MBR工藝在污水處理中的應(yīng)用

摘要：生物膜污水處理工藝（MBR技術(shù)）是近年來發(fā)展起來的一種新型污水處理技術(shù)，是膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)活性污泥法的結(jié)合的系統(tǒng)。本文簡要介紹了MBR技術(shù)在污水處理中的的工作原理、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、工藝分類及其工藝特點等，并分析了該技術(shù)存在的問題，提出了建議和展望。

關(guān)鍵詞：MBR工藝；污水處理；生物膜

中國是一個缺水國家,污水處理及回用是開發(fā)利用水資源的有效措施。污水回用是將城市污水、工業(yè)污水通過膜生物反應(yīng)器等設(shè)備處理之后,將其用于綠化、沖洗、補充觀賞水體等非飲用目的,而將清潔水用于飲用等高水質(zhì)要求的用途。城市污水、工業(yè)污水就近可得,可免去長距離輸水，而實現(xiàn)就近處理實現(xiàn)水資源的充分利用，同時污水經(jīng)過就近處理，也可防止污水在長距離輸送過程中造成污水滲漏，導(dǎo)致污染地下水源。污水回用已經(jīng)在世界上許多缺水的地區(qū)廣泛采用,被認為21世紀(jì)污水處理*技術(shù)。MBR技術(shù)是膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機結(jié)合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)，隨著該技術(shù)的不斷成熟，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1.MBR含義及其工作原理

MBR為膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor）的簡稱,是一種將膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機結(jié)合的新型水處理技術(shù)，它利用膜分離設(shè)備將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機物截留住，省掉二沉池。膜-生物反應(yīng)器工藝通過膜的分離技術(shù)大大強化了生物反應(yīng)器的功能，使活性污泥濃度大大提高，其水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）可以分別控制。

膜生物反應(yīng)器因其有效的截留作用，可保留世代周期較長的微生物，可實現(xiàn)對污水深度凈化，同時硝化菌在系統(tǒng)內(nèi)能充分繁殖，其硝化效果明顯，對深度除磷脫氮提供可能。

2.MBR技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展

2.1國外發(fā)展研究現(xiàn)狀

1969年，美國的Smith報道了美國Dorr—Oliver公司把活性污泥法和超濾工藝結(jié)合處理城市污水的方法。1970年，美國的Dorr—Oliver公司和日本的Sank Engineering有限責(zé)任公司達成協(xié)議，使得該工藝進入日本市場。目前在世界范圍內(nèi)，實際應(yīng)用的MBR系統(tǒng)已經(jīng)超過500套，同時許多工程在計劃或者建設(shè)中。MBR在日本的商業(yè)應(yīng)用發(fā)展的很快，世界上約有66％的工程在日本，其余的MBR工程主要在北美和歐洲。

2.2國內(nèi)發(fā)展研究現(xiàn)狀

我國對膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)的研究較晚，但發(fā)展迅速，近年來，MBR工藝已有實際應(yīng)用實例，并保持著良好的發(fā)展勢頭。2002年，膜生物反應(yīng)器的研發(fā)又被列為“863”重大科技項目，推進膜生物反應(yīng)器在污水處理及回用中的應(yīng)用。劉銳等在研究膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)活性污泥工藝進行比較后發(fā)現(xiàn)，在運行條件一致的情況下，膜生物反應(yīng)器有更強的去除能力。陳衛(wèi)文等研究膜生物反應(yīng)器對各分子質(zhì)量區(qū)間內(nèi)有機物的去除規(guī)律發(fā)現(xiàn)，物理截留作用可*截留粒徑>0．22µm的有機物，而活性污泥的降解作用以及膜表面濾餅層和凝膠層的共同作用可去除大部分0．22µm以下的有機物。張西旺等在研究一體式膜生物反應(yīng)器處理高氨氮小區(qū)生活污水的中試實驗中發(fā)現(xiàn)，通過增設(shè)泥水回流和缺氧區(qū)可將氨氮去除率從60％提高到95％ 以上。周建仁等在研究膜生物反應(yīng)器處理高濃度．生活污水的實驗中發(fā)現(xiàn)，在進水COD為1250—13500mg／L時，去除率可高達94．1％一-95．6％ ，BOD5的去除率可達98％ 以上。同時，國內(nèi)的學(xué)者也開始研究膜生物反應(yīng)器中運行參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，主要為*水力停留時間、*排泥時間以及*反沖洗周期，并通過實驗得到驗證。

