膜生物反应器在污水处理中的研究应用进展
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膜生物反应器是近年来发展起来的传统生物处理单元与膜分离技术有机结合的高效污水处理新技术，具有常规污水处理工艺无法比拟的优势。本文介绍了膜生物反应器的主要类型及在国内外污水处理中的研究应用进展，分析了膜生物反应器应用过程中存在的问题及解决措施，展望了其应用前景及研究方向。 膜生物反应器(Membranebioreactor，MBR)是传统生物处理单元与膜分离技术有机结合的新型高效污水处理技术，它取代了活性污泥法中的沉淀和过滤单元，具有处理效率高、出水水质好、占地面积小(只相当于传统处理工艺占地的1/8～1/5)、耐冲击负荷、操作管理简单、易于实现自动控制、污泥停留时间与水力停留时间分离等优点，在水污染控制及污水资源化方面有很大的潜在市场。 MBR自20世纪60年代末问世以来，在全球很快得到广泛应用。我国对MBR的研究始于20世纪90年代，但发展非常迅速。随着水资源的日益匮乏、水污染形势的严峻、人类环保意识的增强及我国水质标准和法规的日趋严格，使MBR技术在污水处理领域受到前所未有的重视，如今该技术以其突出的优势已成为实现污水再生回用和废水资源化的一项极具竞争力的新技术[2-4]。 1.MBR的主要类型 MBR主要由生物反应器、膜组件和控制系统三部分组成。生物反应器是污染物被降解的场所，膜组件是MBR的核心部分，其种类不同决定着MBR性能的差异。MBR的主要类型如下： 1.1根据膜组件所起作用分类 根据膜组件所起作用不同，通常将MBR分为三种：固液分离MBR、膜曝气MBR和萃取MBR。就目前的研究和应用现状而言，固液分离MBR在污水处理中占绝对优势。 1.2根据膜组件和生物反应器的相对位置分类根据膜组件和生物反应器的相对位置，MBR可分为两种基本型式：分置式和一体式。 (1)分体式MBR(或外置式)是研究最早的类型，膜组件与生物反应器分开设置，相对独立运行，易于调节控制，而且膜组件置于反应器外，易于膜的清洗、更换及增设。为了减轻悬浮物在膜面的沉积，采取高速错流过滤，动力消耗较高。分置式MBR比较适合处理难生物降解、高有机浓度以及有毒的污水，在工业废水处理中应用较多。 (2)一体式MBR(或浸没式)比较简单，直接将膜组件置于生物反应器内，出水由泵吸出得到过滤液。一体式MBR利用曝气形成的强烈搅拌作用来实现膜面的错流效果，也有在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌或靠膜组件自身旋转来实现膜面错流效应。一体式MBR的出现，大幅度降低了处理系统的能耗和占地面积。为减少膜面污染、延长运行周期，泵的抽吸是间断运行的。一体式MBR在城市污水处理厂具有较强的竞争力。如果在生物反应器内加装填料，就成为复合型 一体式MBR。该反应器中由于填料上附着生长着大量微生物，能够保证系统具有较高的处理效果并有较强的抵抗冲击负荷的能力，同时又不会使反应器内悬浮固体浓度过高而影响膜通量。 1.3按需氧方式分类 根据生物反应器中微生物生长需氧情况的不同分为好氧和厌氧两大类。好氧MBR主要是针对城市污水和生活污水的处理；厌氧MBR主要是针对高浓度有机废水的处理。厌氧过程可提高高浓度有机废水的可生化性，改变难降解有机物的分子结构，利于后续好氧MBR处理，显著提高有机物去除率。 2.MBR在污水处理中的研究应用 2.1在城市和生活污水处理中的研究应用 城市和生活污水是MBR在水处理中涉及较早的领域，研究和应用都比较广泛。吴桂萍、赵曙光等[8-9]采用一体式MBR，杨琦、李娜等[10-11]采用缺氧-好氧MBR对生活污水处理进行的试验研究，均取得了良好的处理效果，污水中COD、氨氮去除率分别达90%以上，无色无味，系统具有较强的抗冲击能力，出水水质优于城市生活杂用水水质标准 (GB/T18920-2002)。刘强等采用淹没式复合型MBR处理城市污水的实验表明COD去除效果与总生物量有关；MuhammadHA1-Malack采用MBR对生活污水处理的研究结果也表明MBR对COD的去除效果与活性污泥浓度有关。谭德君等对MBR处理生活污水连续运行期间的处理效能、膜污染情况进行了实验研究，认为对膜清洗应以机械清洗为主辅以化学清洗。