膜-生物反應器的污水處理與回用技術(shù)研究與應用

膜-生物反應器是近年新開(kāi)發(fā)的污水處理與回用技術(shù)。該技術(shù)由于具有諸多傳統污水處理工藝所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍受到普遍關(guān)注。本文將對近年來(lái)膜-生物反應器污水處理與回用技術(shù)的研究與應用進(jìn)行介紹。

1.前言

隨著(zhù)全球范圍經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的膨脹，水資源短缺已成為全球人類(lèi)共同面臨的嚴峻挑戰。為解決困擾人類(lèi)發(fā)展的水資源短缺問(wèn)題，開(kāi)發(fā)新的可利用水源是世界各國普遍關(guān)注的課題。世界上不少缺水國家把污水再生利用作為解決水資源短缺的重要戰略之一。這不僅可以消除污水對水環(huán)境的污染，而且可以減少新鮮水的使用，緩解需水和供水之間的矛盾，給工農業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展提供新的水源，取得顯著(zhù)的環(huán)境、經(jīng)濟和社會(huì )效益。開(kāi)展新型高效污水處理與回用技術(shù)的研究對于推進(jìn)污水資源化的進(jìn)程具有十分重要的意義。

膜-生物反應器是近年新開(kāi)發(fā)的污水處理與回用技術(shù)。該技術(shù)由于具有諸多傳統污水處理工藝所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍受到普遍關(guān)注。本文將對近年來(lái)膜-生物反應器污水處理與回用技術(shù)的研究與應用進(jìn)行介紹。

2.膜-生物反應器的技術(shù)原理與特點(diǎn)

在膜-生物反應器中，由于用膜組件代替傳統活性污泥工藝中的二沉池，可以進(jìn)行高效的固液分離，克服了傳統活性污泥工藝中出水水質(zhì)不夠穩定、污泥容易膨脹等不足，從而具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)能高效地進(jìn)行固液分離，出水水質(zhì)良好且穩定，可以直接回用；

(2)由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反應器內，實(shí)現反應器水力停留時(shí)間（HRT）和污泥齡（SRT）的完全分離，使運行控制更加靈活穩定；

(3)生物反應器內能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負荷高，占地面積��；

(4)有利于增殖緩慢的微生物如硝化細菌的截留和生長(cháng)，系統硝化效率得以提高。也可增長(cháng)一些難降解有機物在系統中的水力停留時(shí)間，有效地將分解難降解有機物的微生物滯留在反應器內，有利于難降解有機物降解效率的提高；

(5)膜-生物反應器一般都在高容積負荷、低污泥負荷下運行，剩余污泥產(chǎn)量低，降低了污泥處理費用；

(6)易于實(shí)現自動(dòng)控制，操作管理方便。

但膜-生物反應器也存在一些不足：(1)在運行過(guò)程中，膜易受到污染，產(chǎn)水量降低，給操作管理也帶來(lái)不便。這是目前廣大研究者致力改進(jìn)的問(wèn)題；(2)膜的制造成本較高。但隨著(zhù)膜制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，其成本可望降低。

3.膜-生物反應器的發(fā)展概述

膜-生物反應器的最早研究可以追溯到上世紀60年代末期的美國。1969年Smith等報道采用超濾膜來(lái)替代傳統活性污泥工藝中的二沉池，用于處理城市污水。在另一早期的報道中，Hardt等采用死端過(guò)濾的超濾膜與10L的好氧反應器組合處理人工配制的污水，獲得了COD去除率達98%的處理效果，污泥濃度與傳統活性污泥法相比，有大幅度增加。美國的Dorr-Oliver公司在1966年前后也開(kāi)始了膜-生物反應器的研究，開(kāi)發(fā)了MST（Membrane Sewage Treatment）的工藝。這一時(shí)期，研究的重點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)適合高濃度活性污泥的膜分離裝置。但由于受當時(shí)的膜生產(chǎn)技術(shù)所限，膜的使用壽命短、通量小，加之當時(shí)對處理排放出水水質(zhì)要求不嚴，使這項技術(shù)在相當長(cháng)一段時(shí)間僅停留在實(shí)驗室研究規模，未能投入實(shí)際應用。

