MBR工艺在污水处理中的应用

　　摘要：生物膜污水处理工艺（MBR技术）是近年来发展起来的一种新型污水处理技术，是膜分离技术和传统活性污泥法的结合的系统。本文简要介绍了MBR技术在污水处理中的的工作原理、国内外发展现状、工艺分类及其工艺特点等，并分析了该技术存在的问题，提出了建议和展望。
　　
　　关键词：MBR工艺；污水处理；生物膜
　　
　　中国是一个缺水国家,污水处理及回用是开发利用水资源的有效措施。污水回用是将城市污水、工业污水通过膜生物反应器等设备处理之后,将其用于绿化、冲洗、补充观赏水体等非饮用目的,而将清洁水用于饮用等高水质要求的用途。城市污水、工业污水就近可得,可免去长距离输水，而实现就近处理实现水资源的充分利用，同时污水经过就近处理，也可防止污水在长距离输送过程中造成污水渗漏，导致污染地下水源。污水回用已经在世界上许多缺水的地区广泛采用,被认为21世纪污水处理*技术。MBR技术是膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统，随着该技术的不断成熟，正得到越来越广泛的应用。
　　
　　1.MBR含义及其工作原理
　　
　　MBR为膜生物反应器（MembraneBio-Reactor）的简称,是一种将膜分离技术与生物技术有机结合的新型水处理技术，它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物截留住，省掉二沉池。膜-生物反应器工艺通过膜的分离技术大大强化了生物反应器的功能，使活性污泥浓度大大提高，其水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）可以分别控制。
　　
　　膜生物反应器因其有效的截留作用，可保留世代周期较长的微生物，可实现对污水深度净化，同时硝化菌在系统内能充分繁殖，其硝化效果明显，对深度除磷脱氮提供可能。
　　
　　2.MBR技术的国内外发展
　　
　　2.1国外发展研究现状
　　
　　1969年，美国的Smith报道了美国Dorr—Oliver公司把活性污泥法和超滤工艺结合处理城市污水的方法。1970年，美国的Dorr—Oliver公司和日本的SankEngineering有限责任公司达成协议，使得该工艺进入日本市场。目前在世界范围内，实际应用的MBR系统已经超过500套，同时许多工程在计划或者建设中。MBR在日本的商业应用发展的很快，世界上约有66％的工程在日本，其余的MBR工程主要在北美和欧洲。
　　
　　2.2国内发展研究现状
　　
　　我国对膜生物反应器污水处理技术的研究较晚，但发展迅速，近年来，MBR工艺已有实际应用实例，并保持着良好的发展势头。2002年，膜生物反应器的研发又被列为“863”重大科技项目，推进膜生物反应器在污水处理及回用中的应用。刘锐等在研究膜生物反应器与传统活性污泥工艺进行比较后发现，在运行条件一致的情况下，膜生物反应器有更强的去除能力。陈卫文等研究膜生物反应器对各分子质量区间内有机物的去除规律发现，物理截留作用可*截留粒径>0．22µm的有机物，而活性污泥的降解作用以及膜表面滤饼层和凝胶层的共同作用可去除大部分0．22µm以下的有机物。张西旺等在研究一体式膜生物反应器处理高氨氮小区生活污水的中试实验中发现，通过增设泥水回流和缺氧区可将氨氮去除率从60％提高到95％以上。周建仁等在研究膜生物反应器处理高浓度．生活污水的实验中发现，在进水COD为1250—13500mg／L时，去除率可高达94．1％一-95．6％，BOD5的去除率可达98％以上。同时，国内的学者也开始研究膜生物反应器中运行参数的数学模型，主要为*水力停留时间、*排泥时间以及*反冲洗周期，并通过实验得到验证。
　　
　　3.MBR工艺与传统污水处理工艺的比较
　　