3.MBR工藝與傳統(tǒng)污水處理工藝的比較

在傳統(tǒng)的污水生物處理技術(shù)（圖1）中，泥水分離是在二沉池中靠重力作用完成的，其分離效率依賴于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分離效率越高。而污泥的沉降性取決于曝氣池的運行狀況，改善污泥沉降性必須嚴(yán)格控制曝氣池的操作條件，這限制了該方法的適用范圍。由于二沉池固液分離的要求，曝氣池的污泥不能維持較高濃度，一般在 1.5～3.5g/L 左右，從而限制了生化反應(yīng)速率。水力停留時間（HRT）與污泥齡（SRT）相互依賴，提高容積負荷與降低污泥負荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運行過程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費用占污水處理廠運行費用的25%～40%。傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)還容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，出水中含有懸浮固體，出水水質(zhì)惡化。

圖1

MBR 工藝（圖2）通過將分離工程中的膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)有機結(jié)合，不僅省去了二沉池的建設(shè)，而且大大提高了固液分離效率，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中菌（特別是優(yōu)勢菌群）的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率。同時，通過降低F/M比減少剩余污泥產(chǎn)生量（甚至為零），從而基本解決了傳統(tǒng)活性污泥法存在的許多突出問題。

圖2

4.MBR工藝分類

4.1 根據(jù)膜材料的不同,膜主要分為有機膜、無機膜兩大類。有機膜價格較便宜,但易污損;無機膜能在惡劣的環(huán)境下工作,使用壽命長,但價格較貴。

4.2 根據(jù)膜組件在MBR中所起作用的不同,可將MBR分為分離MBR、無泡曝氣MBR和萃取MBR三種。分離MBR中的膜組件相當(dāng)于傳統(tǒng)生物處理系統(tǒng)中的二沉池,MBR由于高的截流率,并將濃縮液回流到生物反應(yīng)池內(nèi),使生物反應(yīng)器具有很高的微生物濃度和很長的污泥停留時間,因而使MBR具有很高的出水水質(zhì);無泡曝氣MBR采用透氣性膜對生物反應(yīng)器無泡供氧, 氧的利用率可達100 % ,因不形成氣泡,可避免水中某些揮發(fā)性的有機污染物揮發(fā)到大氣中；用于提取污染物的萃取MBR是由內(nèi)裝纖維束的硅管組成,這些纖維束的選擇性將工業(yè)廢水中的有毒污染物傳遞到好氧生物相中而被微生物吸附降解。

4.3 根據(jù)生物反應(yīng)器和膜組件結(jié)合的方式不同,膜生物反應(yīng)器可分為分置式（圖3）和一體式（圖4）。

分置式是指膜組件與生物反應(yīng)器分開設(shè)置,壓力驅(qū)動靠加壓泵。分置式的特點是運行穩(wěn)定可靠,操作管理容易,易于膜的清洗、更換。但一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積,由循環(huán)泵提供的水流流速都很高,動力消耗較高。

圖3 分置式MBR流程簡圖

一體式是將膜組件置于生物反應(yīng)器中,通過真空泵抽吸,得到過濾液。一體式的zui大特點是運行費用低,但在運行穩(wěn)定性、操作管理方面和膜的清洗更換上不如分置式

圖4 一體式MBR流程簡圖

5．MBR處理工藝的優(yōu)點

5.1 對污染物的去除效率高

MBR對懸浮固體（SS）濃度和濁度有著非常良好的去除效果。由于膜組件的膜孔徑非常?。?.01～1μm），可將生物反應(yīng)器內(nèi)全部的懸浮物和污泥都截留下來，其固液分離效果要遠遠好于二沉池，MBR對SS的去除率在99%以上，甚至達到100%；濁度的去除率也在90%以上，出水濁度與自來水相近。由于膜組件的截留作用，將全部的活性污泥都截留在反應(yīng)器內(nèi)，使得反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度可達到較高水平，zui高可達40～50g/L.這樣，就大大降低了生物反應(yīng)器內(nèi)的污泥負荷，提高了MBR對有機物的去除效率，對生活污水COD的平均去除率在94%以上，BOD的平均去除率在96%以上。同時，由于膜組件的分離作用，使得生物反應(yīng)器中的水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）是*分開的，這樣就可以使生長緩慢、世代時間較長的微生物（如硝化細菌）也能在反應(yīng)器中生存下來，保證了MBR除具有降解有機物的作用外，還具有良好的硝化作用。研究表明，MBR在處理生活污水時，對氨氮的去除率平均在98%以上，出水氨氮濃度低于1mg/L.

