膜生物反应器概述

金凯　刘靓　周安兴

摘 要：膜生物反应器通过膜强化生化反应的污水处理新技术。介绍了膜生物反应器的技术原理、研究现状，指出MBR工艺具有污染物去除效果好，污泥产率低的优点，分析了影响MBR处理效果的因素，并提出对MBR的技术展望。

关键词：膜生物反应器 研究现状 优势 展望

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0129-02

随着经济的发展和人口的增长，水资源面临的严重挑战。为解决水资源短缺等问题，将污水再生利用已成为人类解决水资源短缺的重要手段之一。从而减少污水对生态环境的污染，降低新鲜水的使用量，减轻供水与用水之间的矛盾，对工农业来说提供了新水源。因此，从节约用水角度上看，污水的再次利用的观点已得到广泛认可与支持[1]。膜生物反应器（MBR）的提出对污水处理技术来说，又是一次创新性挑战。

膜生物反应器主要由膜组件及生物反应器组成。膜生物反应器包括：固液分离型膜生物反应器、萃取膜生物反应器、曝气膜生物反应器。其中在水处理中应用最为广泛的是固液分离型膜生物反应器，另外两类处于研究阶段。膜生物反应器将生物降解作用与膜分离技术集于一体，以膜过滤替代活性污泥法中的沉淀池实现泥水分离。

1 研究现状

目前，国内对MBR的研究主要集中在以下几个方面：（1）膜分离与不同处理工艺的组合，处理工艺包括：活性污泥法、生物膜法、活性污泥与生物膜的复合式工艺、接触氧化法、两相厌氧工艺等；（2）膜污染的影响因素及机理，探索最佳工艺参数，减少膜污染，提高处理能力及稳定运行；（3）研究对象由生活污水发展到高浓度废水，同时对挥发性有机物进行动力学研究。

目前，MBR在欧洲、美国、日本、中国等[2]国家运行较多，经过几十年的研究，MBR技术已成熟发展，广泛应用于市政污水、工业废水、垃圾渗滤液等污水领域。据统计，MBR市场规模在过去5年里增长1倍，2005年市场销售额为2.17亿美元。2010年，市场规模达3.6亿美元。MBR市场发展速度快于污水深度处理设备，也快于其它形式的膜法水处理系统。

2 MBR的特点

2.1 污染物去除

MBR与传统工艺相比，MBR出水水质优于传统生物处理工艺。MBR处理后的生活污水COD、BOD、浊度较低，大部分病毒、细菌被截留，出水可直接用于消防、绿化等。同时，膜的截留作用防止了硝化细菌的流失，保持反应器内高浓度硝化细菌的有利条件，提高硝化作用。张军[3]等人对MBR的研究表明，MBR对氮的去除效果为97%，但MBR对氮的去除易受温度、冲击负荷、HRT等因素的影响。在工业废水处理中的研究表明，MBR对难降解有机物、高浓度有机物，氨氮、浊度都能达到良好效果[4]。

2.2 污泥产率低

膜生物反应器因将污泥完全截留于反应器内，理论上实现不排泥操作-污泥零排放。Chaize和HLyard在利用膜生物反应器处理生活污水的小试中，研究了污泥龄对MBR的污泥产率的影响，研究表明污泥龄分别为50 d、100 d时，污泥龄越大污泥的产量越低，这主要是因为F/M的比例较低与较长污泥龄所导致的[5]。MLller等人在利用MBR处理生活污水的中试发现，在高污泥浓度（MLSS=40-50 g/L）及污泥龄=∞时，MBR几乎不产生泥，污泥全部被截留。在SRT为5-80 d的情况下，桂萍等[7]人研究一体式MBR处理生活污水时发现，膜生物反应器的产率系数Y与衰减系数b值随SRT的增大而减小。在SRT=280 d时，刘锐等人[7]得出这样的结论：表观产率系数Y随运行时间的延长呈降低趋势，Y由反应器初期的0.248 kgVSS/kgCOD降低为0.083 kgVSS/kgCOD。在两段式膜生物反应器中，张绍园等[8]人应用食物链中能量递减的原理，引入后生动物-蠕虫，研究发现在有蠕虫的情况下，膜生物反应器其污泥产率远远低于一般活性污泥法的污泥产率率；随着蠕虫的浓度增加污泥产率越低，当蠕虫在100个/mL以上时，反应器内的污泥产率为0.1 kgSS/kgCOD仅为活性污泥法污泥产率的1/4。如维持蠕虫在系统内的最佳数量，使污泥产率趋向于零，达到污泥零排放的目的。

3 影响因素

3.1 有机负荷

在好氧膜生物反应器内，污泥浓度随污染物容积负荷的上升迅速增加，同时COD去除效率也加快，但污泥的负荷基本维持不变，保证了出水水质保持不变；但在厌氧膜生物反应器中，污泥浓度随污染物容积负荷的上升缓慢增加，故厌氧膜生物反应器出水水质受污泥容积负荷的影响[9]。在膜生物反应器内冲击负荷对有机物的去除效率影响不明显，但NH3–N的去除效果受冲击负荷的影响较为明显，去除效果与污染物冲击负荷呈正比，这主要是因为膜对NH3-N没有的拦截作用，故膜生物反应器对NH3-N的去除效果易受冲击负荷的影响。

