前言
近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對水環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高。傳統(tǒng)的生物處理工藝出水難以滿足越來越嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，各種新型、改良的生物處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。而其中最引入注目的是用膜分離技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的重力式固液分離技術(shù)：膜－生物反應(yīng)器組合污水處理工藝。膜生物反應(yīng)器國際上于20世紀(jì)60年代開始研究、90年代得到快速發(fā)展和應(yīng)用。作為一種新型的水處理技術(shù),由于具有占地少、出水水質(zhì)好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的等優(yōu)點(diǎn),受到了國內(nèi)外水處理界的高度重視。
 
1 MBR處理原理及類型
1.1 MBR處理原理
膜生物反應(yīng)器是生物處理技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型、高效的污水處理技術(shù)。它主要由生物反應(yīng)器和膜組件兩單元設(shè)備組成。利用微生物對反映機(jī)制進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，利用膜組件分離反應(yīng)產(chǎn)物，并截留生物體，實(shí)現(xiàn)水利停留時(shí)間與污泥停留時(shí)間的徹底分離，消除了傳統(tǒng)活性工藝的污泥膨脹問題，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率，同時(shí)，通過降低F/M比減少了剩余污泥產(chǎn)量，提高生化處理效果。
 
1.2 MBR主要類型
按膜組件的作用方式,MBR可分為內(nèi)壓式和外壓式兩種。內(nèi)壓式中,水的透過方向是從管內(nèi)向管外,而外壓式相反。在實(shí)際應(yīng)用中大多使用的是外壓式MBR,因?yàn)閮?nèi)壓式MBR流道往往較小,容易被污染顆粒所堵塞。
按膜分離技術(shù)與生物反應(yīng)器的組合方式,可分為分置式和一體式(淹沒式)兩種MBR:分置式MBR是指膜組件與生物反應(yīng)器分開設(shè)置,靠加壓泵加壓,從生物反應(yīng)器抽水壓入膜組件中,膜的濾過水排出系統(tǒng)。一體式MBR是將膜組件直接浸沒在生物反應(yīng)器中,微生物在曝氣池中好氧降解有機(jī)污染物,空氣攪動(dòng)在膜表面產(chǎn)生紊流,在這種剪切力的作用下,膠體顆粒被迫離開膜表面,減緩膜的堵塞,膜出水靠抽吸泵抽吸出水。^[1]
按膜組件在生物反應(yīng)器中的作用不同可分為三種:固液分離MBR、無氣泡膜曝氣生物反應(yīng)器(MABR)和萃取膜生物反應(yīng)器( EMBR) 。其中固液分離MBR是最常用的。
 
