膜生物反应器在污水处理技术中的新应用

单秀华，高书香，褚会丽，王 晶

(承德石油高等专科学校石油工程系，河北 承德 067000)

据统计，全国废水排放总量在逐年增加，而城市污水处理率却较低。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，而且严重威胁到城市居民的饮水安全和健康。城市污水主要包括工业废水和生活污水，污水中会有大量的难降解有机物，增加了污水的处理难度，影响着污水处理技术的选择。膜生物反应器法是近年来发展较快的较有效的一种污水处理方法［1-3］，其出水水质优质稳定、剩余污泥产量少，能有效降低污水中的氨氮及难降解有机物含量［4］，但高昂的膜制造成本和膜污染制约了膜技术的应用。为满足日益严格的污水排放标准，特别是零排放标准，发展了另一种新型的污水处理工艺-活性炭膜生物反应器(GAC-MBR)污水处理技术，该技术对难降解有机物处理具有显著的效果，由沙特阿美公司运用西门子水处理技术(SWT)研究试验完成。

1 膜生物反应器(MBR)污水处理技术

膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)在污水处理领域的应用越来越引起人们的广泛关注，MBR是高效膜分离技术和传统活性污泥法的结合，是一种新型的污水处理技术。它与传统污水处理法相比具有许多特殊优点，出水水质优质稳定、占地面积小、剩余污泥产量少等［5］。该技术几乎能将所有的微生物截留在生物反应器中，这使反应器中的生物污泥浓度提高，理论上污泥泥龄可以无限长，使出水的有机污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，对难降解的工业废水也非常有效。

1.1 国外研究现状

1969年美国的Smith等人首次报道了将活性污泥法与超滤膜组件相结合用于处理城市污水的工艺研究［6］;1996年Ueda等人开展了应用一体式膜分离活性污泥处理城市污水的生产性研究;Livingston等人使用萃取膜生物反应器成功进行了一氯硝基苯化工废水处理研究等。本世纪初，人们对膜生物反应器的研究方兴未艾，使得该项技术正在逐渐趋于成熟。目前在世界范围内，实际运行的MBR系统已经超过500套，约66%的工程在日本，其余主要在北美和欧洲。这些工程中98%以上是膜分离工艺与好氧生物反应器相结合，约55%是膜浸式MBR，其余则是外置式MBR。

1.2 国内研究现状

我国对膜生物反应器污水处理技术的研究较晚，但发展迅速。2002年膜生物反应器的研发又被列为“863”重大科技项目，推进膜生物反应器在污水处理及回用中的应用［7］。MBR在中国已经成功应用于食品、石化、印染、啤酒、烟草等工业废水的处理，建设了数个万吨级的MBR工业废水处理工程。张西旺等在研究一体式膜生物反应器处理高氨氮小区生活污水的中试中发现，通过增设泥水回流和缺氧区，可将氨氮去除率从60%提高到95%以上;周建仁等在研究膜生物反应器处理高浓度生活污水的实验中发现，在进水COD为1 250～13 500 mg/L时，去除率可高达94.1% ～95.6%，BOD5的去除率可达98%以上。自2005年以来，新建大中型MBR的处理量年增长率均高于100%。根据预测，中国今后5年内MBR技术产业将以50%～100%的年增长率高速发展，大大高于国际平均增长率。

近几年来，MBR作为一种新型高效的污水处理方法，通过与不同的污水处理流程相结合，处理工艺得到了很大拓展［8］。例如:MBR与序批式反应器(SBR)相结合的工艺;MBR与升流式厌氧虑床(AUBF)相结合工艺;MBR与高效生物反应器(HCR)相结合工艺等。

2.3 膜生物反应器的技术特点

目前膜生物反应器已应用于美国、德国、法国和日本等十多个国家，规模从6 m3/d至13 000 m3/d不等。近两年在中小型污水处理方面应用越来越多，大有取代近10年来占据主导地位的生物接触氧化工艺的趋势。

该工艺是以膜分离技术替代传统二级生物处理工艺中的二沉池。除上文所提到的优点外也存在一些不足［9］，主要表现在以下几个方面:1)膜造价高，使膜生物反应器的基建投资高于传统污水处理工艺;2)膜污染容易出现，给操作管理带来不便;3)能耗高，在用于处理污水的MBR中通常都维持较高的残余固体污泥浓度，这易导致氧传递率的降低，运行能耗变大，水温升高，污泥活性下降等问题。

为进一步提高MBR工艺污水处理效率，降低在污水处理过程中的膜污染率等问题，国外研制了MBR污水处理技术的改进技术:活性炭-膜生物反应器(PAC-MBR)技术和粒状活性炭-膜生物反应器(GAC-MBR)污水处理技术［10］。

