膜生物反应器

膜生物反应器在废水处理方面的应用1. 引言随着工业的不断发展，过分的工业废水被无序排放，这必将引起严重的水环境污染。

同时，由于水资源的紧缺和人们环保意识的增强，对废水的处理要求日益提高，而对高浓度有机废水和工业废水，传统的水处理方法存在着处理装置容积负荷低，占地面积大、出水水质不稳定、管理操作复杂等问题[1]。

针对上述问题，各种新型的废水处理技术应运而生，其中最引人注目的是将膜技术应用于废水处理中所形成的膜生物反应器（membrane bioreactor 又作MBR）。

膜生物反应器最早出现在酶制剂工业中，采用活性污泥法和超滤结合处理城市污水的方法，引起了人们的广泛关注。

随着MBR工艺的进一步研究和改进，其应用领域不断的拓宽，处理对象已从生活污水扩展到高浓度的有机废水和难降解的工业废水，如制药废水、化工废水、食品废水、屠宰废水、烟草废水、造纸废水等。

2.MBR的定义及其类型2.1 MBR的定义生物反应器指以酶、微生物或动植物细胞为催化剂，进行化学反应或生物转化的装置。

膜生物反应器是把生物处理与膜分离相结合的一种组合工艺，是用膜组件来代替传统生物处理技术，使反应连续进行。

MBR将膜分离技术的膜组件与污水生物处理工程中的生物反应器相结合，膜组件作为泥水分离单元取代二次沉淀池，综合了膜处理技术和生物处理技术[2]。

2.2 MBR的类型膜生物反应器使用类型主要有分离式、一体式、萃取式三种[3]。

分离式MBR（又称分置式MBR，图1）是膜生物反应器研究的最早类型，该反应器用于固体的分离与截留，生物反应器与膜单元相对独立，由泵与管线相连接。

膜组件一般采用加压的方式，生物反应器内的混合液经泵增压后进入膜组件，在压力的作用下混合液的液体透过膜成为系统出水，固体、大分子物质等被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器中。

其特点是运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、更换和增设。

但由于循环泵提供的水流速度要求很高，为此动力消耗很高。

图1 分离式MBR 图2 一体式MBR 一体式MBR（图2）的特点主要是在反应器内进行无泡曝气。

它是将膜组件置入反应器内，通过真空泵或其他抽吸得到滤液，曝气器放在膜下方，由于曝气形成的剪切力和紊动，使固体难以积聚在膜表面，从而能减少膜的堵塞和能耗。

由于不需要混合液的循环系统，能耗较分离式低。

但在运行稳定性和操作管理方面不及分置式[4]。

萃取式MBR（也叫隔离式MBR，图3）采用选择性膜将污水与生物反应器隔开，废水在膜内流动，而含有某种专性菌的活性污泥在膜外流动，该膜只允许目标污染物通过，进入生物反应器被降解，而各种对微生物有害的物理化学条件不影响图3 隔离式MBR生物反应器这一侧，所以生物反应器中的营养物质和微生物生存条件不受污水水质的影响。

萃取式MBR 主要处理一些含毒性或特殊化学物质的废水。

3 MBR处理原理MBR是高效膜分离技术与活性污泥相结合的新型水处理技术，它是利用微生物对反应机制进行生物转化，利用膜组件分离反应产物，并截留生物体，实现水力停留时间与污泥停留时间的彻底分离，消除了传统活性工艺的污泥膨胀问题，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌的出现，提高了生化反应速率，同时，通过降低F/M比减少剩余污泥产生量，提高生化处理效果[5-6]。