2 膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的研究
2.1 生活廢水處理的研究
生活廢水是膜生物反應(yīng)器在水處理中最早涉及的領(lǐng)域，研究和應(yīng)用都比較廣泛。日本在1985年開始的“水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計(jì)劃”把MBR研究在污水處理對象和規(guī)模上都大大推進(jìn)了一步；加拿大的Zenon公司首先推出了超濾管式膜生物反應(yīng)器,并將其應(yīng)用于城市污水處理。各種研究表明膜生物反應(yīng)器對生活污水中的有機(jī)物、含氮化合物、磷及其細(xì)菌和病毒的去除具備有良好的效果。
MBR對生活污水中有機(jī)物的去除來自于生物反應(yīng)器對有機(jī)物的降解作用和膜對有機(jī)物的去除作用。In－Soung Chang研究發(fā)現(xiàn)膜表面的沉積層對溶解物的截留去除起著重要的作用。^[2]與傳統(tǒng)活性污泥法相比，MBR對有機(jī)物的去除效率要高很多。史紅文^[3]等人用MBR對生活污水處理試驗(yàn)結(jié)果表明；膜生物反應(yīng)器對生活污水中COD、BOD₅、SS、濁度的去除率分別達(dá)到90％～97％、97％～99％，92％～99％、98％～100％；出水水質(zhì)好，易于回用。張壽通等^[4]把0.5μm孔徑的平板式不銹鋼膜組件應(yīng)用于高溫好氧膜生物反應(yīng)器中處理合成生活廢水.在35～55℃溫度范圍,反應(yīng)器具有較高的污染物去除效率,出水水質(zhì)穩(wěn)定。平均進(jìn)水COD為853.3mg/L,出水為19.2mg/L,去除率為97.7%。 此外，在污泥產(chǎn)率方面，Rosenberger^[5]等的中試研究得到了一個(gè)重要結(jié)論：在比負(fù)荷率足夠低（F/M≈0.07～0.1KgCOD/(KgMLSS·d)）時(shí)，膜生物反應(yīng)器的污泥產(chǎn)率為零，反應(yīng)器可以在無污泥排放的條件下穩(wěn)定運(yùn)行。
MBR可以通過膜的截留作用, 使硝化菌長期停留在好氧池內(nèi),延長了污泥齡,滿足了硝化菌的生長。同時(shí),在MBR中還發(fā)現(xiàn)存在反硝化除磷菌, 在脫氮的同時(shí)也能有效地去除磷。目前,國內(nèi)外采用厭氧或缺氧－好氧串聯(lián)工藝或序批式厭氧/好氧工藝對膜生物反應(yīng)器進(jìn)行了同時(shí)脫氮除磷研究,取得了較好的脫氮除磷效率。遲軍等^[6]采用兩級A/O工藝對模擬生活污水進(jìn)行處理, 脫氮率達(dá)96%, 除磷率達(dá)70%。試驗(yàn)還證明利用生物脫氮化學(xué)除磷可提高總磷去除率。對MBR脫氮除磷的機(jī)理，王寶貞等^[1]研究證明, 在活性污泥中存在著反硝化除磷菌(DPB) ,它們在缺氧條件下進(jìn)行反硝化脫氮的同時(shí), 還能攝取磷。K. H. Ahna^[7]A²/O 膜生物反應(yīng)器工藝中觀察到同步脫氮除磷的現(xiàn)象, 證明部分聚磷菌具有利用硝酸鹽進(jìn)行脫氮的能力, 即利用這種細(xì)菌來進(jìn)行生物除磷脫氮既可以基本解決碳源需求等問題,又可以用DPB來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)除磷脫氮工藝中的反硝化菌和聚磷菌兩類細(xì)菌的功能, 減少污泥產(chǎn)量, 降低污泥處置費(fèi)用,減少構(gòu)筑物數(shù)量和所需體積。
此外，MBR工藝用于城市和生活污水處理的另一大優(yōu)勢是其物理消毒作用。幾乎所有的MBR都取得了對治病菌和病毒的有效去除，出水中腸道病毒，總大腸桿菌，糞大腸桿菌等都低于檢測線。刑傳宏等在利用城市污水的會(huì)用處理中，也得出了MBR處理后出水微生物指標(biāo)能達(dá)到市政用水會(huì)用水指標(biāo)，因此，MBR在灰水回用方面有很大的潛力和優(yōu)勢，其原因之一就是MBR具有很好的消毒作用。^[3]
 
