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MBR工艺浅析摘要：膜生物反应器(MBR)是通过膜分离技术强化污水生物处理的新技术。本文对三种不同的MBR工艺进行了阐述，对其存在的问题进行了讨论，并预测了MBR工艺的发展趋势。关键词：污水处理、好氧MBR、厌氧MBR、兼氧MBR、膜污染水是人类赖以生存和发展的根本，直接关系到经济、能源、农业、工业以及环境等各个领域。然而随着人类文明的不断发展，水污染和水资源紧缺问题日益严重，人类面临着前所未有的环境和安全问题。令人吃惊的是，在未来的30年内，流经中国、印度以及大多数东南亚地区的雅鲁藏布江、恒河、黄河以及湄公河等几大水系将变成间歇性河流，超过15亿人将忍受数月的干旱生活[1-2]。Montgomery和Elimelech[3]在对发展中国家的水环境和卫生设施状况进行调查后指出：全球约有12亿的人生活在缺水的环境中，每年有数百万的人因缺水而死，每天约有3900名的儿童因接触或饮用不安全的水而患病。如果水污染和水资源紧缺的问题得不到很好的解决，未来的几十年里，大规模的人口迁移将不可避免，甚至可能因此而引发战争[4]。近年来，国内外学者在水处理领域取得了卓越成绩，开发了诸如UASB、EGSB、CASS、MBR等一大批新型水处理技术，为改善全球水环境带来了希望。MBR技术的核心是在好氧活性污泥工艺中引入膜过滤技术，使微生物完全截留在反应器中，省去了沉淀池，减少了占地面积，而且由于微生物量大大增加了，反应器的运行负荷和处理效果得到了极大的提高。自20世纪60年代后期MBR首次商业化应用以来[5]，在短短40年的时间里，MBR技术已成为水处理领域最优秀的技术之一。然而，围绕MBR的研究主要针对好氧工艺，很少涉及厌氧工艺、兼氧工艺，既然膜过滤技术可以极大的提高好氧工艺的处理效果，那么如果将厌氧生物、兼氧生物处理和膜过滤技术相结合，能否同样得到令人满意的结果呢？2006年，Liao等[6]综述了厌氧MBR技术的应用和发展前景，指出厌氧MBR技术不仅可以解决厌氧工艺处理效果不高、污泥流失严重等问题，而且可以利用沼气进行发电，有效降低了MBR的运行费用，为生活污水、污水污泥以及工业废水的处理带来新思路，必将推进厌氧技术和膜生物反应器的巨大发展。膜生物反应器（MBR）是一种将膜过滤技术与生物处理技术相结合的高效废水处理工艺。20世纪60年代末，Dorr-Oliver公司开发研制了世界上第一个商用MBR[5]，用来处理船舶废水，之后陆续有学者对活性污泥和膜分离系统的结合工艺进行研究和报道[7-8]。70年代初，Thetford公司推出了一种新型膜生物分离系统Cycle-Let工艺，用于美国的污水回用项目。90年代之前的MBR工艺均采用外置式结构，即在活性污泥反应器外，单独设立膜分离系统，以泵提的方式提供膜过滤所需的压力和流速，因此能耗和经济费用非常高。随着材料科学和制膜工艺的不断进步，MBR技术得到了长足的发展。1989年Yamamoto[9]首次将中空纤维膜组件直接放入活性污泥反应器中，取得了十分优异的处理效果，该工艺日后被称为浸没式MBR。随后美国和日本在此基础上推出了浸没式一体化MBR工艺，标志着MBR技术开始大规模进入市场，该工艺的主要特点是将曝气池和膜组件一体化，利用气提的方式实现膜过滤，不仅减少了占地面积，而且大大降低了能耗。到了20世纪90年代，日本政府发起了“水再生计划”，MBR技术在日本得到了极大的发展，以久保田（Kubota）为代表的一大批膜技术公司迅速发展壮大，进一步促进了MBR技术在日本乃至世界范围内的全面推广。进入21世纪，随着污水处理厂排放标准的日益提高以及MBR造价和运行成本的不断降低，MBR技术进入了全面应用的时代。截止2005年，MBR的全球市值已经达到2.17亿美元，预计2011年将达到3.6亿美元[10]。目前，全世界投入运行或在建的MBR工艺已超过2500套，已运行的规模最大的MBR工程位于德国的Kaarst市，处理量为50000m3/d，在建规模最大的是美国Brightwater污水厂的MBR工程，设计处理量11.7万m3/d[11]。我国对MBR技术的研究和报道始于90年代初，虽然起步较晚，但在国家的高度重视下，发展势头迅猛。1990年，岑运华[12]在对日本水再生计划的总结报道中介绍了MBR技术在日本的研究进展。随后在国家科技攻关项目基金的支持下，包括清华大学、中科院生态环境研究中心、哈尔滨工业大学、天津大学等在内的许多高校和研究所纷纷开展了MBR技术的研发工作，在扩展MBR的应用范围、优先MBR的处理效果和运行条件、膜污染的机理以及膜污染控制等方面均取得了显著的成绩[13-16]。近年来，随着我国经济的日益发展以及污水排放标准的日益严格，MBR技术的应用也越来越广，涉及生活污水、石化污水、高浓度有机废水、食品废水、垃圾渗滤液等多个领域[17-21]，2011年，MBR技术被列入《国家鼓励发展的重大环保局是装备目录》[22]，标志着MBR技术已成为我国水处理技术的方向标。