MBR工藝在污水處理中的應(yīng)用

摘要：生物膜污水處理工藝（MBR技術(shù)）是近年來發(fā)展起來的一種新型污水處理技術(shù)，是膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)活性污泥法的結(jié)合的系統(tǒng)。本文簡(jiǎn)要介紹了MBR技術(shù)在污水處理中的的工作原理、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、工藝分類及其工藝特點(diǎn)等，并分析了該技術(shù)存在的問題，提出了建議和展望。

關(guān)鍵詞：MBR工藝；污水處理；生物膜

中國(guó)是一個(gè)缺水國(guó)家,污水處理及回用是開發(fā)利用水資源的有效措施。污水回用是將城市污水、工業(yè)污水通過膜生物反應(yīng)器等設(shè)備處理之后,將其用于綠化、沖洗、補(bǔ)充觀賞水體等非飲用目的,而將清潔水用于飲用等高水質(zhì)要求的用途。城市污水、工業(yè)污水就近可得,可免去長(zhǎng)距離輸水，而實(shí)現(xiàn)就近處理實(shí)現(xiàn)水資源的充分利用，同時(shí)污水經(jīng)過就近處理，也可防止污水在長(zhǎng)距離輸送過程中造成污水滲漏，導(dǎo)致污染地下水源。污水回用已經(jīng)在世界上許多缺水的地區(qū)廣泛采用,被認(rèn)為21世紀(jì)污水處理*技術(shù)。MBR技術(shù)是膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)，隨著該技術(shù)的不斷成熟，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1.MBR含義及其工作原理

MBR為膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor）的簡(jiǎn)稱,是一種將膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型水處理技術(shù)，它利用膜分離設(shè)備將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機(jī)物截留住，省掉二沉池。膜-生物反應(yīng)器工藝通過膜的分離技術(shù)大大強(qiáng)化了生物反應(yīng)器的功能，使活性污泥濃度大大提高，其水力停留時(shí)間（HRT）和污泥停留時(shí)間（SRT）可以分別控制。

膜生物反應(yīng)器因其有效的截留作用，可保留世代周期較長(zhǎng)的微生物，可實(shí)現(xiàn)對(duì)污水深度凈化，同時(shí)硝化菌在系統(tǒng)內(nèi)能充分繁殖，其硝化效果明顯，對(duì)深度除磷脫氮提供可能。

2.MBR技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展

2.1國(guó)外發(fā)展研究現(xiàn)狀

1969年，美國(guó)的Smith報(bào)道了美國(guó)Dorr—Oliver公司把活性污泥法和超濾工藝結(jié)合處理城市污水的方法。1970年，美國(guó)的Dorr—Oliver公司和日本的Sank Engineering有限責(zé)任公司達(dá)成協(xié)議，使得該工藝進(jìn)入日本市場(chǎng)。目前在世界范圍內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用的MBR系統(tǒng)已經(jīng)超過500套，同時(shí)許多工程在計(jì)劃或者建設(shè)中。MBR在日本的商業(yè)應(yīng)用發(fā)展的很快，世界上約有66％的工程在日本，其余的MBR工程主要在北美和歐洲。

2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)的研究較晚，但發(fā)展迅速，近年來，MBR工藝已有實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，并保持著良好的發(fā)展勢(shì)頭。2002年，膜生物反應(yīng)器的研發(fā)又被列為“863”重大科技項(xiàng)目，推進(jìn)膜生物反應(yīng)器在污水處理及回用中的應(yīng)用。劉銳等在研究膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)活性污泥工藝進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)行條件一致的情況下，膜生物反應(yīng)器有更強(qiáng)的去除能力。陳衛(wèi)文等研究膜生物反應(yīng)器對(duì)各分子質(zhì)量區(qū)間內(nèi)有機(jī)物的去除規(guī)律發(fā)現(xiàn)，物理截留作用可*截留粒徑>0．22µm的有機(jī)物，而活性污泥的降解作用以及膜表面濾餅層和凝膠層的共同作用可去除大部分0．22µm以下的有機(jī)物。張西旺等在研究一體式膜生物反應(yīng)器處理高氨氮小區(qū)生活污水的中試實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過增設(shè)泥水回流和缺氧區(qū)可將氨氮去除率從60％提高到95％ 以上。周建仁等在研究膜生物反應(yīng)器處理高濃度．生活污水的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)水COD為1250—13500mg／L時(shí)，去除率可高達(dá)94．1％一-95．6％ ，BOD5的去除率可達(dá)98％ 以上。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的學(xué)者也開始研究膜生物反應(yīng)器中運(yùn)行參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，主要為*水力停留時(shí)間、*排泥時(shí)間以及*反沖洗周期，并通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。

