低能耗膜-生物反應(yīng)器污水資源化新技術(shù)與工程應(yīng)用

國家環(huán)境保護(hù)膜生物反應(yīng)器與污水資源化工程技術(shù)中心(以下簡稱“中心”)，2011 年 10 月獲得環(huán)境保護(hù)部批準(zhǔn)建設(shè)，依托單位為北京碧水源科技股份有限公司(以下簡稱“碧水源公司”)。

中心致力于解決我國目前膜生物反應(yīng)器(MBR)和污水資源化相關(guān)膜技術(shù)應(yīng)用中的瓶頸問題以及未來一段時(shí)間需要攻克的技術(shù)難題，即降低 MBR 技術(shù)應(yīng)用過程能耗，完善污水資源化相關(guān)膜技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，提供污

水資源化新技術(shù)的開發(fā)、評(píng)價(jià)和正確使用的技術(shù)支持，為國家環(huán)境管理部門決策提供科學(xué)基礎(chǔ)、技術(shù)服務(wù)和支撐。中心的主要研究方向包括:

1.研發(fā)抗污染性強(qiáng)、長壽命、高通量、低成本膜材料;優(yōu)化 MBR組器結(jié)構(gòu)，對(duì)膜組件、曝氣部件、集水部件、水動(dòng)力學(xué)擋板部件、脈沖曝氣設(shè)備等進(jìn)行優(yōu)化集合，實(shí)現(xiàn)降低 30%以上運(yùn)行費(fèi)用的目標(biāo);

2.提升污水資源化技術(shù)自動(dòng)控制水平，并對(duì)高有機(jī)濃度廢水開展針對(duì)性組合工藝研究，解決工業(yè)廢水處理與回用難題;

【學(xué)員問題】膜生物反應(yīng)器在廢水回用中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢？

【解答】摘　要　膜生物反應(yīng)器是將生物反應(yīng)器與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種高效廢水處理新技術(shù)。綜述了膜生物反應(yīng)器的類型、特點(diǎn)、對(duì)污染物的去除特性以及該工藝的影響因素和運(yùn)行控制，提出了膜生物反應(yīng)器所存在的問題及其研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞　膜生物反應(yīng)器；廢水回用；膜污染；膜清洗

1前言

膜生物反應(yīng)器（MBR）是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)，在廢水資源化及中水回用方面具有及其廣闊的發(fā)展前景，已經(jīng)受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前隨著水資源短缺局勢的日益嚴(yán)峻及膜生產(chǎn)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，MBR在水處理領(lǐng)域得到了逐漸廣泛的應(yīng)用，其數(shù)量日益增多，規(guī)模不斷擴(kuò)大，因此對(duì)膜生物反應(yīng)器的進(jìn)一步研究，對(duì)緩解我國日益嚴(yán)重的水環(huán)境污染狀況將具有十分重要的意義。

2、MBR工藝的類型及特點(diǎn)

2.1、MBR工藝的分類

膜生物反應(yīng)器主要由膜組件、泵和生物反應(yīng)器三部分組成。根據(jù)膜組件在膜生物反應(yīng)器中所起的作用的不同，膜生物反應(yīng)器可以分為三種類型[1]：（1）分離膜生物反應(yīng)器（BSMBR-Biomass、Separation、Membrane、Bioreactor）（2）無泡曝氣膜生物反應(yīng)器（MABR-Membrane、Aeraction、Bioreactor）（3）萃取膜生物反應(yīng)器（EMBR-Extractive、Membrane、Bioreactor）。目前我們通常所說的MBR就是這三種類型的總稱，其中BSMBR是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的膜生物反應(yīng)器，通常在無特殊說明的情況下，稱之為MBR.膜生物反應(yīng)器中所使用的膜組件相當(dāng)于傳統(tǒng)生物處理系統(tǒng)中的二沉池，主要工程是進(jìn)行固液分離，截留的污泥回流至生物反應(yīng)器，透過水外排。MABR則是采用致密膜或微孔膜為氧傳遞介質(zhì)或生物膜載體，對(duì)生物反應(yīng)器進(jìn)行無泡供氧，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氧的高效利用。EMBR則是采用萃取膜將廢水中有害、有毒或溶解性差的物質(zhì)進(jìn)行萃取后，采用專性菌對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的生物化學(xué)、處理，從而使專性菌不受廢水中離子強(qiáng)度和pH的影響，優(yōu)化了生物反應(yīng)器的功能[2].

