环境工程污水处理中膜生物反应技术的运用

朱佳洁

（深圳市宝安湾环境科技发展有限公司，广东 深圳 518000）

膜生物反应器在高效膜分离元件上工作，实现了合适的水处理功能，不仅占地面积小，而且废水处理质量非常高，操作简单，可以长期稳定地运行，因此具有比较广泛的应用。随着膜生物反应器技术的逐渐普及和进步，环境废水处理进入了一个新的阶段，相关机构和技术人员开始探索利用该技术的可能性。

1 膜生物反应技术的基本原理

该技术主要基于用于形成生物单元的分离膜模块的有效组合，其是由二次沉淀和生物处理演变而来的一种新型废水处理方式。与传统污水处理技术相比，膜生物反应器技术的效率更高，容易使用。该技术的主要装置是膜生物反应器，是生物处理技术和膜分离技术的有机结合，是基于两种技术的改进和整合，使膜生物反应器技术在实践中更加有效[1]。

随着膜分离技术的进一步发展，膜生物反应器技术还包括了生物处理技术，这是一种很好的技术组合，可以有效提高废水处理效率，显著提高废水向再生水的转化率。在实践中，通过膜生物反应器技术与传统废水处理技术的比较，更显示出其优越性。分析表明，该技术包括膜分离器、曝气系统和提取反应器。最常用的是膜分离反应器，由于其生物特性，它具有特殊的优势。不同类型的膜生物反应器也被用于废水处理，可以是单一单元，也可以是独立单元，根据生物膜在反应器中的位置不同而不同。

1.1 膜生物反应技术的研究背景

目前城市的发展，仍然无法应对现有水资源短缺问题，人类对水资源的生产和需求将继续增长，而且使用水资源时，也会产生大量废水，这些废水如果未经处理直接排放，将影响生态环境。传统的活性污泥法处理废水，由于所需设施占地面积大，所以不能大规模使用。随着社会的发展和废水量的增加，传统活性污泥法已不能有效处理废水。因此，人们不得不寻找一种更有效的方法处理废水[2]。

膜生物反应器技术是膜分离和生物技术相结合的一种新型废水处理方法，是用膜分离法取代了活性污泥法，利用二级澄清器改进了传统处理方法，并利用膜生物反应器的作用分离废水的固相和液相，通过微生物和有机物的化学反应降低废水中的有机物含量，并降低过滤后水的浊度，从而达到废水处理的目的[3]。根据生物膜在反应器中的位置，有不同类型的反应器：第一种是单室反应器。在安装这种类型的反应器时，膜组件主要位于工厂内部，由于能耗低、表面积小，不需要安装混合液体再循环系统。然而，通过膜的流速很低，容易导致膜的污染，而且该工艺的维护成本很高。另一种是安装分离反应器，即膜组件和反应器必须分开安装，并且必须安装一个混合液体再循环系统。当污水通过生物膜时，液体与被保留的物质一起进入系统，避免了微生物的高损耗。该技术运行可靠，膜组件易于拆卸和清洗，但回收混合液体会损害微生物，降低其活性，对污水处理产生负面影响。此外，这些设备可以在复杂的膜生物反应器中与其他技术并行使用。

2 膜生物反应技术分析

2.1 优势分析

2.1.1 分离效率高

膜生物反应器在处理污水时，不需要污泥池和过滤系统，因而减少了占地面积，并消除了处理过程中的污泥堆积，可以使系统容量得到最佳利用，因而有效提高了污水处理中的生产率和质量。

2.1.2 能有效分离废水和微生物

膜生物反应器可以处理废水和废水中的活性污泥，其处理方式是将废水隔离在膜中，使废水只流向与进出口相连的膜室，这就保证了生物细菌不能进入膜内，总是在膜外活动，从而达到将废水与微生物分离的目的，提高了废水处理的质量。

2.1.3 氧气运输系统的性能非常稳定

曝气系统使用膜生物反应技术，所使用的膜为一种新型的可渗透膜。这种膜的传质阻力小，不易受外界环境因素的影响，充分保证了膜生物反应器中氧气传输系统的稳定性。

2.1.4 可减少淤泥的形成

使用膜生物反应器还可以提高生物反应的效率，保证反应器混合物中的悬浮物浓度足以提高大分子降解的效率，阻断反应器中的所有污泥，从而使污泥产量降低[4]。膜生物反应器技术与传统的废水处理技术相比具有独特的优势，因此值得进一步研究。

2.2 劣势分析

膜生物反应器技术有一定的寿命，它可能因废水的浓度而变化。如果废水中含有大量污染物，寿命就会缩短，水容量也会减少，从而影响生态废水处理系统的正常运行。因此，研究如何有效延长膜的寿命，以及如何确保膜在结垢后能保留适量的水是很重要的。此外，在废水处理中使用膜生物反应器技术会引起污染物和混合固体过度吸附的问题,难以达到满意的治理效果。

