前言
近年來，隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對水環境質量的要求也越來越高。傳統的生物處理工藝出水難以滿足越來越嚴格的污水排放標準的要求，各種新型、改良的生物處理技術應運而生。而其中最引入注目的是用膜分離技術代替傳統的重力式固液分離技術：膜－生物反應器組合污水處理工藝。膜生物反應器國際上于20世紀60年代開始研究、90年代得到快速發展和應用。作為一種新型的水處理技術,由于具有占地少、出水水質好，運行穩定可靠的等優點,受到了國內外水處理界的高度重視。
 
1 MBR處理原理及類型
1.1 MBR處理原理
膜生物反應器是生物處理技術與膜分離技術相結合的一種新型、高效的污水處理技術。它主要由生物反應器和膜組件兩單元設備組成。利用微生物對反映機制進行生物轉化，利用膜組件分離反應產物，并截留生物體，實現水利停留時間與污泥停留時間的徹底分離，消除了傳統活性工藝的污泥膨脹問題，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌的出現，提高了生化反應速率，同時，通過降低F/M比減少了剩余污泥產量，提高生化處理效果。
 
1.2 MBR主要類型
按膜組件的作用方式,MBR可分為內壓式和外壓式兩種。內壓式中,水的透過方向是從管內向管外,而外壓式相反。在實際應用中大多使用的是外壓式MBR,因為內壓式MBR流道往往較小,容易被污染顆粒所堵塞。
按膜分離技術與生物反應器的組合方式,可分為分置式和一體式(淹沒式)兩種MBR:分置式MBR是指膜組件與生物反應器分開設置,靠加壓泵加壓,從生物反應器抽水壓入膜組件中,膜的濾過水排出系統。一體式MBR是將膜組件直接浸沒在生物反應器中,微生物在曝氣池中好氧降解有機污染物,空氣攪動在膜表面產生紊流,在這種剪切力的作用下,膠體顆粒被迫離開膜表面,減緩膜的堵塞,膜出水靠抽吸泵抽吸出水。^[1]
按膜組件在生物反應器中的作用不同可分為三種:固液分離MBR、無氣泡膜曝氣生物反應器(MABR)和萃取膜生物反應器( EMBR) 。其中固液分離MBR是最常用的。
 
2 膜生物反應器在廢水處理中的研究
2.1 生活廢水處理的研究
生活廢水是膜生物反應器在水處理中最早涉及的領域，研究和應用都比較廣泛。日本在1985年開始的“水綜合再生利用系統90年代計劃”把MBR研究在污水處理對象和規模上都大大推進了一步；加拿大的Zenon公司首先推出了超濾管式膜生物反應器,并將其應用于城市污水處理。各種研究表明膜生物反應器對生活污水中的有機物、含氮化合物、磷及其細菌和病毒的去除具備有良好的效果。
MBR對生活污水中有機物的去除來自于生物反應器對有機物的降解作用和膜對有機物的去除作用。In－Soung Chang研究發現膜表面的沉積層對溶解物的截留去除起著重要的作用。^[2]與傳統活性污泥法相比，MBR對有機物的去除效率要高很多。史紅文^[3]等人用MBR對生活污水處理試驗結果表明；膜生物反應器對生活污水中COD、BOD₅、SS、濁度的去除率分別達到90％～97％、97％～99％，92％～99％、98％～100％；出水水質好，易于回用。張壽通等^[4]把0.5μm孔徑的平板式不銹鋼膜組件應用于高溫好氧膜生物反應器中處理合成生活廢水.在35～55℃溫度范圍,反應器具有較高的污染物去除效率,出水水質穩定。平均進水COD為853.3mg/L,出水為19.2mg/L,去除率為97.7%。 此外，在污泥產率方面，Rosenberger^[5]等的中試研究得到了一個重要結論：在比負荷率足夠低（F/M≈0.07～0.1KgCOD/(KgMLSS·d)）時，膜生物反應器的污泥產率為零，反應器可以在無污泥排放的條件下穩定運行。
MBR可以通過膜的截留作用, 使硝化菌長期停留在好氧池內,延長了污泥齡,滿足了硝化菌的生長。同時,在MBR中還發現存在反硝化除磷菌, 在脫氮的同時也能有效地去除磷。目前,國內外采用厭氧或缺氧－好氧串聯工藝或序批式厭氧/好氧工藝對膜生物反應器進行了同時脫氮除磷研究,取得了較好的脫氮除磷效率。遲軍等^[6]采用兩級A/O工藝對模擬生活污水進行處理, 脫氮率達96%, 除磷率達70%。試驗還證明利用生物脫氮化學除磷可提高總磷去除率。對MBR脫氮除磷的機理，王寶貞等^[1]研究證明, 在活性污泥中存在著反硝化除磷菌(DPB) ,它們在缺氧條件下進行反硝化脫氮的同時, 還能攝取磷。K. H. Ahna^[7]A²/O 膜生物反應器工藝中觀察到同步脫氮除磷的現象, 證明部分聚磷菌具有利用硝酸鹽進行脫氮的能力, 即利用這種細菌來進行生物除磷脫氮既可以基本解決碳源需求等問題,又可以用DPB來實現傳統除磷脫氮工藝中的反硝化菌和聚磷菌兩類細菌的功能, 減少污泥產量, 降低污泥處置費用,減少構筑物數量和所需體積。
此外，MBR工藝用于城市和生活污水處理的另一大優勢是其物理消毒作用。幾乎所有的MBR都取得了對治病菌和病毒的有效去除，出水中腸道病毒，總大腸桿菌，糞大腸桿菌等都低于檢測線。刑傳宏等在利用城市污水的會用處理中，也得出了MBR處理后出水微生物指標能達到市政用水會用水指標，因此，MBR在灰水回用方面有很大的潛力和優勢，其原因之一就是MBR具有很好的消毒作用。^[3]
 
