膜生物反应器在废水处理中的研究进展
摘要：介绍了膜生物反应器作为高效膜分离技术和传统活性污泥法的结合，其显著特点日益受到世界各国的重视，正在被广泛用于城市给水的净化以及生活污水和工业废水的处理。并介绍了膜生物反应器的工艺特点及其运行的影响因素。
关键词：膜生物反应器；有机负荷；污泥浓度
膜生物反应器（MBR）是高效膜分离技术和传统活性污泥法的结合，几乎能将所有的微生物截留在生物反应器中，这使反应器中的生物污泥浓度提高，理论上污泥泥龄可以无限长，使出水的有机污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，对难降解的工业废水也非常有效。目前，膜工艺正在被广泛用于城市给水的净化以及生活污水和工业废水的处理。
1、膜生物反应器的工艺特点
膜生物反应器工艺主要有以下特点：
（1）污染物去除效率高，不仅对悬浮物、有机物去除效率高，且可以去除细菌、病毒等，设备占地小；
（2）膜分离可使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器水力停留时间和污泥泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活、稳定；
（3）生物反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷；
（4）有利于增殖缓慢的微生物，如硝化细菌的截留和生长，系统硝化效率得以提高，同时可提高难降解有机物的降解效率；
（5）传质效率高，氧转移效率高达26%－60%左右；
（6）污泥产量低；
（7）出水水质好，出水可直接回用；
（8）易于实现自动控制，操作管理方便。
2、膜生物反应器运行的影响因素
膜生物反应器由膜分离单元与生物处理单元组成，因此影响MBR稳定运行的因素不仅包括常规生物动力学参数：有机负荷、污泥浓度、污泥负荷等，还包括膜分离的相关参数：膜的固有性质（膜材料、膜孔径、荷电性等）、滤液的性质、操作方式、反应器的水力条件等。其中生物动力学参数主要影响MBR的处理效果，膜分离参数主要影响MBR的处理能力。
2.1、影响MBR稳定运行的生物动力学参数
2.1.1、有机负荷
研究表明：好氧MBR出水受容积负荷与水力停留时间（HRT）的影响较小，而厌氧MBR出水受容积负荷与HRT的影响较大。吴志超采用好氧MBR处理巴西基酸生产废水发现：COD容积负荷分别为12kg/（m3·d），24 kg/（m3·d），36 kg/（m3·d），48 kg/（m3·d）时，出水COD浓度变化不大；且HRT对出水水质无明显的影响。而何义亮用厌氧MBR处理高浓度食品废水却发现：当COD容积负荷从2 kg/（m3·d）升高到45kg/（m3·d），COD去除率从90%下降至70%；且HRT对处理效果有重要影响。对这些研究的比较发现：在好氧MBR中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化；而在厌氧MBR中，污泥浓度升高缓慢，因此厌氧MBR出水水质易受容积负荷的影响。
2.1.2、污泥浓度
许多研究都表明污泥浓度与溶解性微生物产物是影响膜通量的重要参数。这些研究成果表明：
一定条件下污泥浓度越高，膜通量愈低。顾平在一体式MBR处理生活污水的研究却发现：当曝气强度足够大时（气水比近似100：1），MLSS由10g/L变化到35g/L时，MLSS与膜通量没有明显的相关性；但如果降低曝气强度，MLSS对膜通量可能产生一定的影响。
污泥浓度对膜通量的影响程度与曝气强度、膜面循环流速、水力学条件等密切相关。桂萍应用正交试验的方法对一体式MBR中膜污染速度与污泥浓度、曝气量和膜通量的关系进行考察，研究结果表明：不同污泥浓度均存在一个污泥在膜表面大量沉积的临界膜通量，当膜通量小于临界膜通量，膜污染主要由溶解性有机物在膜面的沉积引起；当膜通量大于临界膜通量，膜污染主要由悬浮污泥在膜面的沉积引起；在污泥浓度较低时，曝气强度对膜的污染影响不大，在中、高污泥浓度条件下，增加曝气强度有利于减缓膜污染；临界膜通量J与污泥浓度MLSS和曝气强度QA有以下关系：QA/J =8.34e0.07MLSS。
2.1.3、微生物群落
微生物群落决定污泥特性。然而，目前有关好氧膜生物反应器中的微生物群落及其生物动力学特性却知之甚少。同常规活性污泥法相比，膜生物反应器的污泥龄长且污泥负荷低。虽然在常规活性污泥法中较长的污泥龄有助于高一级微型动物（原生和后生动物）的产生，但现有的研究表明，当膜生物反应器长时间不排泥时，污泥中很少或没有原后生动物出现，遗憾的是至今并不清楚为什么会出现这种现象。因为膜生物反应器中微生物群落的多样性和复杂性，以及现有的常规研究方法和分析手段的局限，所以，非常有必要研究和开发新的方法和手段，以便全面揭示膜生物反应器中的微生物群落及其生物动力学特性。现代新型分析技术（如分子生物技术）为我们进一步了解膜生物反应器中的微生物群落提供了可能。例如，采用荧光原位杂交对膜生物反应器中的污泥进行分析，结果表明：膜生物反应器中微生物群落含有的细菌细胞远少于常规活性污泥法，并且膜生物反应器的低污泥产率来自于微生物的内源呼吸而不是生物捕食。此外，结果也表明：MBR中的微生物群落和其多样性不同于常规活性污泥法；MBR适宜于氨氧化菌的生长；MBR中的硝化菌通常为不同形状（如卵形、圆形）的串状，小颗粒污泥中的硝化菌含量高于其在大颗粒污泥的含量。
2.2、影响MBR稳定运行的膜分离参数