3.MBR工藝與傳統(tǒng)污水處理工藝的比較

在傳統(tǒng)的污水生物處理技術(shù)（圖1）中，泥水分離是在二沉池中靠重力作用完成的，其分離效率依賴于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分離效率越高。而污泥的沉降性取決于曝氣池的運(yùn)行狀況，改善污泥沉降性必須嚴(yán)格控制曝氣池的操作條件，這限制了該方法的適用范圍。由于二沉池固液分離的要求，曝氣池的污泥不能維持較高濃度，一般在 1.5～3.5g/L 左右，從而限制了生化反應(yīng)速率。水力停留時(shí)間（HRT）與污泥齡（SRT）相互依賴，提高容積負(fù)荷與降低污泥負(fù)荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的25%～40%。傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)還容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，出水中含有懸浮固體，出水水質(zhì)惡化。

圖1

MBR 工藝（圖2）通過將分離工程中的膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，不僅省去了二沉池的建設(shè)，而且大大提高了固液分離效率，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中菌（特別是優(yōu)勢(shì)菌群）的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率。同時(shí)，通過降低F/M比減少剩余污泥產(chǎn)生量（甚至為零），從而基本解決了傳統(tǒng)活性污泥法存在的許多突出問題。

圖2

4.MBR工藝分類

4.1 根據(jù)膜材料的不同,膜主要分為有機(jī)膜、無機(jī)膜兩大類。有機(jī)膜價(jià)格較便宜,但易污損;無機(jī)膜能在惡劣的環(huán)境下工作,使用壽命長(zhǎng),但價(jià)格較貴。

4.2 根據(jù)膜組件在MBR中所起作用的不同,可將MBR分為分離MBR、無泡曝氣MBR和萃取MBR三種。分離MBR中的膜組件相當(dāng)于傳統(tǒng)生物處理系統(tǒng)中的二沉池,MBR由于高的截流率,并將濃縮液回流到生物反應(yīng)池內(nèi),使生物反應(yīng)器具有很高的微生物濃度和很長(zhǎng)的污泥停留時(shí)間,因而使MBR具有很高的出水水質(zhì);無泡曝氣MBR采用透氣性膜對(duì)生物反應(yīng)器無泡供氧, 氧的利用率可達(dá)100 % ,因不形成氣泡,可避免水中某些揮發(fā)性的有機(jī)污染物揮發(fā)到大氣中；用于提取污染物的萃取MBR是由內(nèi)裝纖維束的硅管組成,這些纖維束的選擇性將工業(yè)廢水中的有毒污染物傳遞到好氧生物相中而被微生物吸附降解。

4.3 根據(jù)生物反應(yīng)器和膜組件結(jié)合的方式不同,膜生物反應(yīng)器可分為分置式（圖3）和一體式（圖4）。

分置式是指膜組件與生物反應(yīng)器分開設(shè)置,壓力驅(qū)動(dòng)靠加壓泵。分置式的特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定可靠,操作管理容易,易于膜的清洗、更換。但一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積,由循環(huán)泵提供的水流流速都很高,動(dòng)力消耗較高。

圖3 分置式MBR流程簡(jiǎn)圖

一體式是將膜組件置于生物反應(yīng)器中,通過真空泵抽吸,得到過濾液。一體式的zui大特點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用低,但在運(yùn)行穩(wěn)定性、操作管理方面和膜的清洗更換上不如分置式

圖4 一體式MBR流程簡(jiǎn)圖

5．MBR處理工藝的優(yōu)點(diǎn)

5.1 對(duì)污染物的去除效率高

MBR對(duì)懸浮固體（SS）濃度和濁度有著非常良好的去除效果。由于膜組件的膜孔徑非常?。?.01～1μm），可將生物反應(yīng)器內(nèi)全部的懸浮物和污泥都截留下來，其固液分離效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于二沉池，MBR對(duì)SS的去除率在99%以上，甚至達(dá)到100%；濁度的去除率也在90%以上，出水濁度與自來水相近。由于膜組件的截留作用，將全部的活性污泥都截留在反應(yīng)器內(nèi)，使得反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度可達(dá)到較高水平，zui高可達(dá)40～50g/L.這樣，就大大降低了生物反應(yīng)器內(nèi)的污泥負(fù)荷，提高了MBR對(duì)有機(jī)物的去除效率，對(duì)生活污水COD的平均去除率在94%以上，BOD的平均去除率在96%以上。同時(shí)，由于膜組件的分離作用，使得生物反應(yīng)器中的水力停留時(shí)間（HRT）和污泥停留時(shí)間（SRT）是*分開的，這樣就可以使生長(zhǎng)緩慢、世代時(shí)間較長(zhǎng)的微生物（如硝化細(xì)菌）也能在反應(yīng)器中生存下來，保證了MBR除具有降解有機(jī)物的作用外，還具有良好的硝化作用。研究表明，MBR在處理生活污水時(shí)，對(duì)氨氮的去除率平均在98%以上，出水氨氮濃度低于1mg/L.

