器工藝在國內的應用展望
膜生物反應器具有傳統生物反應器所*的許多優點，在城市污水、給水處理等方面有廣泛的應用基礎。但是由于膜生物反應器工藝的能耗高、膜易堵塞、難清洗等缺點使其在我國的推廣應用受到限制。結合我國目前的經濟發展水平和膜生物反應器工藝的特點，膜生物反應器在下列領域具有推廣應用的潛力: 對污水處理水質要求高或出水需回用或用地緊張的地方，如高層建筑的中水回用、居住小區生活污水的處理與回用等;中小規模的高濃度有機工業污水的處理; 利用膜的分離效果，并結合菌種的選育與保持，也可用于處理含難降解有機物的污水。
膜生物反應器在推廣應用中還存在許多問題，在未來的發展中還需要從研制、高強度、廉價的膜材料; 研究新型膜生物反應器; 膜污染的機理及防治和膜生物反應器經濟性以及建立合理的設計方法和標準等重點研究方向解決存在的問題。
在水資源日益緊張的今天，隨著膜技術的發展和日益成熟，膜生物反應器技術也必然會在我國成為一種實用技術而被廣泛應用。如聚乙烯中空纖維膜、新型陶瓷膜的開發等已使其成本比以往有很大程度的降低。另外，各種新型膜生物反應器的開發也使其運行費用大大降低，如在低壓下運行的抽吸式膜生物反應器、厭氧式膜生物反應器等與傳統的好氧加壓膜生物反應器相比，其運行費用大幅度下降，新技術的開發將大大促進膜生物反應器的發展與應用。