动态膜生物反应器的研究进展

杨嘉昕，吕 谋，张风芝

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

近几十年来，环境污染愈发严重，面对淡水资源的匮乏，人类对环保的呼声越来越大。从2015到2016年间，“水十条”和《中国环境保护税法》的相继发布，显示出国家对水污染治理的决心和态度。同时，也对现在的水污染治理提出了更高标准的要求。国内外水处理新技术层出不穷，动态膜生物反应器便是其中之一。

1 膜生物反应器(MBR)

最早的膜生物反应器(MBR)是在二十世纪六十年代，美国人Smith把传统的活性污泥法和膜分离技术结合起来运用于污水处理而形成的。膜的高效截流，使生物反应器内可以维持较高的生物浓度，从而在较低的有机负荷率下运行时，有机物还能得到很好的氧化分解。但由于膜技术发展的局限，膜污染问题严重，膜的频繁更换使得这项技术的基建投资过大，阻碍了它在实际工程中的应用。

MBR作为一种新兴的污水处理技术，相对于传统的污水处理工艺有着不少的优势：首先，活性污泥中的微生物通过自身的新陈代谢作用分解水中有机污染物，而生物膜对污水中的有机物大分子和颗粒物质也有着截流和过滤作用，所以MBR的固液分离效果相比传统活性污泥法要好；其次，因为生物膜的截留作用，反应器内得以保持较高的活性污泥浓度，并且给世代周期长的细菌提供充足的时间生长，对于难降解的有机物，也可以有充分的时间去分解，污泥硝化能力提高，生物膜的过滤作用还可以减少出水污泥量；最后，反应器的工艺结构紧凑，占地面积小，处理系统的设备化程度高也是比传统生物反应器优越的地方[1]。

但MBR也有不少缺点制约着它的发展，比如膜污染、工程造价和运行费用高等问题[2]。总而言之，是技术发展的落后而导致反应器在经济上要求比较高，限制了其的推广和使用。

2 动态膜生物反应器(DMBR)

动态膜生物反应器(DMBR)是用廉价的微网材料替代MBR中的滤膜，利用污水在通过基材时所截留下来的污泥颗粒形成生物膜来起到净化进水和过滤作用的一种新型污水处理工艺[3-4]。动态膜生物反应器既保持了传统膜反应器的优点，又通过廉价的替代膜降低了运行能耗和基建成本，是一个很有发展前景的水处理新技术。

近几年，动态膜生物反应器发展迅速，有以下4个优点：第一，DMBR采用了大孔径材料作为膜基材的支撑材料，成本降低，机械强度提升，而且增大了膜基材材料的选择范围[5]；第二，由于滤网的孔径变大，使生物膜过滤可以达到微滤和超滤的效果，渗透性好，出水水质提高；第三，通过改变通量，使动态膜从膜基材上脱落，可实现在线清洗，减小了膜组件的损耗，节约了更换膜的费用；第四，由于进出水之间存在水头差，在运行过程中，系统不需另配提升泵，依靠重力水头差就可自流出水，降低了系统的能耗[6]。

大多数DMBR采用的是淹没式动态膜生物反应器，结构如下图所示。

图 DMBR反应器Fig. Dynamic membrane bioreactor

3 DMBR工艺影响因素

3.1 膜基材

膜基材一般选用化学稳定性好、性价比高的材料。

尤朝阳[7]等人把无纺布、丙纶、涤纶、锦纶和不锈钢丝网分别作为DMBR的膜基材对生活污水进行处理，得到结果表明，涤纶和不锈钢丝网的DMBR系统对COD的去除效果好，分别为84.92%和82.76%；以无纺布为膜基材的DMBR则对氨氮有着优于其他四种反应器的去除效率，平均去除率可达85.06%。

