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膜生物反應(yīng)器概述

　　目前開發(fā)出來的膜生物反應(yīng)器可以分為三類：膜分離生物反應(yīng)器（Membrane separationbioreactor）；膜曝氣生物反應(yīng)器（Membrane aeration bioreactor）和萃取膜生物反應(yīng)器（Extractivemembranebioreactor）。其中，膜分離生物反應(yīng)器用于污水處理中的固液分離；膜曝氣生物反應(yīng)器中膜被用于氣體質(zhì)量傳遞，通常是為好氧工藝供氧，可以實現(xiàn)生物反應(yīng)器的無泡曝氣，大大提高反應(yīng)器的傳氧效率；萃取膜生物反應(yīng)器主要用于工業(yè)廢水中優(yōu)先污染物的處理，選擇性透過膜被用于萃取特定的污染物。目前已進(jìn)行大量研究并投入大規(guī)模實際應(yīng)用的只有膜分離生物反應(yīng)器，以下均指膜分離生物反應(yīng)器。
膜分離生物反應(yīng)器的分類方法有很多。按照膜組件的放置方式可分為分體式和一體式膜生物反應(yīng)器；按照生物反應(yīng)器是否需氧可分為好氧和厭氧膜生物反應(yīng)器。
分體式生物反應(yīng)器把生物反應(yīng)器與膜組件分開放置，生物反應(yīng)器的混合液經(jīng)泵增壓后進(jìn)入膜組件，在壓力作用下混合液中的液體透過膜得到系統(tǒng)出水，活性污泥則被截留，并隨濃縮液回流到生物反應(yīng)器內(nèi)。一體式系統(tǒng)則直接將膜組件置于反應(yīng)器內(nèi)，通過泵的抽吸得到過濾液，膜表面清洗所需的錯流由空氣攪動產(chǎn)生，曝氣器設(shè)置在膜的正下方，混合液隨氣流向上流動，在膜表面產(chǎn)生剪切力，以減少膜的污染。好氧膜生物反應(yīng)器一般用于城市和工業(yè)廢水的處理，好氧MBR用于城市污水處理通常是為了使出水達(dá)到回用的目的，而用于處理工業(yè)廢水的主要為了去除一些特別的污染物，如油脂類污染物。
　　將膜分離技術(shù)與厭氧生物反應(yīng)器相結(jié)合，產(chǎn)生了一種更高效、低能耗、易控制與啟動的新型厭氧生物處理技術(shù)—厭氧膜生物反應(yīng)器。傳統(tǒng)的厭氧生物處理技術(shù)希望維護(hù)較高的污泥濃度、較短的水力停留時間（HRT）和較長污泥停留時間（SRT），以實現(xiàn)降低投資與運行費用的目的。而在厭氧膜生物發(fā)生器中，通過膜的高效截留，不僅解決了厭氧污泥容易從生物反應(yīng)器流失導(dǎo)致出水水質(zhì)降低的問題，同時膜分離的作用還體現(xiàn)在對厭氧反應(yīng)器的構(gòu)造與處理效果的強(qiáng)化方面。以UASB與膜單元相結(jié)合為例，厭氧膜反應(yīng)器不再需要設(shè)計的三相分離器來實現(xiàn)固液氣的分離；而對于兩相厭氧MBR，由于膜分離的作用使產(chǎn)酸反應(yīng)氣中的產(chǎn)酸菌濃度增加，提高了水解發(fā)酵能力，同時膜將大分子有機(jī)物截留在產(chǎn)酸反應(yīng)器中使水解發(fā)酵，因此保持較高的酸化率。厭氧膜生物反應(yīng)器廠用于高濃度有機(jī)分水的處理效果，由于生物反應(yīng)器缺少曝氣，為了使厭氧污泥處于懸浮狀態(tài)，處理高濃度有機(jī)廢水的厭氧膜生物反應(yīng)器均采用分體式。