2.2 工業廢水處理的研究
MBR作為一種強化的生物處理工藝，在工業廢水的處理中也收到重視。但是，由于工業廢水水質差異很大，不像生活污水那種具有較多的共同特點，因此，采用的工藝多種多樣。
許多工業廢水中都含有碳氫化合物和表面活性劑的混合物，如石油工業廢水，壓縮機的濃縮液，潤滑油等。傳統生物處理技術往往難以徹底降解穩定液中的碳氫化合物。膜生物反應器在含油廢水的處理中具有一定的優勢。膜高效截留作用可截留膠體、大分子有機物以烴類化合物；高的污泥濃度提高了生化反應速率，較長的SRT提高了含油廢水中一些難降解化合物的能力。Scholez&Fuchs^[8]研究了膜生物反應器對穩定乳液中碳氫化合物和表面活性劑的生物降解性能，結果表明：在水力停留時間為13.3h，進水條件（0.26～0.54）g（碳氫化合物）/g(MLSS).d的工藝條件下，膜生物反應器對燃料油和潤滑油的去除率達99.99％。
　    印染廢水是一種有機物含量高、色度深、有毒、難降解的工業廢水,膜生物反應器具有較高的COD和色度去除效率;同時具有較強的耐沖擊能力，完全具有處理印染廢水的能力。Z. Badani^[9]等人采用分離式好氧膜生物反應器處理印染廢水, COD、色度的去除率分別達到97%、70%以上。同幟^[10]等采用A/O膜生物反應器處理印染廢水,當水力停留時間為9～10小時,進水COD、色度分別為1500～2300 mg/L、800 ～1200倍,對COD、色度的去除率分別達到了95%、90%;鄒海燕^[11]等把混凝劑Fe(OH)₃投入到膜生物反應器中形成生物鐵法－膜生物反應器,在處理印染廢水時與普通膜生物反應器進行平行對比試驗,結果表明,生物鐵法-膜生物反應器在提高處理效果、減輕膜污染、改善污泥性能方面具有明顯優勢。
任防振^[12]等利用兼氧/好氧膜生物反應器工藝對食品廢水處理。結果表明,投加粉末活性炭的兼氧/好氧與膜生物反應器組合(A/O+MBR)對食品廢水表現出良好的凈化效果,化學需氧量(COD)的平均去除率為96%,NH₃-N的平均去除率為91%,對濁度的去除率基本達到100%。J.A.Scatt等采用好氧膜生物MBR處理高濃度食品工業廢水，研究所用的分離膜為陶瓷膜，在廢水溫度25℃，進水COD濃度9600mg/l,BOD₅濃度5300mg/l和氮營養元素缺乏的條件下，MBR對COD、BOD₅、SS分別達到了98%、99%、99%的去除率。^[2]
各種研究均表明，膜生物反應器無論在處理高濃度易降解有機廢水方面還是在處理有毒難降解有機廢水方面都發揮著自身的優勢，比傳統的廢水生物處理工藝有更好的處理效果。
 