4. MBR在废水水处理中的应用研究4.1 在生活废水中的应用生活废水是膜生物反应器在水处理中较早涉及的领域，研究和应用都比较广泛。

除对污水的去除效果进行研究外，还主要对污水中的主要离子和污染物的去除也进行了研究。

国外对MBR 处理废水研究投入了很大的力量，日本、法国、美国、澳大利亚等国对膜生物反应器处理生活废水已进入实用阶段。

我国关于MBR 的研究起步虽然较晚，但也取得了一定的成果。

其中，孙俊杰、徐国勋[7]对生活污水进行处理，认为MBR工艺对污水中的COD和NH3-N 去除主要是反应器中微生物分解和膜的强制性分离共同作用的结果；蒋展鹏等[8]人用一体式A/O生物膜反应器对生活污水的处理效果和运行参数进行了试验，结果表明，COD 去除率接近90%，SS去除率>95%；温东辉、陈吕军[9]研究了MBR 处理生活杂排水，其出水水质达到我国《生活杂用水水质标准》（CJ25.1-89）；金玉兰等[10]人对不同浓度的生活污水进行处理，考察了不同工作条件下污水的去除效果和膜通量的变化情况；史红文等[11]人用MBR 对生活污水处理实验结果表明：膜生物反应器对生活污水中COD、BOD5、SS、浊度的去除率分别达到90%～97%、97%～99%、92%～99%、98%～100%；出水水质好、易于回用。

4.2 在工业废水和高浓度有机废水中的应用工业废水和高浓度的有机废水主要是制药、化工、食品工业、造纸、焦化等行业的外排废水，这些废水中含有大量的COD、BOD、酚、苯、多环芳烃等物质，具有化学成份复杂、含毒性、难降解等特点，传统的方法难以有效的去除。

(1) 在制药废水中的应用：白晓慧[12]等人采用厌氧膜生物反应器工艺对医药中间体酰氯的废水进行了中试研究，结果表明当原水的COD 为7000～50550mg/L 时，PH 在4～13时，厌氧池去除率保持在50%左右，膜生物处理效果保持在80%以上。

(2) 在石油化工废水中的应用：中科院生态中心的樊耀波[13]研制出一套实验室规模的好氧分离式MBR，该系统对石油化工污水的COD、BOD5、SS、浊度、石油类的去除率分别为78%～98%、96%～99%、74%～99%、98%～100%、87% 。

(3) 在食品废水中的应用：管运涛[14]等人论述了膜在食品工业中的应用和发展状况，认为其前景广阔。

(4) 在造纸废水中的应用：韩怀芬[15]研究了膜生物反应器对造纸废水中的处理效果，并与传统的活性污泥法和生物接触氧化法进行了比较，结果表明，在同样的水质条件下，膜生物反应器的处理效果明显好于普通的生物法。

膜生物反应器对工业废水处理效果都非常明显，废水中COD、BOD 等污染物去除率很高，出水能达到国家排放标准。

但是MBR 在实际应用中还存在如膜材质价格贵，设备运行费用较高，膜较易污染和清洗困难等现象，因此，目前有关MBR 的研究中，大部分都是从工厂采取水样来进行实验研究或中试研究，而报道的用于废水实际处理的研究成果甚少。

为了使MBR 在实际废水处理中得到更广泛的应用，膜材质的价格和膜的清洗的研究就显得尤为重要。

5. MBR 的膜材质及清洗研究膜材质与膜组件的选择对于处理不同的废水有着重要的关系，既要做到出水水质稳定，又要造价低廉，以便能长期使用。

而膜污染是限制MBR 发展及工业应用的突出问题，要使膜生物反应器获得长期稳定的运行效果，就必须研究膜污染的机理和防治方法，有效的膜污染防治可以增加膜通量，降低能耗，延长膜的寿命，降低运行费用。