膜生物反應(yīng)器技術(shù)起源與60年代的美國。膜生物反應(yīng)器的研究與應(yīng)用可分為三個階段：

第一階段（1966－1980）：1966年，美國的Dorr-oliver公司首先將MBR用于廢水處理的研究；1968年，Smith等將好氧活性污泥法與超膜相結(jié)合的MBR用于處理城市廢水[10]；1969年Budd等的分離式MBR技術(shù)獲得了美國專利（JohnW，1989）。70年代初期，好氧分離式MBR處理城市污水的實驗規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大；同時，厭氧MBR研究液相繼開始進(jìn)行（張盼月，1997），實驗室規(guī)模的研究與中試規(guī)模的研究均取得了較滿意的結(jié)果。這一時期MBR的應(yīng)用由于受當(dāng)時膜生產(chǎn)技術(shù)的限制。直到20世紀(jì)七十年代后期，大規(guī)模好氧膜生物反應(yīng)器才開始在北美應(yīng)用。

第二階段（1980－1995）：70年代末期，日本由于國土面積小，地面水體因徑流距離較短而導(dǎo)致其自凈能力差、生態(tài)系統(tǒng)脆弱、易受污染。MBR由于其占地面積小和出水水質(zhì)優(yōu)良的又是，其應(yīng)用由了很快的進(jìn)展。自1983年到1987年，日本有13家公司使用好氧MBR處理大樓廢水，經(jīng)處理后的水做中水回用，處理規(guī)模達(dá)50－250m3/d。日本1985年開始的“水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計劃”把MBR的研究在污水在污水處理對象與規(guī)模方面都大大推進(jìn)了一步（Spellman F.R，1997；SmithC.V.Jr，1969；Budd，1969）。在該項計劃中，日本對厭氧MBR作了較系統(tǒng)的研究，研制了酒精發(fā)酵廢水、造紙廠廢水、蛋白工廠廢水、城市污水、屎尿廢水、淀粉廠廢水等7類污水的MBR處理系統(tǒng)。目前在日本運行（包括在建）的膜生物反應(yīng)器占全球的66％。

第三階段（1995－至今）：進(jìn)入九十年代中后期，越來越多的歐洲國家將MBR用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。目前主要有四家大公司經(jīng)營MBR，它們分別是加拿大Zenon公司，日本MitsubishiRayon公司，法國Suez-LDE/IDI公司和日本Kubota公司[20]。Zenon、MitsubishiRayon和Kubota公司生產(chǎn)一體式聚合物中空纖維膜組件，而Suez-LDE/IDI生產(chǎn)分體式管式陶瓷膜組件。加拿大的Zenon公司首先退出了超濾管式膜生物反應(yīng)期，并將其應(yīng)用與城市污水處理。為了節(jié)約能耗，它又開發(fā)了淹沒式中空纖維絲的膜組件，此膜組件可以直接放入曝氣池，也可以單獨設(shè)立分離池；采用正壓壓濾和負(fù)壓抽濾相結(jié)合的方式，并采用在線過濾脈沖反沖洗，易減少膜污染。目前這種膜生物反應(yīng)氣已應(yīng)用與美國，德國，法國和埃及等十多個地方，規(guī)模從380m3/d至7600m3/d（HadiHusain，1991）。日本的Kubota公司所生產(chǎn)的板式膜具有流通量大，耐污染和工藝簡單特點。此板式膜直接放入混合液中，利用混合液的水頭壓力作為穿透壓，將處理水排出系統(tǒng)，系統(tǒng)出水穩(wěn)定。

發(fā)達(dá)國家近年來MBR的應(yīng)用情況

※國內(nèi)的研究與應(yīng)用

　　我國對MBR的研究僅十余年，但發(fā)展十分迅速。1991年10月，岑運華介紹了MBR在日本的研究狀況（芩運華，1991），1993年以后，許多高校與研究所加入了MBR的開發(fā)研究工作。國內(nèi)對MBR的研究大致可分為幾個方面：【1】探索不同生物處理工藝與膜分離單元的組合形式，生物反應(yīng)處理工藝從活性污泥法擴(kuò)展到接觸氧化法，生物膜法，活性污泥與生物膜相結(jié)合的復(fù)合式工藝，兩相厭氧工藝等；【2】影響處理效果與膜污染的因素，機(jī)理及數(shù)學(xué)模型的研究，探求合適的操作條件與工藝參數(shù)，盡可能減輕膜污染，提高膜組件的處理能了和運行穩(wěn)定性；【3】擴(kuò)大MBR的應(yīng)用范圍，MBR的研究對象從生活污水?dāng)U展到高濃度有機(jī)廢水（食品廢水，啤酒廢水）與難降解工業(yè)廢水（石化污水，印染廢水等），但以生活污水的處理為主。