2 PAC-MBR污水处理技术

PAC-MBR集物理吸附、生物降解以及膜分离于一体，PAC因具有巨大的比表面积和发达的内部孔隙，能较好地吸附有机物，适合微生物的附着、固定和生长，提高了系统抗冲击负荷的能力和处理过程的稳定性，再结合膜的过滤截留以及表面生物氧化作用，可使出水水质得到大大改善［11］。PAC-MBR技术是在膜过滤单元中实现活性炭的吸附和生物降解作用，同时因MBR中PAC的添加，使得MBR中亚硝酸盐氧化菌迅速恢复活性并大量繁殖，最终将氨氮完全转化为NO－3，MBR中的微生物代谢产物SMP含量增高［12］。该技术因为PAC的添加使得去除难降解有机物能力提高了三倍以上，活性炭的膜生物修复作用能大大降低因去除有机物所消耗的费用。然而大多数的研究都集中在粉状活性炭的吸附和对化合物的生物降解上。PAC-MBR技术也存在着不足，在PAC-MBR技术的应用过程中，存在生物膜的磨损以及膜表面渗透率降低的现象，膜污染在一定程度上制约了该技术的推广应用［13］。针对PAC-MBR技术在处理污水方面存在的问题，沙特阿拉伯石油公司提出了一种新的污水处理方法，即粒状活性炭-膜生物反应器(GAC-MBR)污水处理技术。

3 GAC-MBR污水处理技术

粒状活性炭-膜生物反应器(GAC-MBR)污水处理技术在去除难降解化合物的同时，可使膜磨损及渗透率都有极大的降低［5］，同时活性炭的生物修复作用会更加有效地降低在去除难降解化合物方面的费用。

GAC-MBR污水处理工艺实验装置简图如图1所示。膜生物反应器由生物反应器、浸没式膜组件和液位控制器组成。其中生物反应器的有效容积为10 L，反应器中装有1个膜组件，所用膜片为孔径 0.1 μm的 PVDF膜，有效膜面积为0.10 m2。通过液位控制器的高、中、低液位来控制反应器的进水，抽水泵抽吸出水，采用错流微孔曝气，DO 控制在 3.0 ～4.0 mg/L。

污水供给罐中的原油污水由抽水泵泵入到生物反应器中的曝气罐中，GAC在加入罐之前要先进行清洗，以除去其表面的细杂质颗粒，然后人工手动加入曝气罐中。泵吸入液进入安装有槽楔式筛网的膜操作系统(MOS)，这个筛网可以将GAC隔离在曝气罐内，在MOS罐中，污水的pH由安装在曝气罐中的pH计来控制［14］(10%的硫磺酸和10%的氢氧化钠来用作酸和碱)。

在常规操作中，MBR交替在过滤模式和松弛模式中间。在过滤模式中，排水管上的泄水阀关闭，滤液泵就会在中空纤维膜上抽吸出真空;在松弛模式中，滤液泵关闭，在排水管道上的泄液阀打开，排掉膜纤维上的真空;可编程控制器控制着西门子所使用体系中的松弛和过滤比。

在GAC-MBR的工艺流程中，同样依靠活性炭的高吸附能力，能高效率地去除难降解有机物［15］。在曝气作用下GAC在反应器中不停地运动，与膜表面产生摩擦，这在很大程度上抑制了膜表面沉积层的快速形成，在某些情况下，即使沉积层在膜表面部分形成，也会在活性炭的摩擦下慢慢变薄，甚至脱落。在曝气和膜操作系统过程之间的筛率/分离系统可以起到阻止粒状炭接触膜，从而降低表面磨损，并保持膜的高渗透率，生物膜的生物修复作用能大大地降低在去除难降解有机化合物方面的成本。活性炭和生物膜的结合将会使得在处理难降解有机化合物污水方面更加经济有效，经试验研究，GAC-MBR比PAC-MBR有较好的膜通量，且过滤阻力较低，GAC-MBR可大大减缓膜污染，延长膜的过滤周期。

GAC-MBR工艺技术可满足日益严格的污水排放标准，特别是零排放标准，目前该技术已进行了中试放大试验，并取得了较好的效果。

4 结论

1)MBR具有传统生物反应器所无法比拟的优点，目前已在水处理领域得到了较为广泛的应用，但高昂的膜制造成本及膜污染问题的存在一定程度上限制了大规模应用。

2)对高含量难降解有机化合物的废水处理，PAC-MBR是一个可靠的水处理体系。但PAC-MBR体系中的膜会由于与PAC的接触产生严重的腐蚀并且会失去渗透性，膜的预期寿命降低，增加了污水处理经济成本。

3)GAC-MBR与PAC-MBR相比表现出更好的去除难处理有机物的能力，能够处理得到应用于各种设备的排出液，且GAC-MBR不发生PAC-MBR中出现的表面磨损，大大降低了在污水处理方面的使用费用。

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