杨崇豪等采用规模为1m3.d-1的生物固定化MBR处理学生宿舍化粪池出水，处理后出水COD基本在20～30mg.L-1、氨氮<10mg.L-1。吴桂萍还研究了MBR处理生活污水时减缓膜污染的最佳运行条件及膜污染清洗方法。ThamerAMo-hammed等在不同运行条件下(进水COD分别为606、1440、2500mg.L-1)研究了MBR对模拟城市污水的处理效果，COD、BOD和氨氮的去除率分别为97.8%～99.9%、98.9%～99.9%和91.0%～99.9%。 上海浦东新区白龙港污水厂将平板MBR用于生活污水再生回用工程，工程规模为400m3.d-1，与平行运转的曝气生物滤池(BAF)+砂滤的工艺相比，具有出水水质好、运行稳定、操作维护简单和污泥量少等优点。在进水水质相同的情况下，两工艺出水水质情况见表1。  由表1可见，平板MBR出水水质明显优于原有的曝气生物滤池+砂滤的水质，远好于城市污水再生利用城市杂用水水质标准(GB/T18920-2002)。经济分析表明，中水的运行费用为0.57元.m-3，总成本为1.05元.m-3。因此MBR广泛应用于城市及生活污水处理的潜力巨大。 2.2在工业废水处理中的研究应用 工业废水具有有机物浓度高、化学成份复杂、有毒有害物质多、难生物降解等特点，传统处理方法难以有效去除。MBR因其高效的生物降解和良好的净化效果使其在各种工业废水处理中得到关注和研究应用。 2.2.1制药废水处理 迟娟等采用内电解-MBR工艺对抗生素制药废水进行处理研究，原水COD为12000mg.L-1时，MBR的出水COD<300mg.L-1；进水COD浓度在6000～8000mg.L-1变化时，系统能保持稳定运行。李莹等在中试研究中采用一体式厌氧折流板反应器、移动床生物膜反应器和MBR处理制药废水，当原水COD、氨氮和SS平均值为10000、500mg.L-1和1000mg.L-1时，出水COD、氨氮和浊度分别为500mg.L-1和10mg.L-1以下和3NTU，去除率分别为95%、98%以上和98%，试验中还采取了一系列减缓膜污染的措施，清洗后膜比通量恢复可达98%。贾宝琼等采用水解酸化-MBR-臭氧脱色处理某中药加工厂生产废水，进水COD、BOD和色度分别为4120mg.L-1、2060mg.L-1和l000倍时，出水分别为100mg.L-1、45mg.L-1和小于60倍，去除率分别达97.6%、97.8%和94.4%，有效克服了传统工艺管理困难、出水不稳定的缺点。 2.2.2印染废水处理 国外对MBR在印染废水处理方面的应用进行了大量研究，目前其应用已日趋成熟，且已有成功应用于印染废水处理的工程实例。MAYun等对好氧(DO为6.0mg.L-1)及厌氧(DO<0.3mg.L-1)条件下用MBR处理印染废水的膜污染进行了研究，结果表明厌氧条件下膜污染速率是好氧条件下的5倍。 与国外相比，我国关于MBR在印染废水处理中应用的研究也取得了一定成果。随着MBR型式的不断改进和更新，目前在印染废水处理中常见的是厌氧-好氧反应器加膜分离装置。卿春霞、王文浪、程刚等[22-24]采用厌氧-好氧MBR处理印染废水，均得到了较好的处理效果。邹海燕等在一体式MBR中加入氢氧化铁絮体(生物铁-MBR法)，在提高印染废水处理效果方面具有明显的优势。胡维超采用酸化水解-电解絮凝-MBR工艺对印染厂污水处理系统进行改造后，COD和色度平均去除率达90%以上和95%，出水pH值为7～8，出水各项指标优于纺织印染行业污染物排放标准(GB4287-1992)一级标准。越来越多的研究表明，将MBR与其他废水处理技术相结合是印染废水深度处理的一个研究方向。 2.2.3食品酿造废水处理 啤酒废水属于中等浓度的有机废水，单纯的好氧生化处理投资高、占地面积大，已很少使用。任艳双等采用一种新型低能耗、高效的内循环MBR，成功实现有机物去除和同步生物脱氮，COD、氨氮和总氮去除率分别达到90%、95%和90%以上，出水水质达到城市污水再生利用-景观环境用水水质标准(GB/T18921-2002)。刘旭东等采用用MBR中试装置处理啤酒厂废水，经过60天的连续运行，膜出水水质稳定且水质好，COD、BOD5、氨氮等指标达到建设部颁布的生活杂用水水质标准。