孙丰凯[8]等人比较了三维滤布和单滑面无纺布两种膜基材所构建的动态膜生物反应器对污水的处理效果，发现三维滤布在各方面的性能参数都要优于单滑面无纺布。

除却膜基材的材料对膜的性能有影响，膜基材的结构类型也对处理效果有着不可忽视的作用。秦蔚[9]对3种不同结构类型的膜组件进行了实验，结果表明，平板膜系统和碟片式膜系统比中空纤维膜系统处理效果好，COD的去除率都可达60%以上，对氨氮的去除率可达40%以上，结合化学除磷后的TP去除率在70%以上。

由以上研究可知，对于不同出水水质要求的工艺，我们应使用不同的膜基材。无纺布价格最低，但使用一段时间后膜基材的损坏程度也最大，使得更换膜的频率最高，所以应综合实际需求，选择膜基材。

3.2 出水水头

动态膜生物反应器的出水不需要泵的抽吸作用，可以在一定的出水水头(WHD)下自流出水，比起传统水处理工艺，DMBR可以节约能源，减少运行期间的投资。

董滨[10]等人对不同出水水头的DMBR反应器出水浊度进行了研究，结果表明以200目不锈钢丝网为膜基材的DMBR反应器的最佳水头差为300mm，运行稳定后的出水通量可达0.42m3/m2·h，出水浊度5min内就可低于5NTU。

吴志超[11]等人发现，各出水水头下动态膜均能快速形成，出水水头提高，浊度就降低的越快，泥饼形成速度就越快。

范彬[12]等人研究了WHD对动态膜的通透性和稳定性的影响，发现在恢复期的时候维持较高的出水水头，不利于动态膜凝胶层的修复，会减弱动态膜的截留作用。

由此可见在动态膜形成的过程中，自流出水不仅节省投资，而且相比于泵抽式成膜速度快[13]，适用于农村地区的小型污水厂[14]，在后期稳定状态下水处理过程中，可以通过调整出水水头来控制膜污染的速度和恢复期的时间。

3.3 膜孔径

DMBR中的生物膜孔径对废水处理效果也起着重要作用。田文瑞[15]对不同孔径的尼龙网膜基材的DMBR的出水浊度和通量进行了实验，最终发现膜孔径为400目时，浊度低，通量大，反应器处理效果最好。

Taro Miyoshi[16]用不同材料不同孔径的膜基材对膜污染的影响做了实验研究。实验结果表明，聚偏二氟乙烯的三种孔径：0.02,0.25,0.4μm中，0.02μm的跨膜差压最大，0.4μm的最小，而且膜污染的程度随着膜孔径的增大而减小。

研究表明，不同材质的膜基材有着各自最优的膜孔径，孔径的大小影响着动态膜的形成和后续膜通量的大小。

3.4 反应控制条件

影响动态膜生物反应器处理效果的反应控制条件有很多，主要包括反应系统的曝气方式和强度，错流速度，操作压力及温度和pH值等。

薛念涛[17]试验发现，为了防止膜污染的形成，系统可以在动态膜发生严重的堵塞问题时(一般指的是膜通量变为了初始膜通量的一半)，自动将侧方曝气改为下方曝气，运行两分钟后停止曝气。这样可以有效地延缓膜污染的形成。

He Wang[18]等人在10℃和30℃的操作温度下，对悬浮污泥和膜污染层中的EPS含量进行了测定，EPS与金属元素相互作用会增强污泥层的致密性，从而降低了膜通量，对DMBR系统的处理效果产生影响。

通过以上研究表明，DMBR还有很大的进步空间，可以从对反应器处理效果的影响因素入手，因地制宜，在不同的进水条件下，找出最适合的设计方案后，再将设备投入使用，可以节约很多时间和精力。

