膜生物反應器在環(huán)境工程中的應用與發(fā)展

膜生物反應器(MBR)是以酶、微生物或動(dòng)、植物細胞為催化劑，進(jìn)行化學(xué)反應或生物轉化，同時(shí)憑借超濾分離膜不斷地分離出反應產(chǎn)物并截留催化劑而進(jìn)行反應的裝置，是由傳統活性污泥工藝與膜分離技術(shù)結合的一種新型工藝。它zui早使用于生物化工行業(yè)中的連續發(fā)酵工藝。自從美國的Smith于1969 年創(chuàng )造性地把MBR 引進(jìn)廢水處理行業(yè)以來(lái)，世界上出現

了各種各樣的MBR 法用在城市生活污水和可生物處理的工業(yè)廢水處理工藝中。膜生物反應器的研究和開(kāi)發(fā)日益發(fā)展，為水處理技術(shù)開(kāi)辟了一條新的思路，近十多年來(lái)，已經(jīng)在水處理

中得到了較廣泛的應用。

1、膜生物反應器(MBR)工藝簡(jiǎn)述

膜生物反應器工藝(MBR 工藝)是現代膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機結合的一種新型廢水生物處理技術(shù)，是目前在高濃度有機污水處理、中水回用處理等領(lǐng)域zui有前途的污水生物處理技術(shù)之一。它利用膜分離裝置將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物質(zhì)有效截留，替代二沉池，大大提高了生物反應器的處理效率。其典型工藝流程如圖1 所示。

圖 1 MBR 工藝流程圖

MBR 工藝參考出水水質(zhì)如表1 所示。

表1 MBR 工藝參考出水水質(zhì)表

MBR 處理工藝與傳統廢水生物處理工藝相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)MBR 工藝通過(guò)采用膜分離技術(shù)能截留污水中大部分的懸浮粒子和高分子有機物質(zhì)，可使生物處理單元內的微生物量維持在較高濃度，使容積負荷大大提高，因此可以zui大限度

地將活性污泥截留在生物反應器內。傳統活性污泥法的MLSSzui高在5g/L左右，而MBR系統的MLSSzui高可達到20g/L左右，從而可以帶來(lái)比傳統法更高的有機物去除率。

(2)強化生化處理效果，使處理出水水質(zhì)清澈優(yōu)良，達到生活雜用水質(zhì)標準。

(3)傳統法污泥濃度低，污泥產(chǎn)量高，剩余污泥的處置費用占到廢水處理總成本的50%左右。MBR系統在低F/M條件下運行，污泥產(chǎn)率遠低于傳統法，從而使剩余污泥的處置費用大幅度降低，進(jìn)而降低廢水的整體處理成本。

(4)污泥停留時(shí)間的大幅度延長(cháng)?？墒瓜趸皝喯趸仁来鷷r(shí)間較長(cháng)的微生物有效地保留在生物反應器內。從而使MBR系統具有比傳統法更好的脫氮除磷能力。

(5)膜分離的性使處理單元水力停留時(shí)間大大縮短，減少了生物反應器的占地面積。且因無(wú)需設置二次沉淀池，MBR系統的占地面積較之傳統法大大縮小，在一些土地使用緊張的

地區建設可行性高。

2、膜生物反應器應用中存在的問(wèn)題及研究進(jìn)展

膜生物法是一個(gè)頗具發(fā)展前景的污水處理技術(shù)，但至今在我國沒(méi)有被大規模運用，主要原因在于與傳統法相比，膜污染一直是MBR系統中一個(gè)難以克服的問(wèn)題。它使膜的阻力增加，透水率逐漸下降，造成膜組件的頻繁更換，嚴重影響了MBR系統的處理效果，導致MBR系統運行及管理費用相對較高。

近年來(lái)，國內外學(xué)者為克服限制MBR應用的障礙對膜污染機理進(jìn)行了大量的研究。經(jīng)過(guò)研究認為生物細胞產(chǎn)生的胞外聚合物(EPS)對污泥粘滯度和膜過(guò)濾阻力有重要影響，并由此進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，計算出EPS的數量級，建立了膜污染的數學(xué)模型。通過(guò)研究各種不同的反應器對膜污染機理做了探討。研究了污泥特性對膜污染的作用機理。當前，對膜污染問(wèn)題已經(jīng)形成了相對一致的看法，一般根據膜組件受污染的性質(zhì)不同，將膜污染分為膜的污染和劣化兩種。

2.1 膜生物反應器的膜污染問(wèn)題

膜的污染是指由于在膜表面上形成了附著(zhù)層或膜孔堵塞等外部因素導致了膜性能變化，由于膜表面形成了附著(zhù)層而引起的膜污染被稱(chēng)之為濃差極化。

在液體膜分離過(guò)程中，由于到達膜表面的溶質(zhì)受到膜的截留而不斷積累，使得膜表面溶質(zhì)濃度逐步高于料液主體溶質(zhì)濃度。由于膜表面溶質(zhì)濃度與料液主體溶質(zhì)濃度之差產(chǎn)生了從膜

表面向料液主體的溶質(zhì)擴散傳遞。當溶質(zhì)的這種擴散傳遞通量與隨著(zhù)透過(guò)膜的溶劑(水)到達膜表面的溶質(zhì)主體流動(dòng)通量*相等時(shí)，上述過(guò)程達到不隨時(shí)間而變化的定常狀態(tài)。當溶質(zhì)是水溶性的大分子時(shí)，由于其擴散系數很小造成從膜表面向料液主體的擴散通量很小，因此膜表面的溶質(zhì)濃度顯著(zhù)增高形成不可流動(dòng)的凝膠層。當溶質(zhì)是難溶性物質(zhì)時(shí)，膜表面的溶質(zhì)濃度迅速增高并超過(guò)其溶解度從而在膜表面上產(chǎn)生結垢層。此外，膜表面的附著(zhù)層可能是水溶性高分子的吸附層和料液中懸浮物在膜表面上堆積起來(lái)的濾餅層。