唐杰等采用一体式MBR工艺处理酱油废水的结果表明，当进水COD为505～1209mg.L-1、色度为180～200倍、浊度为251～471NTU时，COD去除率平均达到90%，而色度和浊度的平均去除率也分别达到了79%和98%，出水水质稳定。 2.2.4石油、化工废水处理 石化企业用水量大，对石化废水进行深度处理后回用具有较高的环境效益和经济效益。包文骏等以MBR处理石化污水厂水解池出水，控制水力停留l4.5h时，出水COD为71.3mg.L-1，去除率达到88%。吴建源等介绍了中石化金陵分公司采用MBR处理炼油废水，COD、油、硫、酚、氨氮的平均去除率分别稳定在80%、60%、100%、98%、90%以上，出水COD在70～100mg.L-1，比传统的生物处理有明显的效果优势。胡保安等分别采用MBR和超滤(UF)工艺对某石化企业二沉池出水进行深度处理，试验结果表明，MBR的出水水质比UF更稳定，且具有较强的耐冲击负荷能力。AlineF等发现浸没式MBR完全有能力处理含高浓度有机物和苯酚的石油精炼废水，且水质稳定。张安龙等采用缺氧-好氧MBR处理化肥废水，出水COD和氨氮分别小于60mg.L-1和10mg.L-1，可回用于车间用水，达到节水降耗增效的目的。黄敬介绍了某企业在原A/O处理系统中采用MBR对己内酰胺生产废水进行生化处理，控制MBR进水pH在8.5～9.5时，才能有效保证系统硝化反应稳定运行。当进水COD、氨氮的浓度分别控制在2000、200mg.L-1以内时，出水COD和氨氮的浓度分别小于70、15mg.L-1，出水水质达到国家一级排放标准。 2.2.5焦化废水处理 传统生化方法处理焦化废水存在流程长、成本高、效率低的缺点，多数时间不达标，给企业和环境带来了很大压力。李超等采用一体式MBR处理焦化污水，COD和氨氮的去除率分别达到80%和98%以上，出水水质稳定，远好于国家一级排放标准。胡九如、姚亮等在气提升循环流化床内安装膜组件(流化床MBR)处理焦化废水，通过严格控制反应器中的温度、DO和pH值，系统出水氨氮能够稳定在5mg.L-1以下，去除率大于95%。随后又采用双联流化床MBR工艺处理焦化废水，一段反应器主要去除大部分有机物，二段有较低的碳氮比，利于系统对氨氮的去除，系统出水水质好且稳定，COD、氨氮和SS的平均去除率大于80%、99%和95%。裴亮等采用PAC-MBR组合工艺处理焦化废水，出水COD和氨氮分别为80mg.L-1和10mg.L-1以下，去除率分别大于86.8%和98%，水质比较稳定，低于国家污水综合排放标准(GB8978-1996)的一级标准，PAC与MBR联用对有机物和氨氮的去除效果好于单独采用MBR工艺。 2.3在医院污水处理中的研究应用 张颖等采用封闭式MBR处理医院污水，出水水质良好，且工艺简洁，曝气尾气收集净化后排放。臧倩等采用以MBR为主体的工艺处理天津医科大学总医院废水，水力停留时间HRT为5h，出水COD和氨氮分别维持在50mg.L-1和4mg.L-1。从可持续性发展的观点出发，MBR处理医院污水是一种既可提高消毒效果又可在源头上降低消毒后水体毒性的有效方法。 2.4在垃圾渗沥液处理中的应用 垃圾渗滤液中含有多种难降解有机成分，污染物浓度高、毒性强、成分复杂、水质水量波动大，采用传统废水工艺处理很难达到排放要求。Laitinen等采用SBR+MBR工艺处理垃圾渗滤液，系统对SS、BOD5、TP、氨氮的去除率分别为大于99%、97%、97%、88%。Visvanathan的MBR试验研究表明，MBR对垃圾渗滤液中COD和氨氮的去除率分别为79%和75%。此外，Bodzek、Tarnacki等对MBR的操作条件、膜通量对MBR去除效果的影响等方面也进行了相关研究。但单一的MBR工艺出水水质较差，往往需要配合NF、RO、活性炭吸附等工艺才能使出水达到排放标准。申欢采用水解酸化+好氧MBR组合工艺处理非稳定期垃圾填埋场渗滤液，结果表明组合工艺对渗滤液中的COD和氨氮有较好的去除效果，并且具有较强的抗冲击负荷能力。任鹤云等采用硝化-反硝化与超滤膜分离组合工艺处理垃圾渗滤液的结果表明，COD及氨氮的去除率均高于传统生化法，均达到90%。董春松等采用一种新型玻璃纤维管式动态MBR处理垃圾渗滤液的研究表明，动态MBR稳定运行80d，系统出水浊度在1.0NTU以下，对COD和氨氮的平均去除效率分别超过71%和98%。