MBR工藝在廢水處理中應(yīng)用進(jìn)展

膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor，MBR)是一種將膜分離技術(shù)和生物降解技術(shù)有機(jī)結(jié)合而成的新型水處理技術(shù)。該工藝?yán)媚し蛛x設(shè)備將生化反應(yīng)池中的大分子有機(jī)物和活性污泥截留在池中，從而可完全省掉二沉池；它幾乎能將所有的微生物截留在生物反應(yīng)器中，使得反應(yīng)器中保持很高的微生物量，污泥齡可以很長(zhǎng)，使出水中的有機(jī)污染物含量降到最低，有效地去除氮、磷污染物，因此，MBR工藝具有許多其它生物處理工藝不可比擬的優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用方面，MBR工藝既可用于生活污水的處理，也可用于難降解工業(yè)廢水的處理，經(jīng)處理排出的水還可以作為中水回用，所以MBR工藝具有廣闊的應(yīng)用前景。
1、MBR工藝概述
1.1 MBR工藝凈水原理
MBR工藝首先利用生物反應(yīng)器中微生物的降解作用對(duì)廢水進(jìn)行處理，再經(jīng)過(guò)膜的高效分離將大分子有機(jī)物和活性污泥截留在生物反應(yīng)器當(dāng)中。通過(guò)膜的分離技術(shù)大大強(qiáng)化了生物反應(yīng)器的處理性能，使活性污泥濃度大大提高，MBR工藝的水力停留時(shí)間(HRT)和污泥停留時(shí)間(SRT)可以分別進(jìn)行控制，提高了工藝的操作性。
1.2 類型
MBR的主要類型如表1所列。

分類依據(jù)	種類
膜組件功能	膜—曝氣生物反應(yīng)器、萃取膜 生物反應(yīng)器、膜分離生物反應(yīng)器
膜組件與生物反應(yīng)器組合形式	分置式、一體式、復(fù)合式
膜組件形式	管式、板框式、中空纖維式
壓力驅(qū)動(dòng)形式	外壓式、抽吸式
生物反應(yīng)器類型	好氧型、厭氧型

