论文导读：今年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生，其中的膜分离技术，特别是膜生物反应器（MBR）组合工艺在废水处理中的应用格外引人注目[1]。近年来，针对这些问题我国的研究人员对MBR中生物反应器型式进行了改进，开发出了一些MBR的新工艺，获得了更好的污染物去除效果和更稳定的运行性能。
关键词：MBR，分类，新工艺，未来发展
水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切要求适合时代发展的污水资源化技术，以缓解水资源的短缺状况。因此，今年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生，其中的膜分离技术，特别是膜生物反应器（MBR）组合工艺在废水处理中的应用格外引人注目[1]。
1MBR的分类
1．1按膜功能分类
根据所用膜的功能，膜生物反应器分为3类：分离膜生物反应器、无泡膜生物反应器和萃取膜生物反应器。
1．1．1 分离膜生物反应器（BSMBR，简称MBR）
MBR是目前最为普遍的应用形式，优点是处理装置体积小，运行管理方便，生化反应速率高，剩余污泥产生量少，出水水质好；膜能截留大部分细菌、病毒，具有一定的消毒能力；泥龄和水力停留时间可以完全独立控制，容积负荷高，运行稳定，耐冲击负荷。利用膜组件对混合液具有高效分离功能，几乎没有污泥流失，使生物反应器可以保持高达10～20g/L（好氧型）的浓度(比传统活性污泥法的污泥浓度高10 倍左右)，以此膜组件代替传统的活性污泥法中二沉池构成分离膜生物反应器 ,很好地解决了活性污泥浓度高、出水水质差及剩余污泥处理费用高等相关问题。国内外研究表明，膜生物反应器在高污泥浓度下也能保持稳定和较好的出水水质，且由于污泥负荷降低可减少剩余污泥量；由于污泥停留时间长，有利于消化菌繁殖，使处理装置具有较好的脱氮能力。
1．1．2 无泡膜生物反应器（MABR）
传统的曝气系统由于采用鼓泡供氧，氧传质效率低；反应器中的活性污泥浓度较高时，无法满足微生物对氧的需要。无泡膜生物反应器工艺中采用透气性膜直接供应高纯氧 ，氧气停留在膜组件上的时间很长，氧传质效率可接近 100％，是传统曝气的 5～7 倍[2]。同时 ,气体的分压被控制在小于泡点（不在生物膜上形成气泡），使氧气不能进入大气而被充分利用。MABR适用于处理高需氧量的废水，以及挥发性有机物的生物降解 、联合硝化，在单一生物膜上进行反硝化或有机碳氧化[3]。当空气或氧气进入传质阻力很小的透气性膜后，在浓差推动力的作用下向膜外的活性污泥扩散。反应器内巨大的膜表面积为氧的传质及生物膜的增长创造了非常有利的条件。无泡膜生物反应器特别适用于含挥发性有毒有机物或发泡剂的工业废水处理，不会将废水中的挥发性有毒污染气提到空气中造成二次污染。由于膜具有很高的传质速率，在氧气中混入可生物降解的有机气体后，可能会取得更好的降解效果。论文参考。
1．1．3 萃取式膜生物反应器（EMBR）
萃取式膜生物反应器工艺所用的膜组件是由硅胶或其他疏水性聚合物制成的。该反应器的一种运行方式是废水流和生物膜被硅橡胶膜隔开，易挥发的有机污染物可很快通过硅橡胶膜，在生物膜中进行生物降解，而废水中的无机质不能通过硅橡胶膜，因此废水中的有害离子组分对微生物的降解作用就没有影响。污染物通过膜后在生物反应器中被微生物吸附降解，浓度不断下降，在废水和反应器之间形成一个浓度差。这是污染物进入生物反应器的根本传质推动力；另一种运行方式是由一个传统的生物反应器连接一个具有萃取作用的管式膜组件组成，壳侧为生物介质流，管内为废水流，硅橡胶膜按束排列于管内，选择性地将有毒污染物从废水中转移至一个经过曝气的生物介质相，并在其中进行分解，污染物由废水通过膜进入生物反应器，壳侧流动的营养介质不受管内废水的影响，从而使生物降解速率保持在较高水平[4]。另外，萃取膜生物反应器有些特定的污染物存在，如果向反应器中投加降解该种物质的专性细菌后，可以提高降解的针对性和效率。有时还可添加无机营养成分来促使高效降解。
