膜生物反应器在污水处理中的应用
2018-03-04
(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)
随着经济建设发展，现代化城市进程加快，废水排量也迅速增长。据统计，2015年全国废水排放总量为735.3亿吨。大量未经处理的废水肆意排放，不仅加重了水环境的污染程度，更危害了人们的身体健康，同时也会限制城市的发展。因此城市排放污水的处理对改善城市环境，保障社会经济发展起着至关重要的作用。近年来各种改良和高效的废水处理技术应运而生，其中膜处理技术，特别是膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)技术在废水处理中的应用格外引人关注。
1 膜生物反应器简介
膜生物反应器是膜分离技术与生物污水处理技术相结合的新型态废水处理系统。其主要组成部分是生物反应器、膜组件和控制系统。其中，生物反应器主要发生污染物降解，为该降解过程提供场所。膜组件由膜和其支撑部分组成，是整个反应器的核心部分[1]。
由于膜组件的不同及膜组件与生物反应器不同的结合方式，MBR可以有多种分类方法[2]：
(1)根据生物反应器中膜组件膜的孔径大小，MBR反应器可分为微滤、超滤、纳滤、渗透汽化等反应器。
(2)根据生物反应器反应过程是否需要曝气可以分为好氧型膜生物反应器和厌氧型膜生物反应器。其中好氧型主要用于处理城市废水和生活污水，厌氧型主要处理高浓度有机废水。
(3)根据膜组件中膜的形式及排列方法，MBR可以分为板框式、螺旋卷式、圆管式、毛细管式和中空纤维式膜组件。其中，常见的有板框式和中空纤维式。
(4)根据膜组件作用效果，其可以分为分离式MBR、曝气式MBR和萃取式MBR，分离式主要用来去除污水中的悬浮颗粒，高效地完成固液分离。曝气式主要应用于高需氧量废水的处理。萃取式主要用于工业废水处理中，用来完成废水中污染物的萃取收集。
(5)根据膜组件与生物反应器的位置摆放不同，MBR可分为分置式和一体式膜生物反应器。分置式膜生物反应器又称循环式膜生物反应器，混合液通过增压进入组件内部，在压力作用下，液体透过膜而固体颗粒被截留，浓缩液回流至生物反应器进行循环。而一体式则是直接将膜组件放在反应器内部。
2 MBR研究历程及应用
2.1 MBR的研究历程
二十世纪六十年代，Dorr-Olivier Inc.等[3]将活性污泥生物反应器与错流膜过滤相结合，首次实现了MBR在废水处理中的应用。1989年，Yamamoto等[4]提出将膜组件放在生物反应器内部，突破了一体式MBR反应器的进展。九十年代以来，由于膜通量的不断提高，膜污染控制技术和膜材料也有了很大的改进，膜生物反应器的成本越来越低，该工艺逐步受到关注。截止到2006年，全世界使用膜生物反应器的总值达到2.16亿美元[5]。相对而言，我国发展起步较晚，1991年上岑运华[6]首次研究探讨了膜生物反应器。虽然仅仅二十几年时间，但其发展趋势迅猛，增长速度远超于世界平均增速，目前在许多实际污水处理中得到良好的应用。
2.2 MBR的应用
2.2.1 MBR在城市污水处理中的应用
20世纪90年代末，随着一体式MBR的出现，膜反应器在城市污水处理中的应用得到了快速的发展，截止2005年，北美地区已建成219个MBR城市污水处理工程[7]。我国虽然起步较晚，但发展迅速，目前国内已经有较多正在运行或建设中的工程项目，表1列举了部分MBR的应用情况[8]。
表1 MBR在我国城市污水处理中的应用情况
2.2.2 MBR在工业废水处理中的应用
相比于城市污水处理，MBR在工业废水处理领域更具优势。据统计，目前MBR在工业废水处理中已占41%，广泛用于印染、焦化、电镀、炼油、食品、石化、啤酒、医药以及垃圾渗滤液等处理中。
四川某中药厂采用MBR工艺处理制药工艺废水，设置40片中空纤维超滤膜，采用厌氧及一体式设备，结果表明，COD去除率达到97.5%，SS可被完全去除，且由于MBR的稳定运行，其处理效果受进水水质影响不大。广州某药厂采用水解酸化+MBR+臭氧驼色工艺处理中等浓度的有机废水，对COD及色度的去除率高达96%、83%以上[9]。
广州工业园污水处理厂采用内置式膜生物反应器处理石化工业废水，处理后的废水COD低至40mg/L、BOD浓度5mg/L、氨氮基本完全去除，出水可直接回用，降低污水排放量[10]。
食品工业生产工艺复杂，品类繁多的特点使得其废水成分复杂，产生总量大，处理难度也相应增加。传统的活性污泥法处理能力有限，常常无法满足排放要求。而王苏南等[11]采用了AAO工艺与内置式生物膜反应器处理豆制品生产废水，结果表明，COD、氨氮的去除率可达到97.06%和97.85%，处理效果好、出水水质高。Chen等[12]分别采用UASB/CAS和MBR工艺处理食品废水，对比显示后者对COD和浊度的去除率均可达到99%以上，明显优于前者。