2.2 工業(yè)廢水處理的研究
MBR作為一種強(qiáng)化的生物處理工藝，在工業(yè)廢水的處理中也收到重視。但是，由于工業(yè)廢水水質(zhì)差異很大，不像生活污水那種具有較多的共同特點(diǎn)，因此，采用的工藝多種多樣。
許多工業(yè)廢水中都含有碳?xì)浠衔锖捅砻婊钚詣┑幕旌衔?，如石油工業(yè)廢水，壓縮機(jī)的濃縮液，潤滑油等。傳統(tǒng)生物處理技術(shù)往往難以徹底降解穩(wěn)定液中的碳?xì)浠衔?。膜生物反?yīng)器在含油廢水的處理中具有一定的優(yōu)勢。膜高效截留作用可截留膠體、大分子有機(jī)物以烴類化合物；高的污泥濃度提高了生化反應(yīng)速率，較長的SRT提高了含油廢水中一些難降解化合物的能力。Scholez&Fuchs^[8]研究了膜生物反應(yīng)器對穩(wěn)定乳液中碳?xì)浠衔锖捅砻婊钚詣┑纳锝到庑阅埽Y(jié)果表明：在水力停留時(shí)間為13.3h，進(jìn)水條件（0.26～0.54）g（碳?xì)浠衔铮?g(MLSS).d的工藝條件下，膜生物反應(yīng)器對燃料油和潤滑油的去除率達(dá)99.99％。
　    印染廢水是一種有機(jī)物含量高、色度深、有毒、難降解的工業(yè)廢水,膜生物反應(yīng)器具有較高的COD和色度去除效率;同時(shí)具有較強(qiáng)的耐沖擊能力，完全具有處理印染廢水的能力。Z. Badani^[9]等人采用分離式好氧膜生物反應(yīng)器處理印染廢水, COD、色度的去除率分別達(dá)到97%、70%以上。同幟^[10]等采用A/O膜生物反應(yīng)器處理印染廢水,當(dāng)水力停留時(shí)間為9～10小時(shí),進(jìn)水COD、色度分別為1500～2300 mg/L、800 ～1200倍,對COD、色度的去除率分別達(dá)到了95%、90%;鄒海燕^[11]等把混凝劑Fe(OH)₃投入到膜生物反應(yīng)器中形成生物鐵法－膜生物反應(yīng)器,在處理印染廢水時(shí)與普通膜生物反應(yīng)器進(jìn)行平行對比試驗(yàn),結(jié)果表明,生物鐵法-膜生物反應(yīng)器在提高處理效果、減輕膜污染、改善污泥性能方面具有明顯優(yōu)勢。
任防振^[12]等利用兼氧/好氧膜生物反應(yīng)器工藝對食品廢水處理。結(jié)果表明,投加粉末活性炭的兼氧/好氧與膜生物反應(yīng)器組合(A/O+MBR)對食品廢水表現(xiàn)出良好的凈化效果,化學(xué)需氧量(COD)的平均去除率為96%,NH₃-N的平均去除率為91%,對濁度的去除率基本達(dá)到100%。J.A.Scatt等采用好氧膜生物MBR處理高濃度食品工業(yè)廢水，研究所用的分離膜為陶瓷膜，在廢水溫度25℃，進(jìn)水COD濃度9600mg/l,BOD₅濃度5300mg/l和氮營養(yǎng)元素缺乏的條件下，MBR對COD、BOD₅、SS分別達(dá)到了98%、99%、99%的去除率。^[2]
各種研究均表明，膜生物反應(yīng)器無論在處理高濃度易降解有機(jī)廢水方面還是在處理有毒難降解有機(jī)廢水方面都發(fā)揮著自身的優(yōu)勢，比傳統(tǒng)的廢水生物處理工藝有更好的處理效果。
 
3 膜污染研究
膜污染一般指濾餅層污染和吸附性污染，前者源于截留組分在膜表面的富集積聚，是熱力學(xué)可逆的污染；后者源于污染物在膜表面的黏附，屬熱力學(xué)不可逆的污染。膜污染是限制MBR發(fā)展及工業(yè)應(yīng)用的突出問題。
 
3.1 膜污染影響因素
膜污染的影響因素主要來自三個(gè)方面：（1）膜工藝的參數(shù)。如膜表面的錯(cuò)流速度，滲透通量等，這些參數(shù)決定了膜過濾是處于超臨界區(qū)還是亞臨界區(qū)。（2）膜的性質(zhì)。如膜的標(biāo)稱孔徑和膜的浸潤性等，這些因素決定了濾餅層污染和吸附性污染的程度。（3）進(jìn)料液的性質(zhì)。如污泥濃度、污泥粒徑及其分布，胞外聚合物的濃度等，這些因素往往決定邊界層的性質(zhì)。^[13]
 
3.1.1 膜表面的錯(cuò)流速度
提高膜表面的錯(cuò)流速度一般能夠改善膜的透過性，即提高膜的臨界流量。文獻(xiàn)報(bào)告幾乎都認(rèn)為臨界流量與膜污染的錯(cuò)流速度成比例線性增加。Fane和Zenon分別在懸浮物濃度為5g/L膜生物反應(yīng)器中和采用了Zenon公司的膜組件后觀察到這一現(xiàn)象。Howell^[14]等采用了Kubota公司標(biāo)稱孔徑為0.4μm的平板式膜組件進(jìn)行了浸沒式膜生物反應(yīng)器的研究，發(fā)現(xiàn)臨界流量隨表面的曝氣流速增加而增加，但臨界流量增加到23L/(m².h)后不再隨曝氣量而增加。關(guān)于此現(xiàn)象的解釋可能基于雷諾數(shù)和團(tuán)流態(tài)，也可能基于不同曝氣強(qiáng)度時(shí)氣液兩相中氣泡的形態(tài)。不論基于何種理論，研究表明無論采用何種形式的膜組件，都存在一個(gè)最大的曝氣量，超過這一最大值后，增加曝氣量不再進(jìn)一步促進(jìn)濾餅層的去除。
 
