中水回用中的MBR工艺技术
1 前言
我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源仅为世界平均水平的1/4，南北水资源分配严重不均，我国669个城市，400个城市常年供水不足，其中有110个城市严重缺水，年缺水量60亿立方米。同时随着现代工业的迅猛发展，城市人口逐渐增加，人民生活水平逐渐提高，各种用水量亦随之增长，但大自然赋予人类的这部分资源是有限的，而这有限的资源还在不断地受到人类肆意及污染，这就使得水资源供需矛盾愈来愈突出，这已成为世界各国共同面临的问题。在水资源紧缺的现实下，开发除自来水以外的第二水源，实行中水回用，将从根本上缓解水资源的紧缺状况，是解决水危机的根本途径，对缓解水资源危机将发挥重要的作用，具有非常深远的社会效益[1]。
中水是指将人们在生活和生产中用过的优质杂排水(不含粪便和厨房排水)、杂排水（不含粪便排水）以及生活污水经过处理后达到《生活杂用水水质指标(GB25.1-89)》标准，可以在一定范围内重复使用的非饮用水，即再生水。之所以叫中水，是沿用了日本的说法，通常人们把自来水叫做“上水”，把污水叫“下水”，而中水的水质介于上水和下水之间，故名“中水”。中水虽然不能饮用，但它可以用于一些对水质要求不高的场合。中水回用的对象有市政杂用水、生活杂用水和工业用水。市政杂用水包括公园绿化、城市绿化、道路路面喷洒等用水；生活杂用水包括冲洗厕所，洗车；工业用水重点是回用至热电厂和化工厂等冷却用水以及城市污水处理厂内部杂用水等[1]。随着水荒的日益加剧，中水回用将越来越显示出它的优越性和生命力。
中水回用，一方面为城镇供水开辟了第二水源，可大幅度降低“上水”的消耗量；另一方面，在一定程度上解决了“下水”对水源的污染问题，从而起到保护水源、节约用水的作用。在美国、日本、以色列等国，厕所冲洗、园林和农田灌溉、道路保洁、洗车、城市喷泉、冷却设备补充用水等大都使用中水。
2 MBR在中水回用中的应用
2.1 中水回用的发展历程
目前世界上许多面临着严重水危机的国家都在积极利用城市污水，并将城市污水作为第二水源予以开发利用，并已取得了成功的经验。美国有357个城市实现了污水处理后再利用；美国丹佛市已将处理后的再生水送入自来水管网作为城市管网的补压用水。日本从20世纪60年代起开始研究，20世纪末推广城市污水回用和中水技术，广泛供给工厂、企业和居民小区[2]。此外以色列、俄罗斯、英国、以及中东诸国等相继发展利用污水回用，以弥补日益缺乏的水资源[3]。
我国对城市污水处理与利用的研究，早在1958年就开始列入国家科研课题。60年代关于污水灌溉的研究已达到一定的水平。70年代中期进行了城市污水以回用为目的的污水深度处理小试。80年代初，我国青岛、大连、北京、太原、天津、西安等缺水的大城市相继开展了污水回用于工业和民用的试验研究，其中有些城市以修建了回用试点工程并取得了积极的成果，不少公共建筑亦建设了中水回用装置。我国北京市环保所于1984年底在所内建成的120m3/d规模的中水道试点工程，对我国中水道的发展起到积极的推动作用。在“十五”计划初步安排中，国家要求将城市污水处理量的10%作进一步处理后回用，这将意味着每天将有几百吨的中水可回用，以中水回用为主的节水措施将是我国今后的主要发展方向。特别是北京及周边地区水价日益上涨的情况下，节水措施势在必行。
2.2 国内外MBR的发展研究现状
MBR的研究始于20世纪60年代的美国，当时由于受膜生产技术所限，膜的使用寿命短、水通透量小，使其在投入实际应用中遇到障碍。70年代以后，日本根据本国国土狭小、地价高的特点对MBR在废水处理中的应用进行了大力开发和研究，使MBR开始走向实际应用。MBR工艺80年代后在日本等国得到了广泛应用[2]。日本某公司对MBR工艺的污水处理效果进行了全面研究，表明活性污泥－平板膜组合工艺不仅可以高效去除有机物，且出水中不含细菌，可直接作为中水回用[4]。目前，日本已经有100处高楼的中水回用系统采用MBR处理工艺。如日本第36/37森楼和都饭店、北千住终点站大楼、东京都港区厅宿舍等，都采用膜好氧生物反应器，由好氧性的高浓度活性污泥法和超滤膜组件组合而成的水处理系统，所采用的超滤膜孔径为10μm切割分子量为20000的聚丙烯腈平板膜组件，处理效果良好[1] 。进入90年代后，MBR工艺已经被广泛接受。目前，这技术已在欧洲、北美及亚洲一些国家得到较快的发展，并已在水处理的许多领域广泛应用。