由于膜通量的提高、膜寿命的延长会大幅度降低MBR的运行费用，因此，在保证出水水质的前提下，膜通量应尽可能大，这样可减少膜的使用面积，降低基建费与运行费用。因此控制膜污染，保持较高的膜通量，是MBR研究的重要内容。而膜通量与膜材料、操作方式、水力条件等因素密切相关。
2.2.1、膜的选择
现有膜可分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜生物反应器在我国的广泛应用，国内MBR系统普遍采用有机膜。常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。分离式MBR通常采用超滤膜组件，截留分子量一般在2－30万。截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜通量未必越大。张洪宇进行无机膜的通量衰减试验表明：孔径0.2μm的膜比0.8μm的膜更适合于MBR。何义亮用PES（磺化聚醚砜）平板膜组件进行膜通量衰减规律的研究发现：在该试验条件下，膜初始通量衰减主要是由于浓差极化引起，膜截留分子量愈小，通量衰减率愈大；膜长期运行的通量衰减主要是由于膜污染引起、膜截留分子量愈大，通量衰减幅度愈大，化学清洗恢复率愈低。
对于一体式MBR，既可用超滤膜，也可使用微滤膜。由于膜表面的凝胶层也起到了过滤作用，在处理生活污水时，微滤膜与超滤膜的出水水质没有明显差别，因此一体式MBR多采用0.1—0.4μm微滤膜。
2.2.2、操作方式的优化
当膜材料选定后，其物化性质也就基本确定了，操作方式就成为影响膜污染的主要因素。为减缓膜污染，反冲洗是维持分置式MBR稳定运行的重要操作，樊耀波通过确定最佳反冲洗周期，使分置式MBR的膜通量达到60L/（m2·h）。针对一体式MBR，Yamamoto提出间歇式抽吸方式可有效减缓膜污染，桂萍通过研究进一步指出：缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染、抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量其次。
不仅污泥浓度、混合液粘度等影响膜通量，混合液本身的过滤性能，如活性污泥性状，生物相也影响膜通量的衰减。有研究表明：粉末活性炭与絮凝剂的加入有助于改善泥水分离性能，形成体积更大、粘性更小的污泥絮体，减少了膜堵塞的机会。但絮凝剂的过量加入会使污泥活性受到抑制，影响反应器的处理能力和处理效果。
2.2.3、水力学特性的改善
改善膜面附近料液的流体力学条件，如提高流体的膜面流速，减少浓差极化，使被截留的溶质及时被带走，能有效降低膜的污染，保持较高的膜通量。黄霞、何义亮分别采用PAN（聚丙烯腈）平板式超滤膜、PAN（聚丙烯腈）/PS（聚砜）管式膜组件考察不同膜面循环流速下污泥浓度对膜通量的影响，发现MLSS对膜通量的影响程度与膜面循环流速有关。大量试验表明：污泥过膜流态为层流，远比紊流时易于堵塞，因此从理论上确定不同污泥浓度下紊流发生的最小膜面流速Vmin有重要意义。邢传红研究发现：最小膜面流速与污泥浓度之间呈良好的线性关系。但他们对临界膜面流速的计算值可能偏高，因为污泥沿流道流动的过程中，水同时透过膜流出，增加了流体在垂直方向的紊动，从而在—定程度上降低了下临界雷诺数（Rek）。何义亮的发现证实了这一推论，平板膜组件从紊流到层流的Rek为1083，外压管式膜组件的Rek为966，均小于一般牛顿流体的下临界雷诺数2000。
分置式MBR中，一般采用错流过滤的方式，这有助于防止膜面沉积污染。对于一体式MBR，设计合理的流道结构，提高膜间液体上升流速，使较大的曝气量起到冲刷膜表面的错流过滤效果显得尤为重要。刘锐通过均匀设计试验，得到适合活性污泥流体的膜间液体上升模型，提出反应器结构对液体上升流速的影响：在同样的曝气强度下，反应器越高，上升流通道越窄，下降流通道与底部通道越宽，则越能获得较大的膜间错流流速。
3、结论
膜生物反应器是一种新型废水处理系统，具有许多突出的优点，已引起世界各国的普遍关注。国外膜生物反应器在污水处理中的应用范围和规模不断增加，其中绝大部分是好氧膜生物反应器，并且一体式膜生物反应器的应用数量略大于分置式膜生物反应器。中小规模的污水处理厂可能采用膜生物反应器更便宜，但大规模的污水处理厂宜采用常规工艺。然而，膜污染依然是影响其推广应用的主要障碍。膜污染的影响因素和控制对策很多，但值得注意的是采用空气喷射方法在中空纤维膜内形成活塞流，从而可有效减轻膜污染和提高膜通量。
今后的研究主要应集中在以下两方面：
（1）开发低成本、高性能的耐污染膜。解决膜的成本高、寿命短、易受污染问题是影响膜生物反应器能否推广应用的重要因素。现在，已研制出聚酰胺系列、聚丙酰胺系列等有机膜及耐高温、耐高压的无机膜。近来，人们开始着眼于仿生膜的制备研究。生物膜具有极好的传递性能、分离性能、选择性能和生物兼容性。随着膜科学的发展，低成本、高性能的耐污染膜必将出现。
（2）开发新型膜生物反应器。膜生物反应器的构型有分置式和一体式，膜组件有板式、管式、卷式、中空纤维管式、毛细管式等，运行方式有间歇和连续式。根据不同的水质及处理要求，用不同的膜及膜组件与各种好氧和厌氧生物废水处理技术相结合，开发处理能力更大、耐污染能力更强、运行更经济的新型膜生物反应器，其应用将会得到更广泛的推广。
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