4 膜的形成及污染再生过程

4.1 动态膜成膜过程

动态膜根据挂膜方式的不同可分为预涂动态膜和自生动态膜。在预涂动态膜的形成过程中，首先需对滤网材料进行预涂，即在装置中不断循环流动预涂剂悬浮液，使预涂剂在滤网上形成一层膜，并形成错流，此时，就表示预涂成功，在完成预涂后，进入正常的过滤阶段，装置中通入待处理污水，随着预涂层上的污泥絮状物积累到一定程度，膜通量趋于稳定时，动态膜形成[19]。自生动态膜的形成只需在一定的出水水头和曝气作用下，膜生物反应器对污水进行过滤，水中的污泥絮体会在滤布表面迅速富集，形成生物膜，使膜的过滤阻力增加，膜通量减小，当污泥絮体的富集和膜表面的错流速度达到平衡时，稳定的动态膜形成[20]。在系统运行初期，动态膜还未完全形成，膜通量大，出水水质不好，这时在系统中加入一个回流装置，使初始滤液回流，以提高系统处理排放水水质[21]。

4.2 膜污染及再生

当DMBR运行过一段时间后，由于膜表面截留的颗粒污染物、胶体物质等过多，膜的孔径会逐渐变小，膜通量减小，当膜通量下降到出水无法满足工艺要求时，就说明生物膜发生了膜污染问题。这时就要对膜进行清理和再生。

膜的清理和再生过程可分为两类。

第一类是预涂动态膜的清理和再生。清理方式分为机械清理和化学清理，如果是污染严重的预涂动态膜，需要化学清理才能得到较好的清理效果。化学清理是指用化学试剂如强酸强碱来浸泡清洗。机械清理指的是用自来水反复冲刷生物膜，通过水流的剪切力使得膜上的污泥絮体脱落来实现。机械清洗操作简单，成本低廉。两种清理方法可交替使用，广义的动态膜分为动态膜部分和基膜部分，在运行初期发生的膜污染一般是动态膜部分的污染，只需进行水力反冲洗就可以使膜通量恢复，杨涛[22]研究发现在进行前4次动态膜反冲洗的时候不需要进行基膜清理，在第5次清理时则需要用0.1mol/L的氢氧化钠溶液和0.1mol/L的氯化氢溶液先后进行基膜清洗，这样可使膜的性能恢复到90%以上。这种机械和化学清理方法并用的操作可以节省大量的清洗和再生动态膜时间。

第二类是自生动态膜的清洗和再生。主要以物理清理为主，可以在膜组件底部增加曝气装置，气水冲洗，沿着出水的反方向曝气。这样在反冲洗时，动态膜会受到气流和水流两种冲击力，膜清理的效果好，且这种方法可以在线进行，方便快捷。在反冲洗过后，继续通入污水进行挂膜操作，重新生成动态膜。

5 DMBR与其他工艺的结合

面对各式各样的污水，单一的处理工艺已不能满足处理要求，所以尝试不同工艺的相互组合，已经成为水处理方式的一种新的发展趋势。由于DMBR是一个新兴的水处理工艺，发展年限较短，使得DMBR工艺在实际工程化的应用方面文献比较空缺，国内外少有报道，现对DMBR工艺的研究多处于实验阶段。

孔令为[23]将动态膜生物反应器和复合垂直流人工湿地(IVCW)的耦合工艺对生活污水进行处理并分析所得数据，结果表明，最后一阶段的系统对COD,TN和TP的去除率分别为93.68%、85.13%、90.39%，出水指标均达到GB18918-2002一级A排放要求，其中，IVCW可作为动态膜生物反应器的强化单元，主要负责去除氮和磷。

洪俊明[24]等在DMBR工艺中投加了颗粒活性炭(GAC)，使得GAC-DMBR工艺在氨氮的去除方面得到了突破，对总氮的去除率由原先的50%提升到了76.7%,Jizhi[25]也认为添加颗粒活性炭对反应器的处理效果有好的影响，可以减缓膜污染的速度。无独有偶，孙琪媛[26]采用了PAC-DMBR复合工艺处理生活污水，发现投加粉末活性炭量为3g/L时，膜通量比原先提升了12%，系统运行周期变长，处理效率明显提高。

凌琪[27]等人在DMBR工艺前添加了电解和水解两个过程，把组合起来的复合反应器运用于造纸废水的处理中，可以把污水中溶解性有机物(DOM)经过酸化池水解后，分解成小分子物质，更容易被后续DMBR工艺去除，复合反应器对生化需氧量去除率可以达到91.1%。