3 膜污染研究
膜污染一般指濾餅層污染和吸附性污染，前者源于截留組分在膜表面的富集積聚，是熱力學可逆的污染；后者源于污染物在膜表面的黏附，屬熱力學不可逆的污染。膜污染是限制MBR發展及工業應用的突出問題。
 
3.1 膜污染影響因素
膜污染的影響因素主要來自三個方面：（1）膜工藝的參數。如膜表面的錯流速度，滲透通量等，這些參數決定了膜過濾是處于超臨界區還是亞臨界區。（2）膜的性質。如膜的標稱孔徑和膜的浸潤性等，這些因素決定了濾餅層污染和吸附性污染的程度。（3）進料液的性質。如污泥濃度、污泥粒徑及其分布，胞外聚合物的濃度等，這些因素往往決定邊界層的性質。^[13]
 
3.1.1 膜表面的錯流速度
提高膜表面的錯流速度一般能夠改善膜的透過性，即提高膜的臨界流量。文獻報告幾乎都認為臨界流量與膜污染的錯流速度成比例線性增加。Fane和Zenon分別在懸浮物濃度為5g/L膜生物反應器中和采用了Zenon公司的膜組件后觀察到這一現象。Howell^[14]等采用了Kubota公司標稱孔徑為0.4μm的平板式膜組件進行了浸沒式膜生物反應器的研究，發現臨界流量隨表面的曝氣流速增加而增加，但臨界流量增加到23L/(m².h)后不再隨曝氣量而增加。關于此現象的解釋可能基于雷諾數和團流態，也可能基于不同曝氣強度時氣液兩相中氣泡的形態。不論基于何種理論，研究表明無論采用何種形式的膜組件，都存在一個最大的曝氣量，超過這一最大值后，增加曝氣量不再進一步促進濾餅層的去除。
 
3.1.2 微孔濾膜的孔徑
粗孔膜比細孔膜具有更嚴重的濾餅層污染趨勢。Hong^[15]在恒壓過濾的膜生物反應器中觀察到類似的現象。以污染產生的阻力Rf于膜的阻力Rm的比值來衡量污染的程度，實際運行的膜生物反應器表明，這一比之為20％～2000％；而對于孔徑細于0.02μm的多孔膜，這一比值普遍低于100％，隨膜孔徑的增加比值急劇增加。
 
3.1.3污泥性質
從濾餅層的形成機理看，直覺的會認為隨著生物反應池懸浮污泥濃度的增加，膜污染的程度也會增加，但是其他眾多文獻報道的數據卻相差甚大。Howell^[14]等在曝氣速率83mm/s）不變的條件下測試了污泥濃度分別為5.38g/L、9.14 g/L、12.46 g/L和21.07 g/L的工作曲線的滯后效應，得出了這樣的結果：污泥濃度低于12.46 g/L時，隨污泥濃度增加臨界流量反而增加，當污泥濃度超過這一數值后，增加污泥濃度才會導致臨界流量的降低。
對活性污泥各組分的膜污染問題上，學術界一直存在爭議。盡管對此問題未達成共識，但卻有一點是共同的結論：雖然溶解性物質和膠體物質的尺寸遠小于濾餅層主要組成成分的懸浮固體，但是它們同樣對濾餅層的形成起到相當大的貢獻。
此外，Li^[16]研究還表明，污泥的顆粒化程度和沉降性能構成了影響濾餅層的本質因素。至于污泥濃度與濾餅層的關系，可以大致認為低濃度條件下(MLSS<6 g/L),活性污泥濃度對膜污染影響很小；在中等濃度下（MLSS＝8 g/L～12 g/L）膜污染幾乎不受污泥濃度的影響，只有在高濃度（MLSS>15 g/L）的情況下，污泥濃度的提高才帶來顯著的濾餅層污染。Melin等^[17]認為最佳的污泥濃度應該是12 g/L～15 g/L的中等濃度范圍。
 