3.2 污泥浓度

在膜生物反应器中污泥浓度是一个重要的影响因素，污泥浓度不仅会对污染物的去除效果产生影响，还影响膜通量。膜通量受污泥浓度影响的程度还与水力学条件、膜面循环流速、曝气强度等密切相关。在对膜生物反应器的膜污染速度与和膜通量、曝气量、污泥浓度的研究中，桂萍等[6]人发现，在不同污泥浓度的膜生物反应器中均存在一个临界膜通量，当膜通量大于临界膜通量时，悬浮污泥的沉淀是导致膜污染主要原因；当通量小于临界膜通量，溶解性有机物的沉淀是导致膜污染主要原因。在不同污泥浓度情况下，曝气量对膜污染的影响是不同的，当污泥浓度较低时，曝气量对膜污染未产生影响；当污泥浓度较高时，曝气量越大膜污染的速度越缓慢。

4 膜污染

膜污染是指膜的分离特性发生改变的现象。在膜生物反应器中存在大分子物质、颗粒胶体、物料颗粒与膜之间存在机械或化学、物理的作用，导致膜孔及膜的表面积缩小或堵塞。一般膜污染的主要原因是膜的堵塞，造成膜的堵塞一是吸附引起的不可逆堵塞，二是浓差极化引起的凝胶层。endprint

膜污染与浓差极化存在着密切关系，大部分膜污染的主要根源是浓差极化引起。膜生物反应器内的膜表面溶质浓度升高其原因就是浓差极化，浓差极化导致渗透压增大，减小传质动力，导致膜表面溶质浓度升高，当膜表面的溶质达到一定浓度时，膜可能发生溶胀或溶解恶化，膜的性能膜表面的凝胶层或沉积层会改变膜的分离特性；甚至出现结晶，阻塞通道，使运行恶化。颗粒物质小于膜孔径时，主要通过沉淀、结晶、浓缩或浓差极化导致溶质在膜表面超过其溶解度生膜发生堵塞，膜的透过量及奋力特性发生改变，导致膜污染。

膜生物生物反应器在污水领域的应用范围及规模不断发展，主要是因为膜生物反应器具有占地面积少、反应器内生物量大、污泥量低、泥水分离效果好、出水水质好等优点。但其应用范围较有限，主要是因为膜污染、高能耗、膜价格的制约，其中膜污染是影响膜生物反应器大力发展的主要因素，故解决膜生物反应器膜污染的问题使膜生物反应器的主要研究内之一。

5 结语

膜生物反应器作为一种新型污水处理技术，具有独特的优势，其可截留大部分污泥，因此反应器内生物量与容积负荷较高；同时可通过吸附等作用消除有毒物质减少读微生物的毒害及抑制，为微生物生长提供适宜场所；有利于世代周期较长的微生物生长，提高系统的脱氮效果。随着水污染的日益增加，膜生物反应器具有较好的市场。但膜生物反应器的膜污染、高能耗、膜价格等问题是抑制其发展的主要因素，因此，在污水中的广泛应用还有一定距离。尽快将膜生物反应器广泛应用，在以下几个方面还需要进一步研究：（1）开发价格低廉、透水量大、耐受压、耐酸碱腐蚀、化学性质稳定的高性能膜材料。（2）研究膜污染的成因，并寻求解决方法。（3）发展新膜生物反应器，降低动力能耗。

参考文献

[1] 王学松.现代膜技术及其应用指南[M].北京：化学工业出版社，2005：409-412.

[2] 冯文婕，蔡邦肖.膜生物反应器技术与市场的发展[J].水工业市场，2008（1）：23-28.

[3] 张军，王宝贞.复合淹没式膜生物反应器处理生活污水的特性研究[J].中国给水排水，1999，15（9）：13-16.

[4] 吴志超.膜生物工艺和活性污泥法处理巴西基酸生产废水的对比试验研究[J].中国给水排水，2000，16（3）：57-60.

[5] Chaize S，A～uyard.Membrane bioreactor on domestic wastewater treatment sludge production and modelling approach[J].watSci Tech，1991（23）：1591-1600.

[6] 桂萍.一体式膜生物反应器污水处理特性及膜污染机理研究[D].北京：清华大学，1999.

[7] 刘锐.一体式膜生物反应器的微生物代谢特性及膜污染控制[D].北京清华大学，2000.

[8] 张绍园.膜分离与生物降解组合工艺处理受污染水研究[D].北京：中国科学院生态环境研究中心，2000.

[9] 孟耀斌.分置式膜"生物反应器处理生活污水的抗冲击负荷能力[J].环境科学，2000，21（5）：22-26.endprint