　　在传统的污水生物处理技术（图1）中，泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其分离效率依赖于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分离效率越高。而污泥的沉降性取决于曝气池的运行状况，改善污泥沉降性必须严格控制曝气池的操作条件，这限制了该方法的适用范围。由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维持较高浓度，一般在1.5～3.5g/L左右，从而限制了生化反应速率。水力停留时间（HRT）与污泥龄（SRT）相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾。系统在运行过程中还产生了大量的剩余污泥，其处置费用占污水处理厂运行费用的25%～40%。传统活性污泥处理系统还容易出现污泥膨胀现象，出水中含有悬浮固体，出水水质恶化。
　　
　　MBR工艺通过将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合，不仅省去了二沉池的建设，而且大大提高了固液分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中菌(特别是优势菌群)的出现，提高了生化反应速率。同时，通过降低F/M比减少剩余污泥产生量（甚至为零），从而基本解决了传统活性污泥法存在的许多突出问题。
　　
　　4.MBR工艺分类
　　
　　4.1根据膜材料的不同,膜主要分为有机膜、无机膜两大类。有机膜价格较便宜,但易污损;无机膜能在恶劣的环境下工作,使用寿命长,但价格较贵。
　　
　　4.2根据膜组件在MBR中所起作用的不同,可将MBR分为分离MBR、无泡曝气MBR和萃取MBR三种。分离MBR中的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池,MBR由于高的截流率,并将浓缩液回流到生物反应池内,使生物反应器具有很高的微生物浓度和很长的污泥停留时间,因而使MBR具有很高的出水水质;无泡曝气MBR采用透气性膜对生物反应器无泡供氧,氧的利用率可达100%,因不形成气泡,可避免水中某些挥发性的有机污染物挥发到大气中；用于提取污染物的萃取MBR是由内装纤维束的硅管组成,这些纤维束的选择性将工业废水中的有毒污染物传递到好氧生物相中而被微生物吸附降解。
　　
　　4.3根据生物反应器和膜组件结合的方式不同,膜生物反应器可分为分置式（图3）和一体式（图4）。
　　
　　分置式是指膜组件与生物反应器分开设置,压力驱动靠加压泵。分置式的特点是运行稳定可靠,操作管理容易,易于膜的清洗、更换。但一般条件下为减少污染物在膜表面的沉积,由循环泵提供的水流流速都很高,动力消耗较高。
　　
　　一体式是将膜组件置于生物反应器中,通过真空泵抽吸,得到过滤液。一体式的zui大特点是运行费用低,但在运行稳定性、操作管理方面和膜的清洗更换上不如分置式
　　
　　5．MBR处理工艺的优点
　　
　　5.1对污染物的去除效率高
　　
　　MBR对悬浮固体（SS）浓度和浊度有着非常良好的去除效果。由于膜组件的膜孔径非常小（0.01～1μm），可将生物反应器内全部的悬浮物和污泥都截留下来，其固液分离效果要远远好于二沉池，MBR对SS的去除率在99%以上，甚至达到100%；浊度的去除率也在90%以上，出水浊度与自来水相近。由于膜组件的截留作用，将全部的活性污泥都截留在反应器内，使得反应器内的污泥浓度可达到较高水平，zui高可达40～50g/L.这样，就大大降低了生物反应器内的污泥负荷，提高了MBR对有机物的去除效率，对生活污水COD的平均去除率在94%以上，BOD的平均去除率在96%以上。同时，由于膜组件的分离作用，使得生物反应器中的水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）是*分开的，这样就可以使生长缓慢、世代时间较长的微生物（如硝化细菌）也能在反应器中生存下来，保证了MBR除具有降解有机物的作用外，还具有良好的硝化作用。研究表明，MBR在处理生活污水时，对氨氮的去除率平均在98%以上，出水氨氮浓度低于1mg/L.