3.2 膜污染防治
3.2.1優化運行條件
根據臨界通量的概念,當膜通量>臨界通量時,膜污染急劇發展;當膜通量<這個值時,膜污染不發生或者非常緩慢。臨界通量與膜的性質、混合液性質、運行條件等有關。桂萍等研究表明: 縮短抽吸時間或延長暫停時間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染, 但過短的抽吸時間、過長的暫停時間和過大曝氣量不能進一步地減輕膜污染, 因此應在保證一定產水量的前提下確定適宜的抽、停時間和曝氣量。選擇合適的水力操作條件等于是在過濾操作的同時控制了膜污染,是比較理想的控制膜污染的辦法。不同的污泥濃度下存在不同的經濟曝氣強度,即膜過濾壓差上升速率最小的曝氣強度,基本上經濟曝氣強度與污泥濃度成正比例關系,污泥濃度分別為3、6、8和10 g/L時,對應的經濟曝氣強度為36、72、84和120m³/(m²·h)^[18]。
 
3.2.2改善膜的性能
污水處理中對膜材料的選擇主要依據污水的性質和膜本身的性質。在有足夠機械強度的前提下,膜的孔徑越小,厚度越薄,孔隙率越高,意味著可以得到更高的膜通量。親水性膜比憎水性膜污染速率低,具有更好的抗污染性質,在處理家庭污水的MBR中,后者的壓力增長速率是前者的2倍。另外,污水中的顆粒和雜質大多帶有負電荷膠團,選用荷負電的膜,利用同種電荷相斥的原理,使污染物不易在膜面沉積,從而在一定程度上防止膜污染。對膜面或膜材料作預處理,使其帶負電也可以達到同樣的效果。膜本身性質的強化對膜污染的控制會起到頗具廣泛性的作用。Hai-Yin Yu^[19]和Shaoyuan Zhang^[20]研究指出對膜面做等離子處理就可以使膜面結構、形態和親水性發生改變,從而得到具有低污染指數的膜。
 
3.2.3　預處理措施
對混合液進行絮凝、沉淀、投加填料等預處理, 可有效降低混合液懸浮物濃度, 改善活性污泥或膜表面的性質, 從而減緩膜污染的速率。Shon 等^[21]采用四種不同的預處理方法: FeCl₃絮凝、粉末活性炭吸附、絮凝和吸附、粒狀活性炭過濾, 結果發現采用絮凝和吸附方法可有效防止膜污染, 對TOC的去除率達到90%。膜污染物的主要組成部分是親水性有機化合物,但經過絮凝和吸附預處理的污染的膜表面和干凈膜表面的接觸角幾乎相等, 這表明經過預處理的膜表面形成了保護層, 經過預處理的膜最高的出水有機物濃度下降^[22]。
 
 3.2.4　膜的清洗
膜的清洗主要包括水力清洗和化學清洗,水力清洗包括水外洗和反沖洗。化學清洗包括堿洗和酸洗, 實際中往往采用多種清洗方式的組合對膜進行清洗,先水洗、后堿洗、再酸洗、最后水洗是有效的方法, 一般可使膜通量恢復到100%,各清洗方式對膜通量恢復的貢獻則是根據污、廢水的性質不同而略有不同。也有應用非常規技術方法對膜進行清洗的報道,如超聲波清洗就得到了較好的清洗效果。
 
4 　發展展望
隨著膜制造技術的進步，膜成本降低，MBR將得到更廣泛的應用，其發展趨勢可歸納為以下幾個方面:
(1) 加強適應于污水處理的高通量、耐污染、長壽命和低價格的膜材料與組件的開發。
(2)加強膜－生物反應器應用過程中膜污染及控制對策的研究。
(3)不斷降低能耗、投資與運行成本, 促進MBR技術的規模化應用, 達到與常規活性污泥法等多級處理技術相競爭的水平。
(4)利用膜的高效分離效果, 可進行高效菌種的選育, 也可用于含難降解有機物污水的處理。
(5)探索新型MBR。探索研究具有脫N除P性能新型MBR組合工藝,為解決水體富營養化和廢水再生回用提供新的途徑。
 
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