对于膜污染后的清洗，针对处理废水的水质差别和膜组件的不同可以采用不同的清洗方法，清洗的频率和强度由废水负荷率、细菌产量、微生物的胞外聚合物产量所决定[16]。

5.1 膜材质的应用按膜材质分，MBR中使用的膜包括有机膜（聚合物）和无机膜（陶瓷和金属）两类。

无机膜因耐酸、碱、耐溶剂及耐高温的性能，在工业废水的处理中有很大的应用潜力，但其较高的投资成本成为实际应用的一个瓶颈，所以目前膜材质大多采用有机膜。

有机膜耐高温高压和耐化学腐蚀的能力虽不如无机膜，但其形状不像无机膜那样受很大的限制，价格也相对便宜[17]。

有机膜通常采用聚丙烯、聚砜（PS）、聚偏氟乙烯等化学性质较稳定的材料制成，在几种常用的有机膜材质中，聚偏氟乙烯的抗污能力最强，聚砜膜最易受污染。

膜材质的造价不仅与膜的原材料有关，而且与膜孔径尺寸及孔径分布的程度有关。

对于不同膜材料和膜孔径尺寸分布的精确度不同，膜的造价变化很大，如对于用钛或锆生产的微滤或者超滤膜造价大约是用多聚物膜造价的100 倍左右。

但是这些多聚物膜在膜通量、孔的尺寸和机械强度方面又受一定的限制[18]，因此对于不同浓度或含不同的污染物质的废水应采用相对应的膜材质和膜组件进行处理。

5.2 膜污染及影响因素膜污染的来源主要有三个方面：①凝胶层，即滤饼。

主要是水透过后被截留下来的部分活性污泥和胶体物质，在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面而形成的可逆性膜面污染；②溶解性物质被膜内微孔表面吸附或结晶，堵塞孔道，使膜通量减少，属于可逆污染；③微生物污染。

在膜表面和膜孔中有微生物所需的营养物质，因而会有大量的微生物滋生，从而造成膜通量的减少[19]。

对于膜生物反应器的污染机理并没有一个完全清除的解释，但是其影响因素主要有以下四方面：（1）膜本身的性质（物化性能）（2）料液的特点：不同的料液可改变处理效果，在处理焦化废水过程中通过向反应器中投加粉末活性炭（PAC）进而形成生物活性炭（BAC）来实现对膜污染的防治，结果表明在终端过滤过程中，投加PAC后膜通量明显提高.（3）工艺的操作条件：水力停留时间、压力、温度等条件的不同对MBR 处理的效果也产生一定的影响。

马莉[20]等人研究了三种出水方式（自吸水泵抽吸、真空抽吸、真空抽吸-空气反吹）对膜污染的影响，结果表明：在相同的实验条件下，真空抽吸-空气反吹对膜污染较轻。

（4）污泥的特性：污泥颗粒的大小以及污泥的量的多少也会对MBR 处理效果产生影响。

颗粒尺寸越小向膜面的净迁移速度越大，颗粒越容易在膜面沉积，形成的沉积层也越致密，透水性越小，故颗粒的尺寸过小会加剧膜污染。

针对以上膜污染因素，对膜污染的防治一方面可以通过改变对膜表面性质来提高其抗污能力，另一方面可以通过改变料液运行的性能来实现，比如增大紊乱度等。

但是这些方法都受到不同程度的限制，对膜通量的恢复还主要采用清洗的方法。

5.3 膜的清洗目前报道的较多的清洗方法主要有以下几种：（1）空气反吹,通过对几种不同的过滤—空气反吹操作的研究发现,空气反吹可以获得稳定的通透量和总透过量，与连续运行的工艺相比透过量提高，说明空气反吹可以缓解膜污染，但对膜组件的强度要求更高。

（2）水力清洗。

一种较为简单的清洗方法。

在前期的清洗中有明显的效果。

错流MBR由于膜组件特定的错流因素，使得水力清洗成为解决该反应器膜污染问题的重要措施。

（3）化学清洗。

主要是加入化学试剂如NaOH、HNO3、NaClO等来进行清洗。

（4）超声波清洗。

超声波清洗作为一种新的洗膜方式，是利用超声波在液体中空化作用而达到清洗的目的，同时超声波在液体中又能加速溶解作用和乳化作用等，具有高效快速的优点[21]。

以上清洗方法中，空气反吹和水力清洗对低浓度的废水处理及废水处理前期有一定的效果，而在处理后期或对高浓度的废水清洗效果不好，超声波清洗作为一种新的清洗技术，还有待进一步的研究探讨，所以目前大部分废水处理以化学清洗居多。