此外，選擇合適孔徑的膜組件后，MBR對(duì)細(xì)菌和病毒也有著較好的去除效果，這樣就可以省去傳統(tǒng)處理工藝中的消毒工藝，大大簡(jiǎn)化了工藝流程。

另外，在DO濃度較低時(shí)，在菌膠團(tuán)內(nèi)部存在缺氧或厭氧區(qū)，為反硝化創(chuàng)造了條件。僅采用好氧MBR工藝，雖然對(duì)TP的去除效率不高，但如果將其與厭氧進(jìn)行組合，則可大大提高TP的去除率。研究表明，采用A/O復(fù)合式MBR工藝，對(duì)TP的去除率可達(dá)70%以上。

5.2 具有較大的靈活性和實(shí)用性

在城市污水或廢水處理中，傳統(tǒng)的處理工藝（格柵+沉砂池+初沉池+曝氣池+二沉池+消毒池）流程較長(zhǎng)，占地面積大，而出水水質(zhì)又不能保證。而MBR工藝（篩網(wǎng)過濾+MBR）則因流程短、占地面積小，處理水量靈活等特點(diǎn)，而呈現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。MBR的出水量根據(jù)實(shí)際情況，只需增減膜組件的片數(shù)就可完成產(chǎn)水量調(diào)整，非常簡(jiǎn)單、方便。

對(duì)于傳統(tǒng)的活性污泥法工藝中出現(xiàn)的污泥膨脹現(xiàn)象，MBR由于不用二沉池進(jìn)行固液分離，可以輕松解決。這樣，就大大減輕了管理操作的復(fù)雜程度，使穩(wěn)定的出水成為可能。

同時(shí)，MBR工藝非常易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高了污水處理的自動(dòng)化水平。

5.3 解決了剩余污泥處置難的問題

剩余污泥的處置問題，是污水處理廠運(yùn)行好壞的關(guān)鍵問題之一MBR工藝中，污泥負(fù)荷非常低，反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)缺乏，微生物處在內(nèi)源呼吸區(qū)，污泥產(chǎn)率低，因而使得剩余污泥的產(chǎn)生量很少，SRT得到延長(zhǎng)，排除的剩余污泥濃度大，可不用進(jìn)行污泥濃縮，而直接進(jìn)行脫水，這就大大節(jié)省了污泥處理的費(fèi)用。有研究得出，在處理生活污水時(shí)，MBR*的排泥時(shí)間在35d左右。

6. MBR工藝的不足與建議

盡管膜生物反應(yīng)器有許多傳統(tǒng)工藝不具備的優(yōu)點(diǎn)，且有了一定規(guī)模的應(yīng)用，但真正要使該技術(shù)大范圍的應(yīng)用，還有很多問題需解決。

6.1膜組件的費(fèi)用較高

在MBR工藝中，膜組件的費(fèi)用較高，一般膜的價(jià)格為200～1 000元/m²。在運(yùn)行中膜組件的更換占總運(yùn)行費(fèi)的40%～75%。因此經(jīng)濟(jì)因素是影響其廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要原因。

建議加強(qiáng)低成本，高性能的新型膜材料的研發(fā)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

6.2膜的壽命短

膜的壽命及更換，導(dǎo)致運(yùn)行成本高。膜組件一般使用壽命在5年左右，到期需更換。

建議開發(fā)使用壽命更長(zhǎng)久的膜材料，在長(zhǎng)期的污水處理中節(jié)約膜材料投入成本。

6.3 膜通量較小

膜通量小，一般通量為20～100 L/（h·m²），不適合大流量污水的處理。MBR工藝在運(yùn)行時(shí)會(huì)使膜通道發(fā)生堵塞和濃差極化現(xiàn)象，在膜的表面形成一個(gè)膠化層，即膜污染。

這將導(dǎo)致膜通量的急劇下降。膜污染成了MBR廣泛應(yīng)用的阻礙，是當(dāng)前MBR研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其污染機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。另外，膜通量還應(yīng)通過研究開發(fā)進(jìn)一步提高，從而推進(jìn)該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

6.4 能耗較大

在用于處理污水的MBR中通常都維持較高的MLSS濃度，這易導(dǎo)致氧傳遞率的降低,運(yùn)行能耗變大，水溫升高，污泥活性下降及等問題。

建議加強(qiáng)這方面的研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低能耗。

7.MBR工藝的發(fā)展前瞻

隨著MBR工藝的不斷發(fā)展與成熟，該工藝將越來越多的應(yīng)用于污水處理的各個(gè)行業(yè)，在人們的生活與生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。以下幾個(gè)方面將會(huì)得到MBR技術(shù)的日益普及。

1.現(xiàn)有城市污水處理廠的更新升級(jí) 。

2.無排水管網(wǎng)系統(tǒng)地區(qū)的污水處理，如居民點(diǎn)、旅游度假區(qū)、風(fēng)景區(qū)等。

3.有污水回用需求的地區(qū)或場(chǎng)所，如賓館、洗車業(yè)、客機(jī)、流動(dòng)廁所等 。

4.高濃度、有毒、難降解工業(yè)廢水處理。如造紙、制糖、皮革等行業(yè)

5.垃圾填埋廠滲濾液的處理及回用

6.小規(guī)模污水廠（站）的應(yīng)用。