膜生物反應(yīng)器處理效果及影響因素

　　在發(fā)達(dá)國家，好氧與厭氧膜生物反應(yīng)器在實際工程中的應(yīng)用有20多年的歷史，取得較好的處理效果。在好氧膜生物反應(yīng)器處理污水方面，1989年，Yamatomo在它的一體式MBR小試實驗研究中（YamamotoK，1989），在體積負(fù)荷為1.5kgCOD/m3的條件下，HRT為4H，系統(tǒng)穩(wěn)定在120天，COD的去除率高達(dá)95％，60％的總氮（TN）通過間歇曝氣去除。Chiemchaisri等人進(jìn)行同類型MBR中試規(guī)模的研究（Chiemchaisri，1993），出水COD在17－21mg/L；出水TN平均為4.9mg/L，TN的去除率在80％以上。Ueda用MBR處理鄉(xiāng)村生活污水（32－39m3/d）,HRT為13－16H,BOD負(fù)荷0.16－0.37kg/m3.d,BOD污泥負(fù)荷0.015－0.046kg/m3.d，當(dāng)進(jìn)水BOD5為133±58mg/L、TN為32±19mg/L，TP為3.8±3.0mg/L時，三者的去除率分別為99％，83％，70％（Ueda，1999）。除生活污水與市政廢水處理以外，好氧膜生物反應(yīng)器在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用也得到了廣泛的關(guān)注，如處理糞便污水，食品工業(yè)廢水，水產(chǎn)加工廢水，養(yǎng)殖廢水，化妝品生產(chǎn)廢水，染料廢水，石油化工廢水，均獲得了良好的處理效果。90年代初，美國在Ohio建造了一套用于處理某汽車制造廠的工業(yè)廢水的MBR系統(tǒng)，處理規(guī)模為151m3/d,該系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷達(dá)6.3kgCOD/m3.d,COD去除率為94％，絕大部分的油與油脂被降解（YamamotoK，1989）。表1.4是一些應(yīng)用好氧膜生物反應(yīng)器處理城市和工業(yè)廢水的效果和運行參數(shù)。從表1.4可以看出，好氧膜生物反應(yīng)器容積負(fù)荷通常為1.2－3.2 kgCOD/m3.d，污泥濃度10－20gMLSS/L,HRT為2-24H，污泥負(fù)荷在0.03－0.45 kgCOD/kgMLSS.D之間，COD和BOD的去除率均大于90％。因此，Zenon公司的MBR生物反應(yīng)器單元通常按下列參數(shù)設(shè)計：MBR容積負(fù)荷為1.8－5.7kgCOD/m3.d；污泥濃度15－20 gMLSS/L，HRT大于2H，SRT大于15D，F(xiàn):M小于0.2kgCOD/kgMLSS.D（Steven Till，2001）。
　　我國的研究者對分離式MBR、抽吸淹沒式MBR、重力淹沒式MBR與傳統(tǒng)生物處理工藝在城市污水處理方面進(jìn)行的比較研究表明，各種MBR的出水水質(zhì)均優(yōu)于傳統(tǒng)生物處理工藝。生活污水經(jīng)MBR處理后，COD、BOD5、濁度都很低，大部分細(xì)菌、病毒被截留，出水水質(zhì)可達(dá)到某些用水水質(zhì)要求，如作為立方中水回用、城市園林綠化、掃除、消防等用水。膜的截留作用防止了硝化細(xì)菌的流失，為維持生物反應(yīng)器內(nèi)高濃度硝化細(xì)菌創(chuàng)造了有利條件，從而大大提高了硝化效率。近年來，膜生物反應(yīng)器在國內(nèi)已進(jìn)入了實際實用階段。