此外，選擇合適孔徑的膜組件后，MBR對細菌和病毒也有著較好的去除效果，這樣就可以省去傳統(tǒng)處理工藝中的消毒工藝，大大簡化了工藝流程。

另外，在DO濃度較低時，在菌膠團內(nèi)部存在缺氧或厭氧區(qū)，為反硝化創(chuàng)造了條件。僅采用好氧MBR工藝，雖然對TP的去除效率不高，但如果將其與厭氧進行組合，則可大大提高TP的去除率。研究表明，采用A/O復(fù)合式MBR工藝，對TP的去除率可達70%以上。

5.2 具有較大的靈活性和實用性

在城市污水或廢水處理中，傳統(tǒng)的處理工藝（格柵+沉砂池+初沉池+曝氣池+二沉池+消毒池）流程較長，占地面積大，而出水水質(zhì)又不能保證。而MBR工藝（篩網(wǎng)過濾+MBR）則因流程短、占地面積小，處理水量靈活等特點，而呈現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。MBR的出水量根據(jù)實際情況，只需增減膜組件的片數(shù)就可完成產(chǎn)水量調(diào)整，非常簡單、方便。

對于傳統(tǒng)的活性污泥法工藝中出現(xiàn)的污泥膨脹現(xiàn)象，MBR由于不用二沉池進行固液分離，可以輕松解決。這樣，就大大減輕了管理操作的復(fù)雜程度，使穩(wěn)定的出水成為可能。

同時，MBR工藝非常易于實現(xiàn)自動控制，提高了污水處理的自動化水平。

5.3 解決了剩余污泥處置難的問題

剩余污泥的處置問題，是污水處理廠運行好壞的關(guān)鍵問題之一MBR工藝中，污泥負荷非常低，反應(yīng)器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)相對缺乏，微生物處在內(nèi)源呼吸區(qū)，污泥產(chǎn)率低，因而使得剩余污泥的產(chǎn)生量很少，SRT得到延長，排除的剩余污泥濃度大，可不用進行污泥濃縮，而直接進行脫水，這就大大節(jié)省了污泥處理的費用。有研究得出，在處理生活污水時，MBR*的排泥時間在35d左右。

6. MBR工藝的不足與建議

盡管膜生物反應(yīng)器有許多傳統(tǒng)工藝不具備的優(yōu)點，且有了一定規(guī)模的應(yīng)用，但真正要使該技術(shù)大范圍的應(yīng)用，還有很多問題需解決。

6.1膜組件的費用較高

在MBR工藝中，膜組件的費用較高，一般膜的價格為200～1 000元/m²。在運行中膜組件的更換占總運行費的40%～75%。因此經(jīng)濟因素是影響其廣泛應(yīng)用的一個主要原因。

建議加強低成本，高性能的新型膜材料的研發(fā)，推動產(chǎn)業(yè)化進程。

6.2膜的壽命短

膜的壽命及更換，導(dǎo)致運行成本高。膜組件一般使用壽命在5年左右，到期需更換。

建議開發(fā)使用壽命更長久的膜材料，在長期的污水處理中節(jié)約膜材料投入成本。

6.3 膜通量較小

膜通量小，一般通量為20～100 L/（h·m²），不適合大流量污水的處理。MBR工藝在運行時會使膜通道發(fā)生堵塞和濃差極化現(xiàn)象，在膜的表面形成一個膠化層，即膜污染。

這將導(dǎo)致膜通量的急劇下降。膜污染成了MBR廣泛應(yīng)用的阻礙，是當(dāng)前MBR研究的一個熱點，其污染機理還有待于進一步研究。另外，膜通量還應(yīng)通過研究開發(fā)進一步提高，從而推進該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

6.4 能耗較大

在用于處理污水的MBR中通常都維持較高的MLSS濃度，這易導(dǎo)致氧傳遞率的降低,運行能耗變大，水溫升高，污泥活性下降及等問題。

建議加強這方面的研究及優(yōu)化設(shè)計，進一步降低能耗。

7.MBR工藝的發(fā)展前瞻

隨著MBR工藝的不斷發(fā)展與成熟，該工藝將越來越多的應(yīng)用于污水處理的各個行業(yè)，在人們的生活與生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。以下幾個方面將會得到MBR技術(shù)的日益普及。

1.現(xiàn)有城市污水處理廠的更新升級 。

2.無排水管網(wǎng)系統(tǒng)地區(qū)的污水處理，如居民點、旅游度假區(qū)、風(fēng)景區(qū)等。

3.有污水回用需求的地區(qū)或場所，如賓館、洗車業(yè)、客機、流動廁所等 。

4.高濃度、有毒、難降解工業(yè)廢水處理。如造紙、制糖、皮革等行業(yè)

5.垃圾填埋廠滲濾液的處理及回用

6.小規(guī)模污水廠（站）的應(yīng)用。