3 膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用

3.1 动态内循环技术

由于膜生物反应器技术对反应器提出了非常高的要求，因此必须对传统反应器进行升级。在实践中，升级反应器技术时必须考虑环境废水处理的特点和要求，不断改进和完善反应器技术，以创造一个动态的在线反应器，减少对人工操作的依赖。膜生物反应器技术通过引入微米材料，大大降低了废水处理成本，提高了企业的经济利益。通过使用动态循环技术，可有效将活性污泥吸附原理引入污水处理过程中，并对高产污泥进行反复过滤或系统吸附，使不同反应物得到反复处理。目前通过对动态反应技术在内部循环中的具体应用分析表明，部分地区的废水处理仍采用侧吹法，可能会造成不合理的泄漏或延迟等问题，严重影响了最终废水处理的质量和效率。因此，在处理废水时，要充分了解废水处理的具体要求和技术特点，加装立式水流风机，合理降低废水处理中的水流量，避免反应器因反应速率过高而中断流动，这样才能体现内部动态反应的优势和价值。

3.2 EGSB-MBR重组技术

增强型颗粒污泥床（EGSB）是第三代厌氧消化器，与上一代相比增加了污水再循环系统，并改进了对消化器中有机物的吸收，使有机物和微生物之间的接触更加均匀和密集，从而加快了生化反应速度，大大增加了生物降解效率[5]。该技术可与膜生物反应器技术结合，实现优势和劣势互补。例如，膜生物反应器技术由于吸附了过多的污染物，随着时间的推移会降低流速和水质，而颗粒污泥反应器技术在长期使用过程中对氨氮排放和悬浮固体的净化效果较差。使用EGSB MBR可以有效补充这两种技术的优点和缺点，从而提高处理后水的稳定性。

3.3 气浮等膜生物反应组合技术

结合膜生物反应器技术，如气浮技术，可以减少污水中的洗涤剂、胶体和其他污染物，有效去除污水中的不溶性胶体和物质，减少下游生物处理步骤的负荷，进一步减缓膜的污损。在实践中，膜生物反应器技术的应用范围很广，不仅可以单独使用，还可以与其他技术结合使用，更好地满足不同废水处理过程的具体要求。

3.4 连续循环曝气系统

膜生物反应器中最重要的技术之一是连续循环曝气系统（CCAS），可有效提高废水的处理效率，解决根部污染的问题，并减少了污垢，提高了水处理效果。CCAS使出水主要分为污泥暴露和污泥流动。额外的污泥再循环可以有效地控制曝气机的体积，膜组件可以直接连接到生物澄清器，以过滤和分离污水，确保污泥的分离、浓缩和处理。CCAS SBR系统还保留了静态污泥和低SS的优点，创造了厌氧区，使出水中磷的去除更加稳定。

3.5 曝气生物滤池技术

这项技术是将膜的生物活性与生物过滤结合起来，以实现最佳的废水处理效果。除了生物过滤层之外，生物过滤器还包括一个曝气和配水系统。使用微生物膜可以去除溶解的有机物，而使用带有单孔膜的空气分配器可以提高系统的效率和安全性。

4 膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用范围

4.1 处理工业废水

工业生产和清洁过程往往需要大量的水，因此产生和排放的废水量非常大。此外，由于工业的特殊性质，废水污染通常很严重，会对环境造成严重破坏，对人类、动物和植物健康非常不利。工业废水的复杂成分也使其难以处理，然而，工业生产往往是集群式的，一个工业基地通常只生产一种类型的产品或成分略有不同的产品，例如，一个生产电池的工业基地只生产与电动自行车所需电池相关的产品。因此，在处理工业废水时，必须充分了解工业场所的具体条件。在设计使用膜生物反应器技术的废水处理系统时，微生物的选择必须满足工业设施的实际废水处理要求，以达到最佳的废水处理效果。同时，在选择微生物时，应仔细分析微生物的生存条件，考虑废水的温度和环境，选择适应这些温度条件并能正常生存的微生物。这些问题都应根据具体情况进行仔细分析，主要目的是实现最佳的废水处理效果，并利用膜生物反应器技术创建一个合理、高效的废水处理系统。

4.2 处理生活废水

膜生物反应器技术不仅适用于工业废水的处理，也适用于生活废水的处理。膜生物反应器技术用于处理生活污水的主要优势在于其效率高且使用方便。然而，这种技术也有很多缺点，如技术结构过于复杂，初始投资太高。因此，为了避免高额投资，该技术不适用于处理生活污水。但近年来，国内的经济和科技进步已经充分克服了原有膜生物反应器技术的缺点，引进该技术的成本也在逐渐降低。此外，这项技术还能有效提高用水效率，因此处理生活污水的优势也越来越明显。该技术可以科学、高效地处理生活污水，防止其破坏生态环境，也可有效减少用水量，进一步实现水资源循环利用的目标。