对于将膜技术和厌氧技术结合在一起的厌氧动态膜生物反应器(AnDMBR)运用到城市污水处理中，现在已经有不少学者进行了研究，但工业用水方面的研究还比较少[32-33]，张骏尧[34]通过梯级驯化的方式运用AnDMBR工艺处理冷轧平整液废水，研究了驯化和稳定运行过程中的运行情况和微生物的菌群变化，为以后处理这种工业废水提供了有力的理论依据。国外多位学者也对动态膜技术在厌氧膜生物反应器中的应用进行了实验[35-36]，Ersahin将AnDMBR用于高浓度废水的处理，在不同污泥停留时间的操作条件下，COD的去除率都可达到99%以上，Saleem研究了初始通量和混合液悬浮固体浓度在AnDMBR工艺中对膜生长的影响。

为处理汞含量较高的牙科废水，Ghazal[37]在DMBR的动态膜中加入微藻，构成微藻动态膜，并与控制膜生物反应器(CMBR)做对比试验，结果显示微藻动态膜的脱汞效果好，汞的去除率可达85.88%。

Erkan[38]研究了间歇曝气动态膜反应器对含铬纺织工业废水的处理效果，并以两种不同的膜孔径分别在不同的曝气间隔时间条件下做对照实验，结果表明，两者对COD、色度、铬的去除率都比较高，但20μm孔径的动态膜需要更加频繁的清洗，而53μm孔径的动态膜可以在23～29LMH的通量下稳定运行100d。

6 DMBR存在的问题与发展方向

DMBR有着出水水质好，构筑物占地面积小，膜基材价格低廉，清洗与再生容易等优点，但DMBR作为一个新兴的污水生物处理工艺，也有着不少缺点和不足。膜污染是影响DMBR的运行效果的一个至关重要的问题[39]。洪俊明[40]研究发现通过调节反应器内溶解氧的含量可以减慢膜污染的速度；添加某些物质，比如活性炭[41]，或改变曝气方式也可以有效的延缓膜污染的时间；但这些物理或化学方法，并不能完全适应复杂的生物膜变化方式，近些年来，学者们又提出了一种基于群体感应(quorum sensing,QS)理论的群体淬灭技术来抑制生物膜污染[42]，这种新生的生物污染控制方式可能成为从根本上解决膜污染的方法。装置运行初始阶段和膜清理后再生膜的过程中出水水质不好的问题现阶段虽有初始滤液回流装置可以解决，但此方法会降低DMBR的工作效率，需寻找更高效的解决办法。在实际性的应用中，如何规模化的制作膜组件也是制约DMBR发展的因素，高效低能的制作膜组件可以降低DMBR装置成本，对于农村乡镇污水量小、资金有限的地区推广DMBR装置有着促进作用。但此类研究多属于供货厂家自家研究成果，国内外文献中鲜有报道。

DMBR离实际应用还有一定的距离，尚需深入研究，以使其获得更广泛的应用：

(1)需要从动态膜成膜机理、影响DMBR运行效果的因素入手，做更详细的研究，夯实理论，为以后的实际应用奠定理论基础。

(2)需要拓宽眼界，不能只要求一种DMBR工艺就能完成所有水质的污水处理，随着社会的发展，污染物质的种类越来越多，不同地区，不同水质的污水处理所最适合的处理工艺是不同的，尝试DMBR工艺与其他物质或者工艺相结合，因地制宜，才能达到更好的处理效果。

(3)需从阻碍DMBR发展的本质问题出发，解决防治膜污染的发生，使得DMBR技术得到突破性的进展，我们应在前人实验研究的基础上，总结经验，找出不足，改进创新，寻找突破点继续探索。

(4)在不影响处理水水质的前提下，寻找更加绿色环保价格低廉的材料来替代原材料，使得DMBR工艺达到经济最大化。