MBR工藝在廢水處理中應用進展
膜生物反應器(Membrane bioreactor，MBR)是一種將膜分離技術和生物降解技術有機結合而成的新型水處理技術。該工藝利用膜分離設備將生化反應池中的大分子有機物和活性污泥截留在池中，從而可*省掉二沉池；它幾乎能將所有的微生物截留在生物反應器中，使得反應器中保持很高的微生物量，污泥齡可以很長，使出水中的有機污染物含量降到zui低，有效地去除氮、磷污染物，因此，MBR工藝具有許多其它生物處理工藝不可比擬的優勢。在應用方面，MBR工藝既可用于生活污水的處理，也可用于難降解工業廢水的處理，經處理排出的水還可以作為中水回用，所以MBR工藝具有廣闊的應用前景。
1、MBR工藝概述
1.1 MBR工藝凈水原理
MBR工藝首先利用生物反應器中微生物的降解作用對廢水進行處理，再經過膜的分離將大分子有機物和活性污泥截留在生物反應器當中。通過膜的分離技術大大強化了生物反應器的處理性能，使活性污泥濃度大大提高，MBR工藝的水力停留時間(HRT)和污泥停留時間(SRT)可以分別進行控制，提高了工藝的操作性。
1.2 類型
MBR的主要類型如表1所列。
| 分類依據 | 種類 |
| 膜組件功能 | 膜—曝氣生物反應器、萃取膜
生物反應器、膜分離生物反應器 |
| 膜組件與生物反應器組合形式 | 分置式、一體式、復合式 |
| 膜組件形式 | 管式、板框式、中空纖維式 |
| 壓力驅動形式 | 外壓式、抽吸式 |
| 生物反應器類型 | 好氧型、厭氧型 |
表1 MBR的分類1.3 特點1.3.1 MBR工藝的優越性(1)出水水質穩定。MBR能夠進行的固液分離，膜單元能夠截留可溶性大分子化合物和微生物，出水水質良好，可進行回用。(2)耐負荷沖擊。MBR的微生物濃度遠高于其他生物反應器，裝置能夠處理的容積負荷大，當進水的有機物濃度變化較大時，單位質量微生物在單位時間內處理的有機物質量，即有機負荷率變化不會很大，那么系統的處理效果也不會有很大變化。(3)工藝流程簡單，工藝參數易于控制。(4)剩余污泥量少，降低了污泥的處理費用。(5)對氨氮和難降解有機物的去除效果良好。(6)操作管理方便，易于實現自動化。1.3.2 MBR 工藝的不足(1)膜組件造價高，工程投資較大，比常規處理方法高30%~50%。(2)膜容易被污染，需要定期進行清洗，給操作管理帶來了不便。(3)能耗較高，因為泥水分離過程需要一定的膜驅動力，而且生物反應器中污泥濃度很高，要有足夠的氧傳遞速率，需要加大曝氣量。(4)目前的膜壽命都比較短，膜組件一般只能使用5 年左右，需要到期更換，進一步增加了運行成本。2、國內外研究與應用進展2.1 國外研究與應用進展1966 年Dorr-Oliver公司*次將膜技術用于廢水處理。1969年美國的Smith結合活性污泥法和超濾膜組件進行城市污水處理的研究，該研究中用膜分離技術取代了二沉池，形成了MBR工藝的雛形。20世紀70年代初期，MBR處理城市污水的研究規模進一步擴大，但由于膜生產技術的限制，20世紀70年代中期好氧MBR才開始在北美得到應用。20世紀80年代，隨著膜材料的發展，MBR工藝也得到了迅速發展。由于日本國土面積小，地表水體因徑流距離短而導致自凈能力差，MBR技術得到大力研究和應用。1983~1987年，日本就有13家公司使用好氧MBR工藝處理大樓廢水，處理后的水進行中水回用。1985年日本的“水綜合再生利用系統90年代計劃”大大推進了MBR的處理對象和規模。20世紀90年代以來，MBR工藝得到迅猛發展，并逐漸進入應用階段，許多歐洲國家將MBR用于生活污水和工業廢水的處理。世界上*套大型MBR安裝于美國俄亥俄州Mansfield的通用電機廠。由于的污水處理能力和中水回用效率，MBR在近年維持著每年高于10%的增長率。目前，世界上設計運行能力zui大的MBR廢水處理工程是位于美國華盛頓州金縣的布賴特沃特污水處理工程，主體工程2011年9月開始運營，設計處理量為13.6 萬m3/d，預計到2040年處理量將要達到20.4萬m3/d。近年來，人們對MBR 工藝的研究和應用領域更加廣泛，該技術正在逐漸趨于成熟。2.2 國內研究與應用進展我國對 MBR工藝的研究起步較晚，至今只有十多年的時間，但發展十分迅速。1991年，我國報道了MBR在日本的應用情況，此后，MBR在我國污水處理方面的研究和應用逐漸展開。在我國進行MBR工藝研究的主要是一些高等院校和科研單位，1992年天津大學開展了利用中空纖維膜進行泥水分離的研究，對MBR處理污水及回用進行了研究。清華大學錢易教授的團隊承擔了九五科技攻關課題“膜生物反應器處理染料等工業廢水研究”，863重大課題“新型膜生物反應器的研制與應用”等一系列重大科研項目。中國科學院生態環境中心的樊耀波、鄭祥等較深入研究了MBR反應器在石化廢水及毛紡廢水的應用。隨著研究的逐漸深入，MBR的處理對象延伸到石化廢水、高濃度有機廢水、食品廢水、啤酒廢水、礦區廢水、印染廢水、養殖廢水等，對不同廢水的處理效果、系統運行穩定性、操作條件的優化等方面均進行了廣泛深入的研究。目前我國的MBR工藝雖較多處于實驗室研究階段，但也有不少應用于實際工程。截至2013年底，我國已有50多個規模超萬噸的MBR工程投入到運行中，累計處理能力超過230萬噸/天。MBR工程在華北地區主要用于市政污水處理和再生水回用，在東南地區主要用來處理高濃度有機廢水與難降解工業廢水。預計到2015年，我國投入運行和在建的MBR系統累計處理能力將超過500萬噸/天。表2列出了我國部分MBR工程的應用情況。