表1 MBR的分類
1.3 特點(diǎn)
1.3.1 MBR工藝的優(yōu)越性
(1)出水水質(zhì)穩(wěn)定。MBR能夠進(jìn)行高效的固液分離，膜單元能夠截留可溶性大分子化合物和微生物，出水水質(zhì)良好，可進(jìn)行回用。
(2)耐負(fù)荷沖擊。MBR的微生物濃度遠(yuǎn)高于其他生物反應(yīng)器，裝置能夠處理的容積負(fù)荷大，當(dāng)進(jìn)水的有機(jī)物濃度變化較大時(shí)，單位質(zhì)量微生物在單位時(shí)間內(nèi)處理的有機(jī)物質(zhì)量，即有機(jī)負(fù)荷率變化不會(huì)很大，那么系統(tǒng)的處理效果也不會(huì)有很大變化。
(3)工藝流程簡(jiǎn)單，工藝參數(shù)易于控制。
(4)剩余污泥量少，降低了污泥的處理費(fèi)用。
(5)對(duì)氨氮和難降解有機(jī)物的去除效果良好。
(6)操作管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
1.3.2 MBR 工藝的不足
(1)膜組件造價(jià)高，工程投資較大，比常規(guī)處理方法高30%~50%。
(2)膜容易被污染，需要定期進(jìn)行清洗，給操作管理帶來(lái)了不便。
(3)能耗較高，因?yàn)槟嗨蛛x過(guò)程需要一定的膜驅(qū)動(dòng)力，而且生物反應(yīng)器中污泥濃度很高，要有足夠的氧傳遞速率，需要加大曝氣量。
(4)目前的膜壽命都比較短，膜組件一般只能使用5 年左右，需要到期更換，進(jìn)一步增加了運(yùn)行成本。
2、國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用進(jìn)展
2.1 國(guó)外研究與應(yīng)用進(jìn)展
1966 年Dorr-Oliver公司第一次將膜技術(shù)用于廢水處理。1969年美國(guó)的Smith首次結(jié)合活性污泥法和超濾膜組件進(jìn)行城市污水處理的研究，該研究中用膜分離技術(shù)取代了二沉池，形成了
MBR工藝的雛形。20世紀(jì)70年代初期，MBR處理城市污水的研究規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，但由于膜生產(chǎn)技術(shù)的限制，20世紀(jì)70年代中期好氧MBR才開(kāi)始在北美得到應(yīng)用。
20世紀(jì)80年代，隨著膜材料的發(fā)展，MBR工藝也得到了迅速發(fā)展。由于日本國(guó)土面積小，地表水體因徑流距離短而導(dǎo)致自凈能力差，MBR技術(shù)得到大力研究和應(yīng)用。1983~1987年，日本就有13家公司使用好氧MBR工藝處理大樓廢水，處理后的水進(jìn)行中水回用。1985年日本的“水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計(jì)劃”大大推進(jìn)了MBR的處理對(duì)象和規(guī)模。
20世紀(jì)90年代以來(lái)，MBR工藝得到迅猛發(fā)展，并逐漸進(jìn)入應(yīng)用階段，許多歐洲國(guó)家將MBR用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。世界上第一套大型MBR安裝于美國(guó)俄亥俄州Mansfield的通用電機(jī)廠。由于高效的污水處理能力和中水回用效率，MBR在近年維持著每年高于10%的增長(zhǎng)率。目前，世界上設(shè)計(jì)運(yùn)行能力最大的MBR廢水處理工程是位于美國(guó)華盛頓州金縣的布賴特沃特污水處理工程，主體工程2011年9月開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，設(shè)計(jì)處理量為13.6 萬(wàn)m3/d，預(yù)計(jì)到2040年處理量將要達(dá)到20.4萬(wàn)m3/d。近年來(lái)，人們對(duì)MBR 工藝的研究和應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，該技術(shù)正在逐漸趨于成熟。
2.2 國(guó)內(nèi)研究與應(yīng)用進(jìn)展
我國(guó)對(duì) MBR工藝的研究起步較晚，至今只有十多年的時(shí)間，但發(fā)展十分迅速。1991年，我國(guó)首次報(bào)道了MBR在日本的應(yīng)用情況，此后，MBR在我國(guó)污水處理方面的研究和應(yīng)用逐漸展開(kāi)。在我國(guó)率先進(jìn)行MBR工藝研究的主要是一些高等院校和科研單位，1992年天津大學(xué)開(kāi)展了利用中空纖維膜進(jìn)行泥水分離的研究，對(duì)MBR處理污水及回用進(jìn)行了研究。清華大學(xué)錢易教授的團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了九五科技攻關(guān)課題“膜生物反應(yīng)器處理染料等工業(yè)廢水研究”，863重大課題“新型膜生物反應(yīng)器的研制與應(yīng)用”等一系列重大科研項(xiàng)目。中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心的樊耀波、鄭祥等較深入研究了MBR反應(yīng)器在石化廢水及毛紡廢水的應(yīng)用。隨著研究的逐漸深入，MBR的處理對(duì)象延伸到石化廢水、高濃度有機(jī)廢水、食品廢水、啤酒廢水、礦區(qū)廢水、印染
廢水、養(yǎng)殖廢水等，對(duì)不同廢水的處理效果、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、操作條件的優(yōu)化等方面均進(jìn)行了廣泛深入的研究。
目前我國(guó)的MBR工藝雖較多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但也有不少應(yīng)用于實(shí)際工程。截至2013年底，我國(guó)已有50多個(gè)規(guī)模超萬(wàn)噸的MBR工程投入到運(yùn)行中，累計(jì)處理能力超過(guò)230萬(wàn)噸/天。
MBR工程在華北地區(qū)主要用于市政污水處理和再生水回用，在東南地區(qū)主要用來(lái)處理高濃度有機(jī)廢水與難降解工業(yè)廢水。預(yù)計(jì)到2015年，我國(guó)投入運(yùn)行和在建的MBR系統(tǒng)累計(jì)處理能力將超過(guò)500萬(wàn)噸/天。表2列出了我國(guó)部分MBR工程的應(yīng)用情況。

單位	原水類型	水處理量/(m3·d-1)	投運(yùn)年份
北京密云再生水廠	市政污水	45000	2006
北京北小河污水處理廠	生活污水	60000	2007
內(nèi)蒙古金橋電廠	電廠廢水	31000	2006
無(wú)錫碩放水處理廠	生活污水	20000	2009
廣東惠州大亞灣石化	石化污水	25000	2006
天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院	醫(yī)院污水	1000	2005
徐州卷煙廠污水處理及中水回用項(xiàng)目	卷煙廢水	2000	2007
安徽省某新農(nóng)村社區(qū)污水處理站	農(nóng)村污水	500	2012