1998年，大連大器公司設(shè)計的200m3/d的中水回用裝置就已在大連投入運行；天津德人公司首先開發(fā)了重力淹沒式MBR，該技術(shù)在2000年已應(yīng)用于天津普辰大廈德中水回用系統(tǒng)，處理規(guī)模為25m3/d,該裝置占地僅2.8m3;上海芢原公司研究開發(fā)的PW系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于數(shù)十個行業(yè)地高濃度有機(jī)廢水處理，規(guī)模從5m3/d至700m3/d不等；目前MBR系統(tǒng)的處理對象從生活污水?dāng)U展到高濃度有機(jī)廢水和難降解工業(yè)廢水，如制藥廢水、化工廢水、食品廢水、屠宰場廢水、煙草廢水、豆制品污水、糞便污水、黃泔污水等。從1998－2000年，MBR以高濃度有機(jī)廢水的處理為主，2001年，MBR開始較多地應(yīng)用于賓館、飯店、寫字樓、住宅小區(qū)等污水處理回用工程，從目前的趨勢看，MBR對生活污水、高濃度有機(jī)廢水與難降解工業(yè)廢水的處理效果良好。資料調(diào)查結(jié)果表明，在我國MBR的應(yīng)用對象存在明顯的地域差別，南方地區(qū)，MBR目前主要應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水與難降解工業(yè)廢水的處理；而在天津、大連等嚴(yán)重缺水的北方地區(qū)，MBR主要作為中水回用技術(shù)處理生活污水。
　　當(dāng)膜生物反應(yīng)器用于處理生活污水時，膜生物反應(yīng)器的污泥產(chǎn)率和污泥活性隨著污泥齡的降低而增加，但污泥降解污染物的能力不太受污泥齡的影響；HRT與沖擊負(fù)荷對出水的影響較小。桂平應(yīng)用一體式MBR時，采用5D、10D、20D、40D、80D的污泥齡，溫度在15－25oC，發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)基本不受污泥齡的影響；當(dāng)容積負(fù)荷達(dá)到4kgCOD/m3.d,MBR仍對COD有良好的處理效果（桂萍，1999）。邢傳宏應(yīng)用無機(jī)膜－生物反應(yīng)器進(jìn)行生活污水處理，生物反應(yīng)器溫度在30oC，HRT為5H,容積負(fù)荷分別為0.7 kgCOD/m3.d、2.2 kgCOD/m3.d、3.4kgCOD/m3.d時，出水COD均在10mg/L左右[37]。而厭氧MBR出水受沖擊負(fù)荷與HRT的影響較大（邢傳宏，1996）。
李紅兵、顧平對MBR處理生活污水的研究表明，沖擊負(fù)荷對有機(jī)物的去除沒有顯著的影響，但NH3-N受沖擊負(fù)荷影響顯著，出水NH3-N的惡化程度與沖擊負(fù)荷的大小成正比（李紅兵，1999；楊磊，1999；顧平，1998）。這以現(xiàn)象可能時由于膜的攔截作用對NH3-N的去除并無貢獻(xiàn)，因此MBR對氮的去除效果易受生物反應(yīng)器的處理效果影響。顧平的研究還發(fā)現(xiàn)：在沖擊負(fù)荷條件下，膜通量衰減幅度時正常COD負(fù)荷的數(shù)十倍（顧平，1998）。
當(dāng)膜生物反應(yīng)器處于處理工業(yè)廢水時，吳志超采用好氧MBR處理巴西基酸生成廢水發(fā)現(xiàn)，SRT為10d,HRT在12、14、36、48h變化時，相對應(yīng)的COD負(fù)荷分別時4.8、3.6、2.4、1.2kg/(m3.d),出水COD基本不變；SRT從5d提高到20d,出水COD從303mg/L下降到171mg/L,當(dāng)進(jìn)步將SRT提高到50d,出水COD基本維持不變（吳志超，1999）。而何義亮用厭氧MBR處理高濃度食品廢水卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)容積負(fù)荷從2 kg/(m3.d)升高到4.5kg/(m3.d)，COD去除率從90％下降到70％；且HRT對處理效果有重要影響，當(dāng)水力停留時間低于50H時，COD去除率較低且不穩(wěn)定；當(dāng)水力停留時間超過50h后，COD去除率穩(wěn)定在80％以上（何義亮，1999）。這說明膜生物反應(yīng)器處理工業(yè)廢水同樣要求保證一定的水力停留時間和污泥齡。