3.1.2 微孔濾膜的孔徑
粗孔膜比細(xì)孔膜具有更嚴(yán)重的濾餅層污染趨勢。Hong^[15]在恒壓過濾的膜生物反應(yīng)器中觀察到類似的現(xiàn)象。以污染產(chǎn)生的阻力Rf于膜的阻力Rm的比值來衡量污染的程度，實(shí)際運(yùn)行的膜生物反應(yīng)器表明，這一比之為20％～2000％；而對于孔徑細(xì)于0.02μm的多孔膜，這一比值普遍低于100％，隨膜孔徑的增加比值急劇增加。
 
3.1.3污泥性質(zhì)
從濾餅層的形成機(jī)理看，直覺的會(huì)認(rèn)為隨著生物反應(yīng)池懸浮污泥濃度的增加，膜污染的程度也會(huì)增加，但是其他眾多文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)卻相差甚大。Howell^[14]等在曝氣速率83mm/s）不變的條件下測試了污泥濃度分別為5.38g/L、9.14 g/L、12.46 g/L和21.07 g/L的工作曲線的滯后效應(yīng)，得出了這樣的結(jié)果：污泥濃度低于12.46 g/L時(shí)，隨污泥濃度增加臨界流量反而增加，當(dāng)污泥濃度超過這一數(shù)值后，增加污泥濃度才會(huì)導(dǎo)致臨界流量的降低。
對活性污泥各組分的膜污染問題上，學(xué)術(shù)界一直存在爭議。盡管對此問題未達(dá)成共識(shí)，但卻有一點(diǎn)是共同的結(jié)論：雖然溶解性物質(zhì)和膠體物質(zhì)的尺寸遠(yuǎn)小于濾餅層主要組成成分的懸浮固體，但是它們同樣對濾餅層的形成起到相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。
此外，Li^[16]研究還表明，污泥的顆?；潭群统两敌阅軜?gòu)成了影響濾餅層的本質(zhì)因素。至于污泥濃度與濾餅層的關(guān)系，可以大致認(rèn)為低濃度條件下(MLSS<6 g/L),活性污泥濃度對膜污染影響很??；在中等濃度下（MLSS＝8 g/L～12 g/L）膜污染幾乎不受污泥濃度的影響，只有在高濃度（MLSS>15 g/L）的情況下，污泥濃度的提高才帶來顯著的濾餅層污染。Melin等^[17]認(rèn)為最佳的污泥濃度應(yīng)該是12 g/L～15 g/L的中等濃度范圍。
 
3.2 膜污染防治
3.2.1優(yōu)化運(yùn)行條件
根據(jù)臨界通量的概念,當(dāng)膜通量>臨界通量時(shí),膜污染急劇發(fā)展;當(dāng)膜通量<這個(gè)值時(shí),膜污染不發(fā)生或者非常緩慢。臨界通量與膜的性質(zhì)、混合液性質(zhì)、運(yùn)行條件等有關(guān)。桂萍等研究表明: 縮短抽吸時(shí)間或延長暫停時(shí)間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染, 但過短的抽吸時(shí)間、過長的暫停時(shí)間和過大曝氣量不能進(jìn)一步地減輕膜污染, 因此應(yīng)在保證一定產(chǎn)水量的前提下確定適宜的抽、停時(shí)間和曝氣量。選擇合適的水力操作條件等于是在過濾操作的同時(shí)控制了膜污染,是比較理想的控制膜污染的辦法。不同的污泥濃度下存在不同的經(jīng)濟(jì)曝氣強(qiáng)度,即膜過濾壓差上升速率最小的曝氣強(qiáng)度,基本上經(jīng)濟(jì)曝氣強(qiáng)度與污泥濃度成正比例關(guān)系,污泥濃度分別為3、6、8和10 g/L時(shí),對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)曝氣強(qiáng)度為36、72、84和120m³/(m²·h)^[18]。
 
