萨克斯北国之春女儿情:膜生物反应器概述

膜生物反应器概述

　　目前开发出来的膜生物反应器可以分为三类：膜分离生物反应器（Membrane separationbioreactor）；膜曝气生物反应器（Membrane aeration bioreactor）和萃取膜生物反应器（Extractivemembranebioreactor）。其中，膜分离生物反应器用于污水处理中的固液分离；膜曝气生物反应器中膜被用于气体质量传递，通常是为好氧工艺供氧，可以实现生物反应器的无泡曝气，大大提高反应器的传氧效率；萃取膜生物反应器主要用于工业废水中优先污染物的处理，选择性透过膜被用于萃取特定的污染物。目前已进行大量研究并投入大规模实际应用的只有膜分离生物反应器，以下均指膜分离生物反应器。
膜分离生物反应器的分类方法有很多。按照膜组件的放置方式可分为分体式和一体式膜生物反应器；按照生物反应器是否需氧可分为好氧和厌氧膜生物反应器。
分体式生物反应器把生物反应器与膜组件分开放置，生物反应器的混合液经泵增压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的液体透过膜得到系统出水，活性污泥则被截留，并随浓缩液回流到生物反应器内。一体式系统则直接将膜组件置于反应器内，通过泵的抽吸得到过滤液，膜表面清洗所需的错流由空气搅动产生，曝气器设置在膜的正下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，以减少膜的污染。好氧膜生物反应器一般用于城市和工业废水的处理，好氧MBR用于城市污水处理通常是为了使出水达到回用的目的，而用于处理工业废水的主要为了去除一些特别的污染物，如油脂类污染物。
　　将膜分离技术与厌氧生物反应器相结合，产生了一种更高效、低能耗、易控制与启动的新型厌氧生物处理技术—厌氧膜生物反应器。传统的厌氧生物处理技术希望维护较高的污泥浓度、较短的水力停留时间（HRT）和较长污泥停留时间（SRT），以实现降低投资与运行费用的目的。而在厌氧膜生物发生器中，通过膜的高效截留，不仅解决了厌氧污泥容易从生物反应器流失导致出水水质降低的问题，同时膜分离的作用还体现在对厌氧反应器的构造与处理效果的强化方面。以UASB与膜单元相结合为例，厌氧膜反应器不再需要设计的三相分离器来实现固液气的分离；而对于两相厌氧MBR，由于膜分离的作用使产酸反应气中的产酸菌浓度增加，提高了水解发酵能力，同时膜将大分子有机物截留在产酸反应器中使水解发酵，因此保持较高的酸化率。厌氧膜生物反应器厂用于高浓度有机分水的处理效果，由于生物反应器缺少曝气，为了使厌氧污泥处于悬浮状态，处理高浓度有机废水的厌氧膜生物反应器均采用分体式。

膜生物反应器技术起源与60年代的美国。膜生物反应器的研究与应用可分为三个阶段：

第一阶段（1966－1980）：1966年，美国的Dorr-oliver公司首先将MBR用于废水处理的研究；1968年，Smith等将好氧活性污泥法与超膜相结合的MBR用于处理城市废水[10]；1969年Budd等的分离式MBR技术获得了美国专利（JohnW，1989）。70年代初期，好氧分离式MBR处理城市污水的实验规模进一步扩大；同时，厌氧MBR研究液相继开始进行（张盼月，1997），实验室规模的研究与中试规模的研究均取得了较满意的结果。这一时期MBR的应用由于受当时膜生产技术的限制。直到20世纪七十年代后期，大规模好氧膜生物反应器才开始在北美应用。

第二阶段（1980－1995）：70年代末期，日本由于国土面积小，地面水体因径流距离较短而导致其自净能力差、生态系统脆弱、易受污染。MBR由于其占地面积小和出水水质优良的又是，其应用由了很快的进展。自1983年到1987年，日本有13家公司使用好氧MBR处理大楼废水，经处理后的水做中水回用，处理规模达50－250m3/d。日本1985年开始的“水综合再生利用系统90年代计划”把MBR的研究在污水在污水处理对象与规模方面都大大推进了一步（Spellman F.R，1997；SmithC.V.Jr，1969；Budd，1969）。在该项计划中，日本对厌氧MBR作了较系统的研究，研制了酒精发酵废水、造纸厂废水、蛋白工厂废水、城市污水、屎尿废水、淀粉厂废水等7类污水的MBR处理系统。目前在日本运行（包括在建）的膜生物反应器占全球的66％。