70年代末期，日本由于污水再生利用的需要，膜-生物反應器的研究工作有了較快的進(jìn)展。自1983年到1987年日本有13家公司使用好氧膜-生物反應器處理大樓污水，處理水作為中水回用。1985日本建設省牽頭組織了 “水綜合再生利用系統90年代計劃”，其內容涉及到新型膜材料的開(kāi)發(fā)、膜分離裝置的構造設計和膜-生物反應器運行系統的研究。通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研的結合，把膜-生物反應器的研究在處理對象、規模和深度上都大大推進(jìn)了一步。這一階段的膜-生物反應器的型式主要是分置式。

另一方面，加拿大Zenon公司推出了該公司的分置式膜-生物反應器，用于生活污水的好氧處理。從80年代后期到90年代初，Zenon公司繼續Dorr-Oliver公司的早期研究，以開(kāi)發(fā)用于處理工業(yè)廢水的系統并獲得了成功。Zenon公司的商業(yè)化產(chǎn)品，ZenoGem于1982年投入使用。

有關(guān)膜技術(shù)與厭氧反應器的組合使用在80年代初也受到關(guān)注。1982年Dorr-Oliver公司開(kāi)發(fā)了MARS工藝（Membrane Anaerobic Reactor System）用于處理高濃度有機工業(yè)廢水。同時(shí)80年代初，在英國也開(kāi)發(fā)了類(lèi)同的工藝。該工藝在南非進(jìn)一步發(fā)展成為ADUF工藝（Anaerobic Digester Ultrafiltration Process）。

80年代末以后，國際上對膜-生物反應器的研究更是方興未艾，研究?jì)热莞�加全面，深度和廣度不斷加強。在傳統分置式膜-生物反應器的基礎上，提出了運行能耗低、占地更為緊湊的一體式膜-生物反應器。有關(guān)膜-生物反應器運行條件的優(yōu)化和膜污染機理及其控制對策方面的研究也十分活躍。這為膜-生物反應器的廣泛推廣應用奠定了基礎。目前，膜-生物反應器在日本、美國、法國、英國、荷蘭、德國、南非、澳大利亞等國已得到相當多的應用。主要應用對象包括：生活污水 的處理與回用、糞便污水處理、有機工業(yè)廢水處理等。

我國對膜-生物反應器的研究始于上世紀90年代初。最早開(kāi)始研究的有清華大學(xué)、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、天津大學(xué)、同濟大學(xué)等。近年，由于該項技術(shù)所具有的巨大吸引力和潛在的應用前景，受到了更多研究者的青睞。許多大學(xué)、研究所、環(huán)保公司也加入到了此項技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)中。從國內專(zhuān)業(yè)雜志發(fā)表的論文篇數來(lái)看，近幾年增加很快，從1998年的9篇增加到2002年的60余篇。目前國內從事膜-生物反應器開(kāi)發(fā)應用的公司也有十余家。

4. 膜-生物反應器對污染物的處理效果

4.1 有機污染物處理效果

許多研究者都證實(shí)膜-生物反應器能夠有效地去除有機污染物并獲得良好的出水水質(zhì)。早在上世紀80年代日本的三井石化公司采用好氧膜-生物反應器處理大樓生活污水，在進(jìn)水BOD5為330～710mg/L時(shí)，出水BOD5僅為1～5mg/L，BOD去除率可達99%以上。膜出水可以作為樓房中水道用水、草地噴水和汽車(chē)沖洗水等使用，達到了污水再生利用的目的。邢傳宏[5]采用分置式好氧膜-生物反應器對城市污水的處理進(jìn)行了試驗研究。在該系統中，采用管狀陶瓷膜，切割分子量為3000,000。系統表現出穩定的有機物去除率，即使進(jìn)水COD在100-800mg/L，NH4+-N在10-40mg/L大幅度變化的情況下，COD和NH4+-N去除率分別可達96%和95%以上，出水COD均小于20mg/L。其它水質(zhì)監測指標及與建設部雜用水水質(zhì)標準的比較見(jiàn)表1。