4.3 处理医院污水

由于医院废水具有相对明显的毒性和危害性，因此需要利用膜生物反应器技术对其进行净化处理，以提高废水处理的效率，降低水的毒性。在处理医院废水时，可以选择主体工艺，使水在循环中的停留时间为5 h左右，废水中的氨氮浓度和废水中的化学需氧量分别为4 mg/L和50 mg/L。这种解决方案不仅能有效改善废水质量，而且非常方便用户的使用，因此，可以达到良好的废水处理效果。

5 膜污染防治措施

5.1 改善膜性能

在应用膜生物反应器技术过程中，随着时间的推移，越来越多的污染物被吸附在膜上，如果不定期清洗，膜就会被堵塞，影响废水处理效率。因此，选择合适的膜非常重要，这些膜不仅要有高孔隙率和良好的亲水性，还要有足够的孔径。在实践中，必须要不断改进膜生物反应器技术，以优化膜的亲水性，防止废水处理过程中的进一步污染。

5.2 改善污泥特性

在实际废水处理中，可以通过引入预处理系统来防止膜的污损，从而改善污泥特性。在这一过程中，可以在污泥中添加活性炭颗粒，以改善活性污泥的过滤性能，减少污泥层的整体厚度，从而降低膜的过滤阻力。

5.3 优化膜分离的操作条件

检测膜污损对改善膜分离过程非常重要。在这种情况下，管道末端过滤会导致膜结垢问题，因此可以采用逐步过滤的方式。通过相关人员的研究和分析可知，可以根据管端过滤、反向过滤和溢流过滤的各自优势，开发出一个结合管端过滤、反向过滤和溢流过滤的综合系统。实际和实验分析表明，这个综合系统是非常高效、有效和经济的。

5.4 根据不同膜污染选择清洗剂

膜污染类型见表1。

表1 膜污染类型

5.4.1 酸性洗涤剂

酸性洗涤剂可以溶解和去除无机矿物质和盐类，溶解凝胶和石灰层中的铜和镁等无机金属离子，彻底清洁留在薄膜表面的凝胶和石灰层，恢复其渗透性。常用的酸有盐酸、柠檬酸、草酸等。产生的酸溶液的pH值取决于膜材料，因此，清洗酸溶液的方法取决于沉淀物。

5.4.2 碱性清洗液

碱性清洗液可以有效去除轻度污垢，并分解凝胶层，使其从薄膜表面被去除。例如，利用物理方法清洗薄膜表面凝胶层的大颗粒等物质效果很弱，就可以用碱性清洗液清洗被污染的薄膜，因为有机物、二氧化硅和生物污染物在碱性条件下很容易被去除。

5.4.3 氧化性洗涤剂

氧化性洗涤剂如H2O，NaCIO等，具有很强的氧化性，现在经常使用杀菌性洗涤剂，既能去除污垢又能杀死细菌。

5.5 膜组件的选择和合理优化

5.5.1 薄膜材料的选择

商业薄膜材料包括硝化纤维素（NC）、醋酸纤维素（CA）、NC-CA薄膜混合物、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚丙烯氰化物（PPc）和氟化乙烯（PVF）、聚四氟乙烯（PTFE）等。薄膜材料的选择应基于对材料的技术分析和经济评估，包括材料的强度、耐温性、化学稳定性、抗污性、水性能、使用寿命、薄膜的成本等。

5.5.2 膜孔径的选择

在理论上，选择孔径较大的膜可以提高水的流速，同时保证污染物的保留。然而，实验表明，增加膜的孔径会加速污损并迅速降低水的流速。总的膜颗粒尺寸（MW）必须比要释放的污染物的尺寸小一个数量级。

5.5.3 膜表面改性

由于出水中的污染物和活性污泥是有机物，必须降低膜和原水之间界面的能量，以避免膜被侵蚀。因此，应使用具有优良抗淤泥性能的亲水膜；此外，与溶液具有相同电荷的膜材料也会更耐堵塞。

5.5.4 膜元件的安装

为避免膜的堵塞，应合理安装膜元件，膜元件与曝气池壁的距离、膜元件与配气管的距离、膜元件与反应器液面的距离，气隙壁与曝气池底部的距离应根据公共环境性能指标确定，以保证一定的曝气顶与曝气液面、分散空气与曝气池底部的距离。

6 结语

目前，膜生物反应器技术被认为是最有效的废水处理技术之一，并且受到公众和科学界越来越多的关注。然而，膜生物反应器技术也有一些缺点，因此，人们应充分了解这项技术的优点和缺点。在实际应用过程中，科研人员需要对该技术进行进一步研究和创新，以有效解决该技术存在的不足，促进技术的可持续发展，使膜生物反应器技术能够充分发挥其潜力，在污水处理方面取得预期的效果。今后，相关科研人员将通过对膜材料的深入研究，逐步开发出各种不易受腐蚀和污染的新型膜材料，以克服膜生物反应器技术的缺陷。