2.2、MBR工藝的特點(diǎn)

MBR工藝采用膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥工藝中的二沉池，實(shí)現(xiàn)了高效的固液分離，克服了傳統(tǒng)活性污泥工藝水質(zhì)波動(dòng)及不夠理想、易發(fā)生污泥膨脹等問題；與傳統(tǒng)活性污泥工藝及許多其他的廢水生物處理工藝相比較，MBR工藝因其以具有特殊性能的膜作為泥水分離和澄清出水的介質(zhì)，而具有其他生物處理工藝無法比擬的明顯優(yōu)勢，主要是以下幾點(diǎn)[3]：

（1）出水水質(zhì)良好。由于膜反應(yīng)器能夠高效地進(jìn)行固液分離，、分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的沉淀池，、出水懸浮物和濁度接近于零，可直接回用，實(shí)現(xiàn)了污水資源化。

（2）使運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定。由于膜的高效截流作用，使微生物完全截留在反應(yīng)器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時(shí)間（HRT）和污泥齡（SRT）的完全分離。

（3）反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度高，耐沖擊負(fù)荷。

（4）泥齡長。膜分離使污水中的大分子難降解成分，在體積有限的生物反應(yīng)器內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，大大提高了難降解有機(jī)物的降解效率，反應(yīng)器在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷、長泥齡下運(yùn)行，基本無剩余污泥排放。

（5）占地面積小，工藝設(shè)備集中，系統(tǒng)采用PLC控制，可實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化控制。

3、MBR工藝的應(yīng)用

MBR工藝最早主要用于微生物發(fā)酵工業(yè)，在污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用研究始于60年代的美國。進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)外對(duì)膜生物反應(yīng)器的研究有了較大的進(jìn)展，并逐漸進(jìn)入中試和生產(chǎn)性應(yīng)用研究階段。MBR工藝具有常規(guī)污水生化處理所無法比擬的優(yōu)勢，因此在城市污水處理與回用、中水回用、生活污水以及高濃度工業(yè)廢水等處理中得到了廣泛的應(yīng)用[4-6].

MBR工藝因其占地面積小、生化效率高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)已被國內(nèi)外水處理領(lǐng)域所認(rèn)可。隨著水資源短缺局勢的日益嚴(yán)峻及膜生產(chǎn)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，MBR在水處理領(lǐng)域中逐漸得到了較為廣泛的應(yīng)用，、其數(shù)量日益增多，、規(guī)模也不斷擴(kuò)大[7-8].

4、MBR工藝的影響因素及膜污染的控制措施

4.1、MBR工藝的影響因素

MBR工藝中，影響其工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行效能的因素除廢水水質(zhì)、污泥特性等外，更為重要的應(yīng)是其膜的運(yùn)行操作條件，因此，在正確把握廢水水質(zhì)，合理選取工藝設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行方式外，加強(qiáng)對(duì)膜運(yùn)行過程的控制，就顯得更為重要。

在MBR工藝中，膜分離操作的主要影響因素有膜面流速、溫度、操作壓力等，這些因素對(duì)膜通量及膜組件的有效產(chǎn)水效能構(gòu)成直接的影響。其中的關(guān)鍵運(yùn)行控制條件因素有膜的操作壓力與膜面流速及膜的污染控制。作為MBR工藝中重要的運(yùn)行控制條件，操作壓力和膜面流速均對(duì)膜通量有較大的影響，而且它們的影響往往又是相互交叉和制約的，膜面流速一定且濃差極化現(xiàn)象尚不明顯時(shí)，膜的通量隨壓力的增大而增大；發(fā)生濃差極化后，壓力的增大，一方面可以提高膜通量，但將在促進(jìn)濃差極化的同時(shí)，增加通水的阻力。當(dāng)操作壓力一定時(shí)，隨膜面流速的提高，膜通量相應(yīng)提高，但當(dāng)污泥濃度較高時(shí)，膜面流速提高到一定值后，由于膜面泥餅阻力的增加，膜通量提高的速率將隨膜面流速的提高而降低[9].