1．2按膜组件和生物反应器相对位置分类
根据膜组件和生物反应器的相对位置可以分为两大类：分置式MBR和一体式MBR。
1．2．1 分置式膜生物反应器
分置式MBR也称第一代MBR，是MBR的早期形式，在分置式MBR中，生物反应器的混合液由泵增压后进入膜组件，在压力作用下过滤液成为系统处理出水，活性污泥、大分子物质等则被膜截留，并回流到生物反应器中。最早使用的分置式MBR是双泵循环系统，如Cycle-Let工艺，而Zenon和General Motors共同开发的ZenoGem工艺则是单泵循环体系。分置式MBR通过料液循环错流运行，其特点是：运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、更换及增设。但为了减少污染物在膜面的沉积，由循环泵提供的料液流速很高，为此动力消耗较高。
1．2．2 一体式膜生物反应器
根据生物处理的工艺要求，可分为两种组成形式：第一种有两个生物反应器，其中一个为硝化池，另一个为反硝化池。膜组件浸没于硝化池中，两池之间通过泵来更新要过滤的混合液。该组合方式基于以下原因：①可以提供配套的膜和设备，便于旧系统的更新改造；②将膜浸没池作为好氧区，而生物反应池作为缺氧区以实现硝化－反硝化目的；③便于将膜隔离进行清洗。第二种组合最简单，直接将膜组件置于生物反应器内，通过真空泵或其他类型的泵抽吸，得到过滤液。为减少膜面污染，延长运行周期，一般泵的抽吸是间断进行的。论文参考。
一体式MBR利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流效果，也有采用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件自身的旋转（如转盘式膜组件）来实现膜面错流效应。与分置式相比，一体式最大的特点是运行能耗低，但在运行稳定性、操作管理方面和清洗更换上不及分置式。另外，一体式膜组件置于反应器内部，污泥及各种微生物较易附着在膜表面或进入膜孔隙内部，使得透水率下降，造成膜污染。故一体式的膜污染现象更为明显[5]。
2 MBR工艺的新发展
在MBR研究初期，生物反应器的构型一般为好氧活性污泥反应器，但容易由于悬浮污泥浓度过高，导致膜污染速率快；脱氮除磷效果不理想；曝气能耗高。近年来，针对这些问题我国的研究人员对MBR中生物反应器型式进行了改进，开发出了一些MBR的新工艺，获得了更好的污染物去除效果和更稳定的运行性能。
2．1 复合MBR工艺
它是将生物膜法或生物接解氧化法与活性污泥法结合而构成的复合生物反应器（HBR）与膜分离的联用工艺。论文参考。在HBR-MBR工艺中，附着生长的生物膜和悬浮生长的活性污泥两种形式的微生物共存，二者发挥各自的优势，共同承担去除污染物的作用，使得出水水质得以提升，出水氨氮浓度低于活性污泥MBR，同时抗冲击负荷的能力得到增强[6]。因生物载体的介入而形成的生物膜具有多层结构，从外至内因氧传递阻力的增加而形成氧浓度梯度，进而构成外层以好氧为主、而内层以缺氧或厌氧为主的微环境，有利于提高系统的生物脱氮除磷能力[7].