我国对MBR的研究还刚刚起步，但发展十分迅速。MBR在我国的研究始于1993年。研究者对分离MBR，抽吸淹没式MBR，重力淹没式MBR与传统生物处理工艺在城市污水处理方面进行的比较研究表明各种MBR的出水水质均优于传统生物处理工艺。近年来有关MBR试验研究的报道频繁出现，实际应用也在逐渐增多，大连香格里拉大饭店的宾馆污水再生回用工程就是使用MBR工艺[4]。我国在中水处理技术领域与世界先进水平的差距在15-20年，和美国就不必说，就是同在亚洲的近邻日本，也把我们远远甩在了后面。因此必须加大技术研究开发力度，以缩短同世界先进水平的差距，发展壮大我们的水处理产业。
3 MBR工艺
膜生物反应器(Membrane Biological Reactor，简称MBR)是将膜组件引入废水处理氧化池中的一种新型污水处理技术。在MBR中，活性微生物与污水充分接触氧化，不断氧化污水中能被微生物降解的有机物，而不能被微生物降解的有机物和无机物及活性污泥、悬浮物、各类胶体、大部分细菌则被MBR中的膜组件截留，活性污泥浓度大大提高，实现了水力停留时间和泥龄的完全分离。MBR对于原水水质的的变化均有很强的适应性，保证出水水质的稳定,集生物反应器的生物降解作用和膜的高效分离作用于一体，大大强化了生物反应器的功能。MBR工艺流程见图1。
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图1 MBR工艺流程图
3.1 MBR工艺特点
3.1.1 对污染物去除率高，出水水质好，基本无悬浮物。
MBR中的生物相结构复杂，形成了稳定的微生态系统，剩余污泥量少。由于膜的截流作用使SRT延长，营造了有利于世代时间较长的微生物，如硝化细菌的生长环境，提高了系统的硝化能力，同时有利于提高难降解大分子有机物的处理效率，使其彻底分解。MBR曝气池的活性污泥不因出水而流失，在运行过程中，活性污泥会因进入有机物浓度的变化而变化，并达到一种动态平衡，这使系统出水稳定并耐冲击负荷。
3.1.2 处理负荷高，占地面积小。
膜的机械截流作用避免了微生物的流失，生物反应器内可保持高的污泥浓度，处理负荷高，污泥负荷低。膜代替二沉池，减少了占地面积。
3.1.3 操作管理方便。
MBR实现了反应器泥龄(SRT)和水力停留时间(HRT)的彻底分离，使设计简化，易于一体化，实现自动控制。
3.1.4 MBR缺点是膜通量较低，能耗较高。
3.2 MBR与传统工艺生化法比较
传统的生物化学法运转时必须考虑到反应速率和污泥的沉降性能。反应速率主要取决于活性污泥的浓度，污泥浓度高，则反应速度就快。但考虑到二沉池不能过大，所以活性污泥的浓度就不能太大，从而影响了反应速率。污泥的沉降性能则取决于曝气池的运行条件，严格控制曝气池的操作条件是首要，因此也限制了生物化学法的分离。MBR技术正是在这样的情形下发展起来的，其原理是在污水生物处理的反应池中引入膜组件，使其在一定压力下，将溶液中的大分子物质、胶体、细菌和微生物与水分离，从而达到泥水分离的目的；其处理精度可达超滤级，不会产生生化法那样难闻的气味，污泥浓度高，污泥量少，无需进行污泥处理。MBR启动方便，不必象生化法那样接种和培驯污泥。MBR操作方便。国外的研究资料表明，MBR技术作为中水处理的后处理技术，具有适应性强、对悬浮物、细菌和洗涤剂的去除率高，出水稳定等诸多优点，特别适用于回用水的处理。
3.3 MBR工艺经济效益分析
由于各种处理工艺的投资成本和运行成本差异较大，其运行费也不尽相同。由于省去了后续的依靠重力的泥水分离单元，MBR工艺的一次性设备投资低于其它工艺，但是处理成本(包括电费、人工费及膜更换费用)略高于传统生物及物理化学工艺。今后随着膜制造技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投资也会随之大幅度降低，另外各种新型MBR的开发，如在低压下运行的重力淹没式MBR、厌氧MBR等与传统的好氧加压MBR相比，其运行费用大幅度下降。因此可以预见，MBR在中水回用中将会愈来愈具有经济、技术上的优势。
4 结论
从以上分析可以看出，在综合考虑各种因素的基础上，MBR工艺与常规生物处理相比，无论经济性还是技术性，MBR都具有自身其独特的优势(出水水质良好、运行管理简单、占地面积小等)，预计我国未来的中水回用领域MBR将进一步得到广泛的应用。
参考文献
[1] 钱茜,王玉秋.我国中水回用现状及对策[J].再生资源研究,2003(1):27一30.
[2] 邵刚.膜法水处理技术及工程实例[M].北京:化学工业出版社,2002..
[3] 刘茉娥,蔡邦肖,陈益棠.膜技术在污水治理及回用中的应用[M].北京:化学工业出版社,2004.
[4] 黄霞.膜-活性污泥法组合工艺的污水处理特性研究[C].资源、发展与环境保护(第三届海峡两岸环境保护学术研讨论文集),1995:95-102.
作者简介 刘庆斌（1970-），女，湖北崇阳人，工程师，在读工程硕士，从事环境工程教学。
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