3.2.2改善膜的性能
污水處理中對膜材料的選擇主要依據(jù)污水的性質(zhì)和膜本身的性質(zhì)。在有足夠機(jī)械強(qiáng)度的前提下,膜的孔徑越小,厚度越薄,孔隙率越高,意味著可以得到更高的膜通量。親水性膜比憎水性膜污染速率低,具有更好的抗污染性質(zhì),在處理家庭污水的MBR中,后者的壓力增長速率是前者的2倍。另外,污水中的顆粒和雜質(zhì)大多帶有負(fù)電荷膠團(tuán),選用荷負(fù)電的膜,利用同種電荷相斥的原理,使污染物不易在膜面沉積,從而在一定程度上防止膜污染。對膜面或膜材料作預(yù)處理,使其帶負(fù)電也可以達(dá)到同樣的效果。膜本身性質(zhì)的強(qiáng)化對膜污染的控制會(huì)起到頗具廣泛性的作用。Hai-Yin Yu^[19]和Shaoyuan Zhang^[20]研究指出對膜面做等離子處理就可以使膜面結(jié)構(gòu)、形態(tài)和親水性發(fā)生改變,從而得到具有低污染指數(shù)的膜。
 
3.2.3　預(yù)處理措施
對混合液進(jìn)行絮凝、沉淀、投加填料等預(yù)處理, 可有效降低混合液懸浮物濃度, 改善活性污泥或膜表面的性質(zhì), 從而減緩膜污染的速率。Shon 等^[21]采用四種不同的預(yù)處理方法: FeCl₃絮凝、粉末活性炭吸附、絮凝和吸附、粒狀活性炭過濾, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用絮凝和吸附方法可有效防止膜污染, 對TOC的去除率達(dá)到90%。膜污染物的主要組成部分是親水性有機(jī)化合物,但經(jīng)過絮凝和吸附預(yù)處理的污染的膜表面和干凈膜表面的接觸角幾乎相等, 這表明經(jīng)過預(yù)處理的膜表面形成了保護(hù)層, 經(jīng)過預(yù)處理的膜最高的出水有機(jī)物濃度下降^[22]。
 
 3.2.4　膜的清洗
膜的清洗主要包括水力清洗和化學(xué)清洗,水力清洗包括水外洗和反沖洗?；瘜W(xué)清洗包括堿洗和酸洗, 實(shí)際中往往采用多種清洗方式的組合對膜進(jìn)行清洗,先水洗、后堿洗、再酸洗、最后水洗是有效的方法, 一般可使膜通量恢復(fù)到100%,各清洗方式對膜通量恢復(fù)的貢獻(xiàn)則是根據(jù)污、廢水的性質(zhì)不同而略有不同。也有應(yīng)用非常規(guī)技術(shù)方法對膜進(jìn)行清洗的報(bào)道,如超聲波清洗就得到了較好的清洗效果。
 
4 　發(fā)展展望
隨著膜制造技術(shù)的進(jìn)步，膜成本降低，MBR將得到更廣泛的應(yīng)用，其發(fā)展趨勢可歸納為以下幾個(gè)方面:
(1) 加強(qiáng)適應(yīng)于污水處理的高通量、耐污染、長壽命和低價(jià)格的膜材料與組件的開發(fā)。
(2)加強(qiáng)膜－生物反應(yīng)器應(yīng)用過程中膜污染及控制對策的研究。
(3)不斷降低能耗、投資與運(yùn)行成本, 促進(jìn)MBR技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用, 達(dá)到與常規(guī)活性污泥法等多級處理技術(shù)相競爭的水平。
(4)利用膜的高效分離效果, 可進(jìn)行高效菌種的選育, 也可用于含難降解有機(jī)物污水的處理。
(5)探索新型MBR。探索研究具有脫N除P性能新型MBR組合工藝,為解決水體富營養(yǎng)化和廢水再生回用提供新的途徑。
 
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