印染废水也是我国废水中的一大组成部分，其特点主要是有机物含量高、组成复杂，难生物降解，且水质变化较大等[13]。在国外，膜生物反应器在该领域废水处理中技术已经较为成熟，S. S. Turk等[14]使用超滤和反渗透二级处理装置处理某含染料废水，结果表明COD、色度、总磷的去除率均能达到90%以上，完全可以满足排放标准。在我国，郑祥等[15]也采用中式规模的生物膜工艺处理印染废水，出水COD、BOD5、色度、浊度平均去除率分别达到85.7%，92.3%，64.3%，98.9%。
3 MBR的特点
与传统的水处理方法相比，MBR有以下几个比较明显的特点：
(1)MBR可以有效地截留污水中的微生物，完美地实现了污泥龄和水力停留时间的分离。通过调整污泥龄的大小，使得生长周期较长的微生物如硝化细菌及反硝化细菌也可以成为优势菌种，在一定程度上可以提高整个反应器的脱氮效率，使得运行更加灵活稳定。
(2)MBR有较高的固液分离效率，出水效果良好且稳定，受进水水质影响小。由于膜的高效截留作用，反应器中较大的颗粒物、大分子的有机物、细菌等均被截留在膜的进水侧。同时不用考虑污泥膨胀。
(3)污泥浓度高，剩余污泥产量小。MBR可以在高容积负荷及低污泥负荷条件下运行,剩余污泥产量低，大大降低了后续的处理费用。
(4)MBR反应器结构紧凑，工艺设备集中，因此占地面积也较小，易实现一体化自动控制，操作管理方便。
尽管MBR具有上述特点，但也存在缺点，如膜污染严重、氧利用率低、投资成本高、水处理能耗较高、化学清洗废液会造成二次污染等。实际应用中膜污染是影响MBR推广的最大限制因素。
4 膜污染
4.1 膜污染形成原因
膜污染是指反应器在运行过程中由于废水中的微小颗粒，胶体或大分子溶质在膜表面发生物理化学等相互作用而造成的膜孔堵塞现象。污染的类型主要表现为孔口堵塞、孔内沉积、和表面污染(污泥层形成)以及各种污染形式的组合。膜污染主要分为以下几类：
(1)短期污染，短时间内由于浓差极化、凝胶层的形成使膜通量急剧下降，其为可逆污染，通过反洗，可以迅速去除恢复。
(2)长期污染，废水中的微小颗粒与膜表面发生的长期作用而产生的膜污染现象，其为不可逆污染，可以通过化学药剂清洗方法恢复。
(3)不可逆膜污染，由于反应器的长期运行而产生的不能被去除的污染。
4.2 膜污染影响因素
4.2.1 膜本身的性质
影响膜污染的因素主要包括膜材质、膜孔径、膜的亲水性、膜表面粗糙度、电荷性质和密度等。膜组件根据膜材料的不同主要分为无机膜和有机膜，其中应用于膜生物反应器中的膜主要是无机膜，较有机膜而言使用寿命较长，不易形成膜污染现象。膜的孔径大小及分布对膜污染也有一定的影响，溶液性质不同、颗粒大小分布不同，需采用不同孔径的膜材料。与较大孔径的膜相比，小孔径膜更容易截留溶液中的污染物，因此而产生沉积层，增加膜阻力，加重膜污染现象。膜材料的憎水性对膜污染也会产生影响，Chang等[16]分别采用憎水性和亲水性超滤膜，结果显示憎水性超滤膜更易吸附溶解性物质，从而产生膜污染。Choi等[17]的研究也表明，膜表面吸附污染物的可能性随膜表面粗糙度的增加而增加，但同时粗糙度的增加使扰动作用明显，一定程度上会阻碍了污染物的沉积，因此选择适当的粗糙度，降低膜污染现象。
4.2.2 混合液性质
膜生物反应器中的膜污染主要来自混合液中的物质。研究表明悬浮固体浓度(MLSS)直接影响混合液粘度，粘度升高，过滤性能随之下降，若流速较小或曝气强度无法冲刷附着在膜表面的物质，则容易产生污染层。溶液中颗粒大小及分布对膜污染现象的产生也有较大的影响，一般颗粒粒径越小，则容易在表面沉积，形成的沉积层也越致密，膜污染越严重。除此之外，曝气量、机械搅拌速度及膜表面错流速度都会影响膜污染程度[18]。
4.2.3 操作条件
操作条件会直接或间接影响膜污染。Harada等[19]研究表明，较短的水力停留时间会给微生物提供更多的营养物质，微生物生长速度加快，MLSS浓度升高，加剧膜污染现象。研究表明适当增加污泥龄可以减少微生物产物和胞外聚合物的生成，从而减缓膜污染现象。但是，过长的污泥龄又会增加污泥浓度，导致更严重的膜污染。因此，实际城市污水应用中一般设置SRT为5-20天[20]。
4.3 膜污染的防治
目前，国内外膜污染的防治主要集中在以下几个方面：
(1)改变混合液特性，在混合液过滤前向其中加入适当的药剂或载体(如PAC、填料),以改变料液或溶质的性质,从而减轻膜污染负荷。
(2)膜表面改性。膜表面的改性主要倾向于以下几个方面：新型无机膜的开发；提高膜的亲水性以改善膜的抗污染性能；制造有机-无机混合膜，使之兼有无机膜与有机膜的长处。
(3)优化运行条件及反应器结构。选择合适的操作压力、膜通量、曝气强度、HRT，SRT、抽吸时间及停抽时间，确定最优参数值；维持良好的生物条件，防止污泥膨胀和EPS的生成；间歇运行，停运期间进行空曝，并进行周期性反洗。
(4)膜清洗。为了恢复膜运行通量,必须对膜进行清洗,清洗方法包括物理清洗、化学清洗、超声波清洗以及电清洗等。
5 展望
近年来，国内外学者对MBR技术做出了大量的研究与应用，同时也取得了许多丰硕的成果，为MBR技术在实际工程中的应用提供了丰富的经验。同时由于国内外对污废水的出水水质要求越来越高，MBR相较于普通传统的水处理技术存在着明显的优势。相信在更多学者研究和应用的带动下，MBR今后在污废水的处理工程中会得到更多规模化的应用和推广。