表1 MBR處理城市污水出水與建設部雜用水標準（CJ25.1-89）的比較

在膜-生物反應器中污染物去除率很高的原因在于：（1）膜的分離作用維持了高濃度的生物量，促進(jìn)了生物降解作用；（2）膜分離本身對懸浮物COD和大分子溶解性有機物也有進(jìn)一步的截留效果。對于COD的去除，由膜截留作用的貢獻率在10-20%左右。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

膜-生物反應器良好及穩定的出水水質(zhì)還有賴(lài)于膜表面形成的凝膠層的分離截留作用。很多研究者發(fā)現膜-生物反應器在運行一小段時(shí)間后，一些大分子的微生物產(chǎn)物便會(huì )附著(zhù)于膜的表面形成一層動(dòng)態(tài)過(guò)濾膜，也稱(chēng)為凝膠層。這層凝膠層也能起到過(guò)濾膜的作用，且由于其截留作用大于膜本身，從而有助于提高出水水質(zhì)。

有關(guān)操作條件對膜-生物反應器處理效果的影響也有許多報道。研究表明，變化HRT（從2h 變化到24h）和SRT（從5d到1300d（基本上不排泥）），對污染物的去除沒(méi)有明顯影響。

表2列出了好氧膜-生物反應器處理城市和工業(yè)廢水的效果和運行條件。

4.2 氮磷去除效果

在膜-生物反應器中，由于膜分離對硝化細菌的高效截留作用，生物反應器內可以維持高濃度的硝化細菌。因此通常膜-生物反應器可以獲得非常高的硝化效果，氨氮去除率可以達到95%以上。通過(guò)調整適當的操作方式，膜-生物反應器中也能獲得很好的TN去除率。如Suwa利用間歇曝氣，在分置式膜-生物反應器中獲得了0.0074 g-N /g-VSS d-1的反硝化效果。Chiemchaisri采用同樣的運行方式，脫氮率達92.6%。有研究認為，在膜-生物反應器內控制DO的條件下，可以發(fā)生同步硝化/反硝化反應。

關(guān)于膜-生物反應器對磷的去除也有相當報道，去除范圍在11.9%到75%不等。單獨的同化作用似乎不能解釋膜-生物反應器中磷的全部去除。其機理有待于進(jìn)一步研究。通過(guò)與化學(xué)除磷法相結合，可以保證系統出水達到相應的標準值以下。

4.3 難降解有機物處理效果

采用膜-生物反應器處理含難降解有機物廢水，可以強化系統對難降解有機物的處理效果，提高系統對沖擊負荷的承受能力。桂萍以喹啉和EDTA兩種難降解有機物為對象，在實(shí)驗室小試的基礎上采用膜-生物反應器進(jìn)行了試驗研究，并在同等條件下與普通活性污泥法進(jìn)行了對比。結果表明，膜-生物反應器較普通活性污泥法，對難降解有機物的去除效率和去除負荷更高，抗進(jìn)水有毒物沖擊負荷能力更強，運行更為穩定。劉超翔開(kāi)展了厭氧/好氧膜-生物反應器處理毛染廢水的中試研究，獲得了比傳統工藝更好的處理效果，處理出水可以達到中水回用標準。此外，也有研究報道采用膜-生物反應器處理制藥廢水、石化廢水等，取得了良好的效果。

5.膜-生物反應器的應用現狀

5.1 在國外應用情況

表3 列出了國外一些國家近年來(lái)MBR的應用情況。在日本運行（包括在建）的膜-生物反應器占全球的60%以上。在膜-生物反應器的應用中，98%以上是好氧膜-生物反應器，其中55%以上是一體式膜-生物反應器。

表3 MBR的國外應用情況

5.2 在國內應用情況

表4為我國的部分應用實(shí)例。

6.結束語(yǔ)

膜-生物反應器有諸多傳統工藝不及的優(yōu)點(diǎn)，在污水處理和回用中具有廣闊的應用前景�？梢詰�用的領(lǐng)域包括：高層建筑的中水回用、居住小區生活污水資源化、城市污水資源化以及有機工業(yè)廢水的資源化等。目前我國在膜-生物反應器污水處理與回用方面的應用實(shí)例還不太多，規模也不夠大。今后應通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研的緊密合作，進(jìn)一步加強研究開(kāi)發(fā)以推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。來(lái)源：中國環(huán)保頻道