造成膜污染的另一個(gè)重要原因是膜孔堵塞。懸浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空間位阻，水溶性大分子在膜孔中的表面吸附、以及難溶性物質(zhì)在膜孔中的析出都可能產(chǎn)生膜孔堵塞。

根據造成膜污染的發(fā)生原因可采用相應對策使膜性能得以恢復，一般通過(guò)改善膜面附近料液側的流體力學(xué)條件或開(kāi)發(fā)新型膜清洗技術(shù)等方法。膜的清洗主要分為物理清洗、化學(xué)清洗和生物清洗三種方法。物理清洗是利用高流速的水或空氣和水的混合流體沖洗膜表面?；瘜W(xué)清洗是在水流中加入某種合適的化學(xué)藥劑，連續循環(huán)清洗。物理和化學(xué)清洗是目前應用得較多的清洗手段，國內也做了大量的研究工作。付婉霞等人通過(guò)對膜生物反應器處理盥洗廢水時(shí)，水力清洗、酸洗、堿洗等不同組合形式對膜的清洗效果進(jìn)行研究，認為水力清洗可以較*地去除運行初期的膜表面沉積物，但隨運行時(shí)間的延長(cháng)，水力清洗的效果變差，膜通量恢復率降低。酸洗和堿洗的順序應依據處理廢水的性質(zhì)做相應調整。研究認為清洗時(shí)采用高膜面流速、低操作壓力和限制透過(guò)液對流傳遞作用有利于錯流膜生物反應器通量的恢復。發(fā)現氣體噴射技術(shù)是控制浸沒(méi)式膜生物反應器膜污染的一種較好的方法,也對化學(xué)清洗進(jìn)行了研究。生物清洗是借助微生物、酶等生物活性劑的生物活動(dòng)去除膜表面及膜內部的污染物。生物清洗目前在我國還鮮有應用，仍然處于研發(fā)階段，在國外該項技術(shù)相對成熟。除了上述幾種傳統方法外，近年來(lái)文獻上也相繼報道了部分新穎的膜清洗方法，如超聲波清洗法、脈沖電場(chǎng)膜清洗法等。

2.2 膜生物反應器的膜劣化問(wèn)題

膜的劣化是指膜自身發(fā)生了不可逆轉的變化等內部因素導致了膜性能變化。導致膜的劣化的原因可分為化學(xué)、物理及生物等三個(gè)方面?；瘜W(xué)性劣化是指由于膜材質(zhì)的水解或氧化反應

等化學(xué)因素造成的劣化，而物理性劣化則是指膜結構在很高的壓力下導致膜結構的致密化或因其置于干燥狀態(tài)下發(fā)生不可逆轉性變形等物理因素造成的劣化。生物性劣化通常是由于處理料液中的微生物的存在導致膜材料發(fā)生生物降解反應等生物因素造成的劣化。

膜材料及其制備是膜過(guò)程的技術(shù)核心，膜材料的化學(xué)性質(zhì)和結構不僅對膜分離的性質(zhì)起決定性的影響，并且不同的膜材料可以有不同的耐污染性能，通過(guò)對抗劣化材料的研發(fā)對改善

膜的劣化問(wèn)題有著(zhù)重要意義。膜的性質(zhì)對膜污染的影響，認為膜的性質(zhì)，包括膜材質(zhì)、膜孔徑大小、孔隙率、親/疏水性、電荷性質(zhì)和粗糙度等對膜劣化有重要影響。這樣，我們認為通過(guò)人工合成新的膜材料或對現有材料進(jìn)行改性，并在此基礎上研究成膜規律，就為防治或減輕膜劣化提供了可能，事實(shí)上，通過(guò)這種方法已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。通過(guò)對聚丙烯進(jìn)行接枝聚合改性減少了膜污染，通過(guò)兩種聚合物共混的方法研制了抗污染的超濾中空纖維膜。除了在抗污染方面對膜分離材料進(jìn)行開(kāi)發(fā)以外，針對當前膜材料普遍水通量低、價(jià)格昂貴等缺陷，國內外諸多研究人員在此投入了大量的精力，已經(jīng)研制成功了數百種適合各種用途的分離膜材料，取得了重要進(jìn)展。

顯而易見(jiàn)，膜的劣化與膜材料和料液性質(zhì)密切相關(guān)，通過(guò)新型耐污染膜材料的研發(fā)對解決膜劣化問(wèn)題將起到?jīng)Q定性的作用。

3、結語(yǔ)

膜生物反應器具有-定的特色，已經(jīng)在國內外得到了逐步推廣使用。目前膜材料的價(jià)格偏高，需要頻繁更換，導致一次性投資較大，且運行費用也較高，限制了其在廢水處理中的推廣。從以上論述我們可以看到，目前解決的主要方法是防止膜劣化和對膜污染進(jìn)行后處理。因為膜污染是一個(gè)不可逆的過(guò)程，所以后處理過(guò)程只能是作為膜污染后的修補手段，況且清洗設備需要不定期的停產(chǎn)，也導致成本增加、膜壽命減少；而前一種方法，研制、開(kāi)發(fā)具有更好耐污染性的膜則是解決膜污染問(wèn)題的根本途徑。