第三阶段（1995－至今）：进入九十年代中后期，越来越多的欧洲国家将MBR用于生活污水和工业废水的处理。目前主要有四家大公司经营MBR，它们分别是加拿大Zenon公司，日本MitsubishiRayon公司，法国Suez-LDE/IDI公司和日本Kubota公司[20]。Zenon、MitsubishiRayon和Kubota公司生产一体式聚合物中空纤维膜组件，而Suez-LDE/IDI生产分体式管式陶瓷膜组件。加拿大的Zenon公司首先退出了超滤管式膜生物反应期，并将其应用与城市污水处理。为了节约能耗，它又开发了淹没式中空纤维丝的膜组件，此膜组件可以直接放入曝气池，也可以单独设立分离池；采用正压压滤和负压抽滤相结合的方式，并采用在线过滤脉冲反冲洗，易减少膜污染。目前这种膜生物反应气已应用与美国，德国，法国和埃及等十多个地方，规模从380m3/d至7600m3/d（HadiHusain，1991）。日本的Kubota公司所生产的板式膜具有流通量大，耐污染和工艺简单特点。此板式膜直接放入混合液中，利用混合液的水头压力作为穿透压，将处理水排出系统，系统出水稳定。

发达国家近年来MBR的应用情况

国家

污水处理厂

膜供应商

处理水量（m3/d ）

处理对象

荷兰

荷兰

英国

英国

英国

英国

德国

德国

德国

德国

德国

爱尔兰

爱尔兰

比利时

比利时

奥地利

奥地利

瑞士

以色列

美国

加拿大

日本

日本

Beverwijk

Varsseveld

Porlock

Swanage

Daldowie

Wraxall

Buechel

Markranstadt

Erftverband

Monheim

Kaarst

Avonmore

Minchmalt

Heist

Schilde

Halbenrain

Jerusalem

24座

9座

300余座

150余座

Kubota

Kubota

Kubota

Kubota

Kubota

Kubota

Kubota

Kubota

Zenon

Zenon

Zenon

Zenon

240

18000

1900

13000

10800

290

960

6000

1500

5000

40000

7100

1720

30000

14000

100

270

5000

4000

<7500

生活污水

生活污水

生活污水

生活污水

生活污水

生活污水

生活污水

生活污水

生活污水

生活污水

生活污水

工业废水

工业废水

生活污水

生活污水

垃圾渗滤液

生活污水

生活污水

生活污水

城市污水

城市污水

小区污水回用

工业废水

※国内的研究与应用

　　我国对MBR的研究仅十余年，但发展十分迅速。1991年10月，岑运华介绍了MBR在日本的研究状况（芩运华，1991），1993年以后，许多高校与研究所加入了MBR的开发研究工作。国内对MBR的研究大致可分为几个方面：【1】探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化法，生物膜法，活性污泥与生物膜相结合的复合式工艺，两相厌氧工艺等；【2】影响处理效果与膜污染的因素，机理及数学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能了和运行稳定性；【3】扩大MBR的应用范围，MBR的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水（食品废水，啤酒废水）与难降解工业废水（石化污水，印染废水等），但以生活污水的处理为主。