| 單位 | 原水類型 | 水處理量/(m3·d-1) | 投運年份 |
| 北京密云再生水廠 | 市政污水 | 45000 | 2006 |
| 北京北小河污水處理廠 | 生活污水 | 60000 | 2007 |
| 內蒙古金橋電廠 | 電廠廢水 | 31000 | 2006 |
| 無錫碩放水處理廠 | 生活污水 | 20000 | 2009 |
| 廣東惠州大亞灣石化 | 石化污水 | 25000 | 2006 |
| 天津醫科大學總醫院 | 醫院污水 | 1000 | 2005 |
| 徐州卷煙廠污水處理及中水回用項目 | 卷煙廢水 | 2000 | 2007 |
| 安徽省某新農村社區污水處理站 | 農村污水 | 500 | 2012 |
表2 我國部分MBR工程從表2可以看出，我國MBR工藝的實際應用領域已經擴展到生活污水、工業廢水、卷煙廢水、醫院廢水等各個行業。3、研究熱點與前景展望3.1 膜污染3.1.1 膜污染及其危害膜污染指的是與膜接觸的污水中的膠粒、微粒以及溶質分子等在物理、化學、生化作用和機械作用下，在膜表面或膜的微孔內積累、沉積，微生物在膜表面積累，使得膜孔徑變小和堵塞，使膜通量和分離特性大幅度下降的現象。膜污染的產生直接導致膜通量的下降，大大縮短了膜的使用壽命，就需要增加更換膜組件的頻次，從而提高了MBR系統的運行成本。3.1.2 膜污染的來源(1)微生物產生的胞外聚合物(EPS)。EPS主要是在一定環境條件下，微生物在其代謝過程中分泌的包圍在微生物細胞壁外的多聚化合物，主要成分為蛋白質和多糖。EPS的積累會引起混合液粘度的增加，容易在膜表面形成凝膠層，導致膜過濾阻力增加。(2)溶解性有機物質(SMP)。SMP主要是微生物基質分解過程和內源呼吸過程中產生的腐殖質、多糖和蛋白質等物質。這類物質極易堵塞膜孔，而且還會對污泥活性產生影響引起嚴重的膜污染。(3)污泥濃度。MBR中的污泥具有較高的污泥濃度和SRT，隨著污泥濃度增加，污泥和污水的粘度都會隨之增加，一方面使得污泥在膜表面沉積，另一方面影響氧氣傳質效率，兩方面的原因都會加劇膜污染。3.2 膜污染的控制措施(1)改善膜性質。通過化學改性將疏水性膜轉變成親水性膜，親水膜與水分子之間形成氫鍵，能夠在膜表面形成一層水分子層，對保護膜免受污染有積極作用。常用的改性方法有接枝、共聚、交聯、等離子或放射性刻蝕等。(2)優化膜組件設計。膜組件的優化設計包括膜材料和膜結構的優化以及合理的流道結構和裝填密度。膜材料通常選用親水性的，膜結構一般選用不對稱結構，可降低膜孔堵塞。還需要結合水力條件，合理設計膜組件與曝氣裝置間的距離，既不影響氣體傳質效率，又能提高液體的上升速率以減輕污泥在膜表面的積累。(3)優化操作條件。對操作條件的優化包括尋找系統的*錯流速度，選擇合適的臨界膜通量，進行間歇抽吸操作，采取合理的曝氣強度，選用合適的操作溫度。在上述條件的綜合作用下，可減小膜阻力、改善膜的通透性、zui大程度減輕膜污染，從而延長膜的使用壽命。(4)改善混合液特性。與膜直接接觸的混合液是造成膜污染的根本原因，所以對混合液進行有效的預處理，可以起到優化混合液性質的作用，有助于減輕膜污染。向混合液中投加填料也是一種改善混合液性質的途徑，通常投加的是粉末活性炭、沸石、絮凝劑、泡沫填料等。3.3 MBR工藝前景展望由于該工藝存在膜組件價格昂貴、膜污染控制難度大、膜清洗不*等問題，今后MBR工藝的研究重點將集中在以下幾個方面：(1)膜污染的機理和控制技術。利用新技術和新方法探究膜污染的機理，才能制定出更加簡單有效的控制措施來減緩膜污染的發生。(2)研發、高性能、耐污染和經濟可行的膜材料。開發出新型耐污染的膜將大大推動MBR工藝的應用。(3)優化MBR工藝的整體運行流程和運行條件，保證更良好穩定的處理效果，降低能耗。MBR工藝由于其對廢水的處理效果良好，可滿足中水回用的要求而受到廣泛關注和研究，在水資源逐漸匱乏的今天顯示出良好的發展潛力和應用前景。但尚需要解決其工藝流程和運行條件的優化、膜污染的機理與有效控制途徑、經濟型膜材料的開發等問題，才能進一步推廣MBR工藝的應用，使其成為今后替代傳統廢水處理工藝的有力競爭者，為我國的廢水處理行業提供一種并且經濟可行的選擇，為緩解水資源短缺問題做出貢獻。
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