2．2 厌氧MBR工艺
传统的厌氧工艺处理高浓度有机废水时希望维持高的污泥浓度、很长的泥龄和较短的水力停留时间，以实现经济的目的，但共同存在的一个技术问题是生物量（非颗粒化的污泥）易从反应器中流失，并导致出水水质变差。而厌氧膜生物反应器中的膜不仅能够将所有的生物固体截留在生物反应器中，而且将大分子污染物也截留在反应器中，因此，在高污泥浓度和很长的污泥停留时间下最终被生物降解。因此，厌氧MBR体现出明显的技术优势。
厌氧膜生物反应器也在工业废水的处理中得到广泛研究和应用。厌氧MBR具有很高的容积负荷和较高的有机物去除率（一般大于95％），处理对象既包括易降解高浓度有机废水，也包括难降解有机废水。在厌氧MBR的研究中，各种厌氧反应器形式都得到应用。
除此之外，厌氧MBR的作用还体现在对厌氧反应器的构造和效果具有特殊的强化作用。以UASB与膜组合为例，不再需要设计严格的三相分离来实现固液气的分离；而对于两相厌氧MBR，由于膜分离的作用使产酸反应器中的产酸菌浓度增加，增强了水解发酵能力，同时膜将大分子有机物截留在产酸反应器中使之水解发酵，因此保持较高的酸化率。
2．3 强化MBR脱氮除磷工艺
很对传统除磷工艺都被应用到MBR中，如序批式活性污泥工艺（SBR）、A2/O工艺、间歇循环活性污泥工艺等。
2．4 投加基因工程菌 MBR 工艺
基因工程菌(GEM)是指运用生物工程技术把某种降解菌的基因片段通过转基因工程转入菌株，养出具有特定降解功能的高效特种菌。GEM投加于MBR工艺中，于膜对GEM的高效截留作用，有利于保持GEM 的种群优势，改善生物强化稳定性，提高系统对污水中难降解有机物的去除效果。如当将含有阿特拉津脱氯水解酶基因片段的GEM与MBR结合，用于处理含阿特拉津污水时，获得了良好的处理效果，阿特拉津平均出水浓度0. 84m g?L- 1，平均去除率为95% ，最大去除负荷达0. 07kg?m- 3?d- 1，同时，GEM强化的MBR对COD和氨氮也有良好的去除效果，COD和氨氮平均出水浓度分别65 m g?L- 1和1. 1 m g?L- 1，其相应的平均去除率为71%和97%[9]。与传统活性污泥法相比，膜出水中GEM 流失密度很小大幅度降低了由GEM流失可能带来的生态风险。
3 MBR的未来发展方向
(1) 膜污染的机理及防治。如：污水中污染物成分像无机物、有机物、胶体物质等对膜过滤和膜污染过程的影响及机理；膜的有机和生物污染模型的建立和研究，以避免时间长、费用高的实验和测试；性能优越的新型分离膜，尤其是耐污染膜的开发研制；新型膜组件的开发研制；膜组件清洗手段和频率的试验和探讨等。
(2) MBR的工艺过程及其主要运行参数的优化。如：加强反硝化作用以提高氮的去除率；同时硝化反硝化和短程硝化现象和控制因素的研究；能耗的降低措施和技术；污泥停留控制措施和时间的研究；膜组件和新型污水处理技术的组合以及运行方式的最优化研究等。
(3) MBR的污泥产率与运行条件的相关性研究。以合理减少污泥产量，降低污泥处理费用。
(4) MBR的经济性研究。在目前国内外尤其是国内的经济发展水平、膜产品供应状况和规范设计要求的条件下，MBR用于污水处理的最大经济流量的确定是一个急待解决的课题。同时需要界定和推荐比较适于采用MBR技术处理的污水类型。
(5) 研究制定科学合理的MBR设计标准及其方法。
参考文献
[1] 顾国维，何义亮．膜生物反应器在污水处理中的研究和应用[M]．北京：化学工业出版社，2002：1．
[2] Yamamoto K,Hiasa M,Mstsuo T.DirectSolid2liquid Separation using Hollow Fiber Membrane in An Activate Sludge Tank[J].Water Science andTechnology,1989,21(5):43-45.
[3] Stepenson T,Judd S,Jefferson B,et al.膜生物反应器污水处理技术[M].北京：化学工业出版社，2003.
[4] 颜晓莉，何奕，陈欢林．膜生物反应器及其组合工艺在有机废水处理中的应用[J]. 化工环保，2002，22（2）:106－107.
[5] Seong Hoon Yoon. Important parameters of membrane bioreactor-sludge disintegration(MBR-SD)system for zero excess sludge production[J].WaterResearch,2003,21(37):1921-1931.
[6] 尤朝阳，张军．加填料的膜生物反应器处理效能研究[J].中国给水排水，2004，20（04）：55－56
[7] 张军，王宝贞．复合淹没式膜生物反应器脱氮除磷效能研究[J] ．中国给水排水，2000，19（09）：9－11
[8] 张捍民，张杰．A2/O－MBR工艺反硝化脱氮除磷研究[J]．大连理工大学学报，2008，4（7）：490－495
[9] 赵方波，于水利．淹没式膜生物反应器膜面泥饼层的微结构特征[J]．中国给水排水，2006，22（09）：5－9
[9] 刘春．基因工程菌生物强化膜－生物反应器处理毛染废水的中试研究[D]．北京：清华大学环境科学与工程系，2006
|