膜生物反应器处理效果及影响因素

　　在发达国家，好氧与厌氧膜生物反应器在实际工程中的应用有20多年的历史，取得较好的处理效果。在好氧膜生物反应器处理污水方面，1989年，Yamatomo在它的一体式MBR小试实验研究中（YamamotoK，1989），在体积负荷为1.5kgCOD/m3的条件下，HRT为4H，系统稳定在120天，COD的去除率高达95％，60％的总氮（TN）通过间歇曝气去除。Chiemchaisri等人进行同类型MBR中试规模的研究（Chiemchaisri，1993），出水COD在17－21mg/L；出水TN平均为4.9mg/L，TN的去除率在80％以上。Ueda用MBR处理乡村生活污水（32－39m3/d）,HRT为13－16H,BOD负荷0.16－0.37kg/m3.d,BOD污泥负荷0.015－0.046kg/m3.d，当进水BOD5为133±58mg/L、TN为32±19mg/L，TP为3.8±3.0mg/L时，三者的去除率分别为99％，83％，70％（Ueda，1999）。除生活污水与市政废水处理以外，好氧膜生物反应器在工业废水处理中的应用也得到了广泛的关注，如处理粪便污水，食品工业废水，水产加工废水，养殖废水，化妆品生产废水，染料废水，石油化工废水，均获得了良好的处理效果。90年代初，美国在Ohio建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业废水的MBR系统，处理规模为151m3/d,该系统的有机负荷达6.3kgCOD/m3.d,COD去除率为94％，绝大部分的油与油脂被降解（YamamotoK，1989）。表1.4是一些应用好氧膜生物反应器处理城市和工业废水的效果和运行参数。从表1.4可以看出，好氧膜生物反应器容积负荷通常为1.2－3.2 kgCOD/m3.d，污泥浓度10－20gMLSS/L,HRT为2-24H，污泥负荷在0.03－0.45 kgCOD/kgMLSS.D之间，COD和BOD的去除率均大于90％。因此，Zenon公司的MBR生物反应器单元通常按下列参数设计：MBR容积负荷为1.8－5.7kgCOD/m3.d；污泥浓度15－20 gMLSS/L，HRT大于2H，SRT大于15D，F:M小于0.2kgCOD/kgMLSS.D（Steven Till，2001）。
　　我国的研究者对分离式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。生活污水经MBR处理后，COD、BOD5、浊度都很低，大部分细菌、病毒被截留，出水水质可达到某些用水水质要求，如作为立方中水回用、城市园林绿化、扫除、消防等用水。膜的截留作用防止了硝化细菌的流失，为维持生物反应器内高浓度硝化细菌创造了有利条件，从而大大提高了硝化效率。近年来，膜生物反应器在国内已进入了实际实用阶段。1998年，大连大器公司设计的200m3/d的中水回用装置就已在大连投入运行；天津德人公司首先开发了重力淹没式MBR，该技术在2000年已应用于天津普辰大厦德中水回用系统，处理规模为25m3/d,该装置占地仅2.8m3;上海芢原公司研究开发的PW系统已成功地应用于数十个行业地高浓度有机废水处理，规模从5m3/d至700m3/d不等；目前MBR系统的处理对象从生活污水扩展到高浓度有机废水和难降解工业废水，如制药废水、化工废水、食品废水、屠宰场废水、烟草废水、豆制品污水、粪便污水、黄泔污水等。从1998－2000年，MBR以高浓度有机废水的处理为主，2001年，MBR开始较多地应用于宾馆、饭店、写字楼、住宅小区等污水处理回用工程，从目前的趋势看，MBR对生活污水、高浓度有机废水与难降解工业废水的处理效果良好。资料调查结果表明，在我国MBR的应用对象存在明显的地域差别，南方地区，MBR目前主要应用于高浓度有机废水与难降解工业废水的处理；而在天津、大连等严重缺水的北方地区，MBR主要作为中水回用技术处理生活污水。
　　当膜生物反应器用于处理生活污水时，膜生物反应器的污泥产率和污泥活性随着污泥龄的降低而增加，但污泥降解污染物的能力不太受污泥龄的影响；HRT与冲击负荷对出水的影响较小。桂平应用一体式MBR时，采用5D、10D、20D、40D、80D的污泥龄，温度在15－25oC，发现出水水质基本不受污泥龄的影响；当容积负荷达到4kgCOD/m3.d,MBR仍对COD有良好的处理效果（桂萍，1999）。邢传宏应用无机膜－生物反应器进行生活污水处理，生物反应器温度在30oC，HRT为5H,容积负荷分别为0.7 kgCOD/m3.d、2.2 kgCOD/m3.d、3.4kgCOD/m3.d时，出水COD均在10mg/L左右[37]。而厌氧MBR出水受冲击负荷与HRT的影响较大（邢传宏，1996）。
李红兵、顾平对MBR处理生活污水的研究表明，冲击负荷对有机物的去除没有显著的影响，但NH3-N受冲击负荷影响显著，出水NH3-N的恶化程度与冲击负荷的大小成正比（李红兵，1999；杨磊，1999；顾平，1998）。这以现象可能时由于膜的拦截作用对NH3-N的去除并无贡献，因此MBR对氮的去除效果易受生物反应器的处理效果影响。顾平的研究还发现：在冲击负荷条件下，膜通量衰减幅度时正常COD负荷的数十倍（顾平，1998）。
当膜生物反应器处于处理工业废水时，吴志超采用好氧MBR处理巴西基酸生成废水发现，SRT为10d,HRT在12、14、36、48h变化时，相对应的COD负荷分别时4.8、3.6、2.4、1.2kg/(m3.d),出水COD基本不变；SRT从5d提高到20d,出水COD从303mg/L下降到171mg/L,当进步将SRT提高到50d,出水COD基本维持不变（吴志超，1999）。而何义亮用厌氧MBR处理高浓度食品废水却发现，当容积负荷从2 kg/(m3.d)升高到4.5kg/(m3.d)，COD去除率从90％下降到70％；且HRT对处理效果有重要影响，当水力停留时间低于50H时，COD去除率较低且不稳定；当水力停留时间超过50h后，COD去除率稳定在80％以上（何义亮，1999）。这说明膜生物反应器处理工业废水同样要求保证一定的水力停留时间和污泥龄。