表2 我國(guó)部分MBR工程
從表2可以看出，我國(guó)MBR工藝的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到生活污水、工業(yè)廢水、卷煙廢水、醫(yī)院廢水等各個(gè)行業(yè)。
3、研究熱點(diǎn)與前景展望
3.1 膜污染
3.1.1 膜污染及其危害
膜污染指的是與膜接觸的污水中的膠粒、微粒以及溶質(zhì)分子等在物理、化學(xué)、生化作用和機(jī)械作用下，在膜表面或膜的微孔內(nèi)積累、沉積，微生物在膜表面積累，使得膜孔徑變小和堵塞，使膜通量和分離特性大幅度下降的現(xiàn)象。膜污染的產(chǎn)生直接導(dǎo)致膜通量的下降，大大縮短了膜的使用壽命，就需要增加更換膜組件的頻次，從而提高了MBR系統(tǒng)的運(yùn)行成本。
3.1.2 膜污染的來(lái)源
(1)微生物產(chǎn)生的胞外聚合物(EPS)。EPS主要是在一定環(huán)境條件下，微生物在其代謝過(guò)程中分泌的包圍在微生物細(xì)胞壁外的多聚化合物，主要成分為蛋白質(zhì)和多糖。EPS的積累會(huì)引起混合液粘度的增加，容易在膜表面形成凝膠層，導(dǎo)致膜過(guò)濾阻力增加。
(2)溶解性有機(jī)物質(zhì)(SMP)。SMP主要是微生物基質(zhì)分解過(guò)程和內(nèi)源呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的腐殖質(zhì)、多糖和蛋白質(zhì)等物質(zhì)。這類物質(zhì)極易堵塞膜孔，而且還會(huì)對(duì)污泥活性產(chǎn)生影響引起嚴(yán)重的膜污染。
(3)污泥濃度。MBR中的污泥具有較高的污泥濃度和SRT，隨著污泥濃度增加，污泥和污水的粘度都會(huì)隨之增加，一方面使得污泥在膜表面沉積，另一方面影響氧氣傳質(zhì)效率，兩方面的原因都會(huì)加劇膜污染。
3.2 膜污染的控制措施
(1)改善膜性質(zhì)。通過(guò)化學(xué)改性將疏水性膜轉(zhuǎn)變成親水性膜，親水膜與水分子之間形成氫鍵，能夠在膜表面形成一層水分子層，對(duì)保護(hù)膜免受污染有積極作用。常用的改性方法有接枝、共聚、交聯(lián)、等離子或放射性刻蝕等。
(2)優(yōu)化膜組件設(shè)計(jì)。膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括膜材料和膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及合理的流道結(jié)構(gòu)和裝填密度。膜材料通常選用親水性的，膜結(jié)構(gòu)一般選用不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可降低膜孔堵塞。還需要結(jié)合水力條件，合理設(shè)計(jì)膜組件與曝氣裝置間的距離，既不影響氣體傳質(zhì)效率，又能提高液體的上升速率以減輕污泥在膜表面的積累。
(3)優(yōu)化操作條件。對(duì)操作條件的優(yōu)化包括尋找系統(tǒng)的最佳錯(cuò)流速度，選擇合適的臨界膜通量，進(jìn)行間歇抽吸操作，采取合理的曝氣強(qiáng)度，選用合適的操作溫度。在上述條件的綜合作用下，可減小膜阻力、改善膜的通透性、最大程度減輕膜污染，從而延長(zhǎng)膜的使用壽命。
(4)改善混合液特性。與膜直接接觸的混合液是造成膜污染的根本原因，所以對(duì)混合液進(jìn)行有效的預(yù)處理，可以起到優(yōu)化混合液性質(zhì)的作用，有助于減輕膜污染。向混合液中投加填料也是一種改善混合液性質(zhì)的途徑，通常投加的是粉末活性炭、沸石、絮凝劑、泡沫填料等。
3.3 MBR工藝前景展望
由于該工藝存在膜組件價(jià)格昂貴、膜污染控制難度大、膜清洗不徹底等問(wèn)題，今后MBR工藝的研究重點(diǎn)將集中在以下幾個(gè)方面：
(1)膜污染的機(jī)理和控制技術(shù)。利用新技術(shù)和新方法探究膜污染的機(jī)理，才能制定出更加簡(jiǎn)單有效的控制措施來(lái)減緩膜污染的發(fā)生。
(2)研發(fā)高效、高性能、耐污染和經(jīng)濟(jì)可行的膜材料。開(kāi)發(fā)出新型耐污染的膜將大大推動(dòng)MBR工藝的應(yīng)用。
(3)優(yōu)化MBR工藝的整體運(yùn)行流程和運(yùn)行條件，保證更良好穩(wěn)定的處理效果，降低能耗。
MBR工藝由于其對(duì)廢水的處理效果良好，可滿足中水回用的要求而受到廣泛關(guān)注和研究，在水資源逐漸匱乏的今天顯示出良好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。但尚需要解決其工藝流程和運(yùn)行條件的優(yōu)化、膜污染的機(jī)理與有效控制途徑、經(jīng)濟(jì)型膜材料的開(kāi)發(fā)等問(wèn)題，才能進(jìn)一步推廣MBR工藝的應(yīng)用，使其成為今后替代傳統(tǒng)廢水處理工藝的有力競(jìng)爭(zhēng)者，為我國(guó)的廢水處理行業(yè)提供一種高效并且經(jīng)濟(jì)可行的選擇，為緩解水資源短缺問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。