　　
　　此外，选择合适孔径的膜组件后，MBR对细菌和病毒也有着较好的去除效果，这样就可以省去传统处理工艺中的消毒工艺，大大简化了工艺流程。
　　
　　另外，在DO浓度较低时，在菌胶团内部存在缺氧或厌氧区，为反硝化创造了条件。仅采用好氧MBR工艺，虽然对TP的去除效率不高，但如果将其与厌氧进行组合，则可大大提高TP的去除率。研究表明，采用A/O复合式MBR工艺，对TP的去除率可达70%以上。
　　
　　5.2具有较大的灵活性和实用性
　　
　　在城市污水或废水处理中，传统的处理工艺（格栅+沉砂池+初沉池+曝气池+二沉池+消毒池）流程较长，占地面积大，而出水水质又不能保证。而MBR工艺（筛网过滤+MBR）则因流程短、占地面积小，处理水量灵活等特点，而呈现出明显优势。MBR的出水量根据实际情况，只需增减膜组件的片数就可完成产水量调整，非常简单、方便。
　　
　　对于传统的活性污泥法工艺中出现的污泥膨胀现象，MBR由于不用二沉池进行固液分离，可以轻松解决。这样，就大大减轻了管理操作的复杂程度，使稳定的出水成为可能。
　　
　　同时，MBR工艺非常易于实现自动控制，提高了污水处理的自动化水平。
　　
　　5.3解决了剩余污泥处置难的问题
　　
　　剩余污泥的处置问题，是污水处理厂运行好坏的关键问题之一MBR工艺中，污泥负荷非常低，反应器内营养物质相对缺乏，微生物处在内源呼吸区，污泥产率低，因而使得剩余污泥的产生量很少，SRT得到延长，排除的剩余污泥浓度大，可不用进行污泥浓缩，而直接进行脱水，这就大大节省了污泥处理的费用。有研究得出，在处理生活污水时，MBR*的排泥时间在35d左右。
　　
　　6.MBR工艺的不足与建议
　　
　　尽管膜生物反应器有许多传统工艺不具备的优点，且有了一定规模的应用，但真正要使该技术大范围的应用，还有很多问题需解决。
　　
　　6.1膜组件的费用较高
　　
　　在MBR工艺中，膜组件的费用较高，一般膜的价格为200～1000元/m2。在运行中膜组件的更换占总运行费的40%～75%。因此经济因素是影响其广泛应用的一个主要原因。
　　
　　建议加强低成本，高性能的新型膜材料的研发，推动产业化进程。
　　
　　6.2膜的寿命短
　　
　　膜的寿命及更换，导致运行成本高。膜组件一般使用寿命在5年左右，到期需更换。
　　
　　建议开发使用寿命更长久的膜材料，在的污水处理中节约膜材料投入成本。
　　
　　6.3膜通量较小
　　
　　膜通量小，一般通量为20～100L/（h·m2），不适合大流量污水的处理。MBR工艺在运行时会使膜通道发生堵塞和浓差极化现象，在膜的表面形成一个胶化层，即膜污染。
　　
　　这将导致膜通量的急剧下降。膜污染成了MBR广泛应用的阻碍，是当前MBR研究的一个热点，其污染机理还有待于进一步研究。另外，膜通量还应通过研究开发进一步提高，从而推进该技术的广泛应用。
　　
　　6.4能耗较大
　　
　　在用于处理污水的MBR中通常都维持较高的MLSS浓度，这易导致氧传递率的降低,运行能耗变大，水温升高，污泥活性下降及等问题。
　　
　　建议加强这方面的研究及优化设计，进一步降低能耗。
　　
　　7.MBR工艺的发展前瞻
　　
　　随着MBR工艺的不断发展与成熟，该工艺将越来越多的应用于污水处理的各个行业，在人们的生活与生产中发挥更大的作用。以下几个方面将会得到MBR技术的日益普及。
　　
　　1.现有城市污水处理厂的更新升级。
　　
　　2.无排水管网系统地区的污水处理，如居民点、旅游度假区、风景区等。
　　
　　3.有污水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业、客机、流动厕所等。
　　
　　4.高浓度、有毒、难降解工业废水处理。如造纸、制糖、皮革等行业
　　
　　5.垃圾填埋厂渗滤液的处理及回用
　　
　　6.小规模污水厂（站）的应用。