城市污水膜生物反应器处理新技术

中煤国际工程集团沈阳设计研究院 王泽宇

中煤国际工程集团沈阳设计研究院 张 利

沈阳华维工程有限公司 解英丽

城市污水膜生物反应器处理新技术

中煤国际工程集团沈阳设计研究院 王泽宇

中煤国际工程集团沈阳设计研究院 张 利

沈阳华维工程有限公司 解英丽

膜生物反应器（Membrane Bioreactor，MBR）污水处理的研究始于上世纪90年代，因为MBR具有出水水质良好、污泥量少、易于运行调控、节省空间等特点，逐渐在城市污水处理中得到应用。

一、MBR工艺类型

按其膜组件的设置位置可分为一体式（淹没式）和分置式（错流式）。一体式MBR优点是省去了循环泵而降低了能耗，同时节省了大量空间。分置式MBR优点是膜组件清洗和拆卸容易，更适合于成分复杂、易发生膜污染、需要频繁清洗膜组件的污水处理。

按膜的用途不同，MBR工艺类型可分为固液分离MBR、无泡曝气MBR和萃取MBR。与固液分离MBR相比，无泡曝气或萃取MBR工艺可在一些特殊污水处理领域发挥技术优势。

二、MBR工艺的新发展

针对传统好氧活性污泥MBR生物反应器其悬浮污泥浓度过高，导致膜污染速率快、脱氮除磷效果不理想、曝气能耗较高等主要问题，又开发出了一些新型MBR工艺，从而提高了污染物去除率和运行稳定性。

1. 复合MBR工艺。它是将生物膜法或生物接解氧化法与活性污泥法结合而构成的复合生物反应器（Hybrid Bioreactor，HBR）与膜分离技术联合应用工艺。在HBR-MBR工艺中，有生物膜和悬浮活性污泥两种形式的微生物共存，二者发挥各自的优势，共同承担去除污染物的作用，使得出水水质得以提升，出水氨氮浓度低于活性污泥MBR，同时抗冲击负荷的能力得到增强。因生物载体的介入而形成的生物膜具有多层结构，从外至内因氧传递阻力的增加而形成氧浓度梯度，进而构成外层以好氧为主而内层以缺氧或厌氧为主的微环境，有利于提高系统的生物脱氮除磷能力。另外，复合生物反应器中微生物群落结构多样化，生物的食物链长，可有效改善污泥性状，提高其处理能力。与传统高浓度的活性污泥工艺相比，HBR—MBR工艺由于总生物量中悬浮污泥浓度的减少而有利于减缓膜污染，提高系统运行的稳定性。但如果悬浮污泥浓度过低，溶解性有机物对膜污染的作用增加，反而会加剧膜污染。

2. 厌氧MBR工艺。厌氧MBR即厌氧生物处理与膜分离相结合的工艺。各类厌氧反应器都可以与膜分离组合使用，如完全混合厌氧反应器、上流式厌氧污泥床（UASB）、膨胀污泥颗粒床（EGSB）。膜分离的使用，可以不需设计严格的三相分离器，即可实现对生物污泥及大分子物质的有效截留，因此，可以弥补厌氧反应器由于三相分离器设计或运行不当带来的生物流失和对悬浮性有机物处理不理想的缺陷。厌氧MBR中高污泥浓度环境以及颗粒状大分子难降解有机物长时间地被滞留在反应器内，促进了污染物的生物降解。除与单相厌氧反应器组合以外，膜也可以与两相厌氧反应器组合，即产酸反应器+膜分离+产甲烷反应器。在两相厌氧MBR中，膜的加入不仅有利于产酸相和产甲烷相的分相，使产酸反应器的酸化率明显提高，而且可使两相厌氧消化系统的运行稳定性增加。

3. 好氧颗粒污泥MBR工艺。好氧颗粒污泥是在好氧条件下自发形成的细胞固定化颗粒，因其具有良好的沉降性能、较高的生物量和在高容积负荷下降解高浓度有机废水的良好生物活性，可以形成具有同步硝化反硝化能力的微环境等特点而备受关注。在好氧颗粒污泥MBR工艺中，好氧颗粒污泥浓度可维持在14~16g·L-1，较高的污泥浓度和颗粒污泥内部缺氧、厌氧环境的存在，使MBR中硝化和反硝化过程并存。在HRT为 6 h，溶解氧浓度为4~6 mg·L-1， COD的容积负荷为7.24kg·m-3·d-1的条件下，COD的去除率可达96%以上；当氨氮容积负荷为0.17kg·m-3·d-1时，氨氮去除率可达60%。颗粒污泥既可以利用外源溶解性基质又可以利用细胞内储存物质为碳源进行反硝化。在运行过程中好氧颗粒污泥的生物活性略有降低，但由于颗粒污泥中菌体结合紧密，对环境表现出良好的承受能力，从而使其生物活性变化幅度并不显著。

4.投加基因工程菌MBR工艺。基因工程菌（Genetically engineered microorganism，GEM）是指运用生物工程技术把某种降解菌的基因片段通过转基因工程转入菌株，培养出具有特定降解功能的高效特种菌。将GEM投加于MBR工艺中，膜对GEM的高效截留作用，有利于保持GEM的种群优势，改善生物强化稳定性，提高系统对污水中难降解有机物的去除效果。同时，GEM强化的MBR对COD和氨氮也有良好的去除效果，COD和氨氮平均出水浓度分别为65 mg·L-1和1 mg·L-1，其相应的平均去除率为71%和97%。与传统活性污泥法相比，膜出水中GEM流失密度很小，大幅度降低了由GEM流失可能带来的环境污染。

三、工艺的改进和应用发展

1. 工艺的改进。

（1）进一步降低MBR运行能耗。浸没式MBR与传统的外置式MBR相比，在能耗方面已有明显降低，但仍高于传统的活性污泥工艺。通过研发更为高效的反应器和膜组件，发展新型气水错流技术，进一步降低能耗，使MBR技术更具竞争力。

（2）提升膜材料和膜组件性能。目前在中国市场上应用较多的还是国外膜材料和膜组件。国产膜材料和膜组件在价格上有优势，但性能方面还有待提高，应考虑开发寿命长、强度好、抗污染、价格低的膜材料。

（3）膜污染及其控制技术。这是要不断深入研究的课题，尤其是针对成分复杂的工业废水。利用分子生物学、显微可视化方法等深入研究膜污染机理，探索更为有效和简便的方法控制和减缓膜污染的发生。

（4）MBR工艺的整体优化。从污染物处理效果和膜污染控制双重角度优化MBR整体工艺，保证MBR的处理效果和稳定运行。

2. 工艺的应用发展。

（1）城市污水资源化。考虑运用MBR工艺生产高质量的再生水，使城市污水资源化利用。为了保证再生水的安全性，MBR对新型化学物质的去除应得到更多重视；同时MBR处理城市污水的设计准则和指南需要尽快建立。

（2）工业废水处理与回用。在工业废水处理中，应注意组合工艺的开发和应用，如MBR+物化工艺，高效菌种+MBR处理难降解有机废水等。由于工业废水成分的复杂性，应予以膜污染控制特别重视。

（3）饮用水源水净化。如微污染水源水净化、地下水脱氮等，都将是今后MBR应用的领域。