4.2、膜污染的控制措施

膜污染是指處理料液中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過通量與分離特性的不可逆變化的現(xiàn)象。通常認(rèn)為膜污染主要由4種原因引起[10]：吸附、孔堵、濃差極化、濾餅層的形成和壓縮

膜污染的防治措施基本包括三種：第一：改善膜的性質(zhì)，提高膜的親水性。第二：對(duì)濾液進(jìn)行預(yù)處理，改善濾液特性對(duì)膜污染的防治有很大的作用。第三：優(yōu)化膜分離操作條件。

無論如何改進(jìn)工藝，膜污染都是無法避免的，所以在應(yīng)用中應(yīng)及時(shí)對(duì)膜進(jìn)行清洗，使其恢復(fù)過濾能力。目前清洗方法主要有物理清洗、化學(xué)清洗、超聲波清洗和電清洗[11].

5、MBR工藝存在的主要問題及研究進(jìn)展

MBR工藝具有出水水質(zhì)好，操作運(yùn)行簡單，污泥產(chǎn)率低，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。隨著膜生物反應(yīng)器在污水處理的應(yīng)用范圍和規(guī)模不斷擴(kuò)大和增加，該工藝具有傳統(tǒng)工藝所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在膜污染、膜清洗和膜更換以及能耗高等問題，有待于對(duì)其進(jìn)行深入的研究和改進(jìn)。

5.1、MBR工藝存在的主要問題

（1）、MBR工藝的一大缺點(diǎn)是膜在運(yùn)行一段時(shí)間以后比較容易受到污染。膜污染取決于混合液組成特性和膜的物化性能。膜生物反應(yīng)器中膜污染的物質(zhì)來源是活性污泥混合液。對(duì)活性污泥混合液這種組成復(fù)雜而又變化的體系，要認(rèn)識(shí)其污染機(jī)理還需對(duì)MBR有個(gè)全面的研究。[14].

（2）、MBR工藝的另一大缺點(diǎn)是能耗比較高。研究表明，常規(guī)分離式MBR運(yùn)行能耗明顯高于活性污泥法。MBR高能耗的原因首先是因?yàn)镸BR過程必須保持一定的膜驅(qū)動(dòng)壓力，其次是MBR中MLSS非常高，所以MBR工藝采用加大曝氣量的方式來改善水中氧的傳質(zhì)效果，因而造成能耗偏高。

（3）膜組件的結(jié)構(gòu)也是影響MBR工藝發(fā)展和應(yīng)用的重要因素。在MBR工藝中，膜組件的費(fèi)用明顯高于占地和土建費(fèi)用[12].

5.2、研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

（1）、開發(fā)高性能、耐污染膜以及提高膜的單位面積處理能力，能從根本上改善膜污染的問題。

（2）、優(yōu)化膜組件的安裝設(shè)計(jì)以及改善對(duì)膜的清洗方法，對(duì)其使用效果也有很大的影響。

（3）、通過改進(jìn)膜組件的形式和工藝條件，可以解決MBR工藝能耗較高的問題。

（4）、在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上開發(fā)出一些新的工藝。在膜生物反應(yīng)器研究的早期，生物反應(yīng)器基本上都是采用活性污泥法，膜組件也多采用加壓式平板膜。隨著膜材料的發(fā)展、生物反應(yīng)器新工藝的開發(fā)和研究工作的不斷深入，近些年出現(xiàn)了一些新型的膜生物反應(yīng)器[13].

6結(jié)語

膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用和研究涉及到生物學(xué)、水力學(xué)、材料學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和工程學(xué)等眾多學(xué)科，MBR的發(fā)展需要每個(gè)學(xué)科的進(jìn)一步探索和各個(gè)學(xué)科之間的相互滲透。雖然膜污染和高能耗問題尚未得到徹底解決，但是由于MBR工藝有著傳統(tǒng)工藝所無法比擬的優(yōu)勢，尤其是近20年來有機(jī)高分子材料科學(xué)的飛速發(fā)展，使得膜生物反應(yīng)器在城市污水和工業(yè)污水處理領(lǐng)域中得到了更多的應(yīng)用。可以相信，隨著膜技術(shù)發(fā)展的日益成熟，MBR技術(shù)必然會(huì)在我國成為一種實(shí)用技術(shù)而被廣泛采納。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請(qǐng)及時(shí)溝通、指正。