国内近年来已有将MBR用于垃圾渗滤液处理的实际工程，其中应用最多的为分体式MBR+NF处理装置，也有MBR+NF/RO工艺(主要是满足垃圾场处理水回用要求)，其中处理规模最大的为佛山高明白石坳填埋场，处理规模达到860m3.d-1。 3.存在问题及解决措施 虽然MBR显示出许多传统污水处理工艺无法比拟的优势，但同时也存在膜污染和投资、运行费用较高等不足。膜污染在任何膜过程中都存在，是MBR运行中一系列使膜阻力增加的因素的总称。膜污染导致膜通量下降，甚至造成膜无法继续使用，需要定期清洗和更换，使运行费用增加，因此膜污染是制约MBR在污水处理中进一步推广应用的关键因素。膜污染的解决措施从以下方面考虑解决。 3.1改变反应器结构和优化操作条件 为了减轻膜污染，降低膜清洗频率，延长膜使用寿命，研究者通过改变反应器的内部结构和优化操作条件，来降低反应器混合液中的颗粒物在膜表面及膜孔内的沉积速率。主要措施包括： (1)在浸没式膜组件下部设置曝气装置，通过曝气在膜表面产生水流剪切作用，使吸附于膜面的污染物脱落，同时曝气增加了膜组件附近水流的紊动程度，使膜丝振动减少膜污染。 (2)生物反应器中加入填料，可使悬浮生物附着在填料上，既保证微生物对有机物的去除效率，又大大降低进入膜分离的悬浮物浓度，有效控制膜污染。 (3)适当增加曝气量以加快反应器内混合液的循环流速，使污染物不易在膜表面积累并加速污染物从膜表面脱离。 (4)控制膜的工作通量低于临界通量，使颗粒物在膜面及膜孔内的沉积速率降低，以延长膜的过滤周期，同时降低能耗； (5)采取间歇出水方式，使MBR在每个出水循环周期的停止出水期间吹脱掉膜表面的污染物，有助于减轻膜污染； (6)对于分体式MBR，可以通过回流来加大膜表面的错流速率，以此来延长膜的清洗周期。 3.2混合液的有效预处理 污染膜的物质来自活性污泥混合液，对混合液进行有效预处理、改善其可过滤性，是防止膜污染的重要措施之一。通常采用的预处理方法有： (1)选用1～4mm的网筛或细格栅过滤，去除头发及纸纤维等易造成膜纤维缠绕的污染物； (2)向反应器中间歇加入少量聚铝、三氯化铁等絮凝剂，可将细小污泥颗粒凝集，减少在膜面沉积，防止形成膜的不可逆污染； (3)向反应器内投加粉末活性炭(PAC)并维持一定浓度，不仅可以降低混合液的COD，而且PAC还能与活性污泥混合附着在膜表面，改善滤饼层的结构，降低膜阻力，延缓膜污染[52-53]。 3.3膜组件的清洗 膜污染达到一定程度时，必须对膜组件进行清洗才能保证其正常运行。通常采用在线或离线方式来去除膜表面的污染物，恢复膜通量，延长膜的使用寿命，从而降低膜的折旧费用。 膜组件清洗的主要方法有水力清洗、化学清洗和超声清洗等。水力清洗能够去除膜表面沉积的活性污泥滤饼层，常用的方法有加高流速水冲洗、海绵球机械擦洗、空气-水混合冲洗法等，但膜通量恢复程度较低。化学清洗是利用酸、碱、盐(如HC1、NaOH、NaC1O等)去除膜表面及膜孔径内的胶体、无机盐、生物膜等，是工艺长时间运行后恢复膜通量不可缺少的措施。目前，工程上应用膜清洗方法主要是水力清洗+化学清洗。在线超声清洗对膜污染具有良好的控制效果，但会引起污泥总活性降低，使平均污泥粒径减小，过滤性能变差，每次清洗时间以5min为宜。以上方法在一定程度上改善了膜污染的状况，但仍需要探索防止膜污染的更有效途径，为MBR的广泛应用提供更为可靠、有效的技术手段. 4.结论与展望尽管MBR存在膜污染及运行费用高等问题，但水资源的日益匮乏、水污染形势的严峻及水质标准和法规的日趋严格以及MBR独特的处理优势促使人们加快加大对MBR的研究。随着问题的解决，MBR在污水处理中的应用将会越来越广泛，将会成为21世纪污水处理及再生回用的主流技术。 MBR更好地应用于污水处理还需从以下几方面研究探索：一是进一步加强对膜污染和膜清洗机理研究，研制开发高通量、耐污染的廉价膜材料；二是探求更为有效的膜污染预防及控制措施，通过优化操作条件和参数、对混合液有效预处理来延缓膜污染，这也是目前研究的热点；三是研究有效的膜清洗与再生技术；四是开发MBR组合工艺，强化处理效果，减轻膜污染。 |
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