MBR可按不同方式分为不同类型[23]，根据膜的孔径类型可分为微滤MBR、超滤MBR、纳滤MBR及反渗透MBR；根据生物反应器的需氧性能可分为好氧MBR、厌氧MBR和兼氧MBR；根据膜组件在反应器中的不同作用可分为膜分离MBR、曝气式MBR和萃取式MBR；根据膜组件和生物反应器的不同组合方式，可分为一体式MBR、分置式MBR和复合式MBR。目前废水处理常使用的MBR是由超滤或微滤膜组件组合生物反应器形成的用于固液分离的分离MBR。在废水处理的工程应用中，大多采用的是好氧MBR，约占98%的比例，其中55%以上是一体式MBR[24]。相比于分置式MBR，一体式MBR更具占地小、能耗低的优势。1好氧MBRMBR处理工艺的核心是中空纤维超滤膜和活性污泥处理系统。原理是利用反应器内的硝化细菌将水中的氨氮转化，以去除异味，同时利用好氧微生物降解水中的有机污染物质，最后，通过中空纤维膜进行高效固液分离。MBR的基本单元是膜箱，MBR的处理量就是由膜箱内膜元件的表面积决。中空纤维膜上的孔径较小，可以过滤掉大多数微小物质。膜箱可以装于单独的膜池内部或直接浸没在曝气池中，这使膜的清洗更加便捷。多膜箱连接在一起形成膜列，与透过液母管相连，再通过一个透过液泵将过滤水抽出。该透过液泵采用负压抽吸的方式抽取膜池污泥混合液中的清水，并送至清水池排放或回用。浓缩的污泥混合液则通过污泥回流泵送到生化池。目前在世界范围内，实际运行的MBR系统已经超过500套，同时许多工程正在计划和建设中。MBR在日本的商业应用发展很快，世界上约有66%的工程在日本，其余的MBR工程主要在欧洲和北美。这些工程中98%以上是膜分离工艺与好氧生物反应器而非厌氧生物反应器结合。约55%是浸没于生物反应器中，其余则是膜器件置于生物反应器之外[25]。好氧MBR工艺已经成功应用于下列行业的工业污水的处理：化妆品、医药、金属制造、纺织、屠宰场、乳制品、食品、饮料、造纸与纸浆、炼油工业与化工厂。膜生物反应器与传统的生物处理方法相比，具有抗负荷冲击能力强、出水水质稳定、排泥周期长、降解效率高、剩余污泥产生量小、占地面积小、易实现自动控制等优点，是目前最有前途的污水回用技术之一。近几年全球MBR市场正在快速发展，处理规模日渐扩大，处理技术日渐成熟，投资和运行费用也不断降低，未来的发展空间会更加广阔。2厌氧MBR厌氧MBR可以被简单的定义为在无氧条件下，利用膜过滤实现固液分离的微生物降解污染物的过程[6]。与好氧MBR相比，厌氧MBR研究的起步较晚，据可查阅的文献记载，德国人Grethlein[26]于1975年首次将膜过滤的概念引入厌氧处理工艺中，他的研究报告表明膜过滤系统的引入有效的增加了厌氧系统的微生物量，并且提高了BOD去除率，达到了85~95%，不仅如此硝酸盐和正磷酸盐的去除率也分别提高到75%和24~85%。厌氧生物法由于其能耗相对低廉,负荷高，产泥量少等优点成了处理高浓度有机废水的首选方法。厌氧法的关键从某种角度来说是污泥量即微生物量的维持,因为厌氧微生物的增殖速度比好氧微生物的小很多。厌氧和膜分离结合的能很好的维持反应器中的高微生物浓度,且控制大分子的污染物质的停留时间,使获得更长的降解时间。另一方面膜的过滤作用还能一定程度上提高出水质量。2006年，Liao等[6]在厌氧MBR的综述报告中对好氧MBR，高效厌氧反应器以及厌氧MBR三个技术的运行效果、经济性、适用对象等多个方面进行了对比，明确了厌氧MBR在城市生活污水上的优势和可行性，并且指出浸没式厌氧MBR是未来研究的重点，其低能耗、占地小的特点比外置式厌氧MBR更能适应未来污水处理的发展需要。厌氧MBR技术从根本上解决厌氧微生物流失的问题，极大的提高了厌氧工艺的出水效果，因此越来越受到人们的关注。3兼氧MBR兼氧膜生物反应器(兼氧MBR)是江西金达莱环保股份有限公司在常规MBR基础上自主研发并首次提出的新型MBR工艺，该工艺将膜组件与生物反应池集成一体化设备，包括主体反应区、设备区、清水区及相应的管道设施。兼氧MBR示意图如图3.1，其中主体反应区包括膜组件、生物池和曝气系统，设备区设置有配套的电气设备及系统控制模块（采用PLC控制模块与GPRS控制模块，可以实现无人值守与远程动态监控）。该反应器通过优化控制工艺参数对常规MBR技术进行了全面提升，较常规MBR具有高效低耗的优势，并取得了成功建立兼氧、成功实现有机污泥近零排放、成功实现污水气化除磷和成功实污水污泥同步脱氮，四个方面的成功，简称4S(4Successfully)[27]。图3.1兼氧MBR示意图3.1建立兼氧MBR兼氧MBR通过优化曝气方式，采用穿孔管曝气或射流曝气，控制溶解氧浓度，使反应器膜组件区域中下部溶解氧保持在2mg/L以内，余区域溶解氧均维持在1mg/L以下，使系统处于兼氧状态[28]。反应器内形成兼性厌氧菌占80%[29]即以兼性厌氧菌为主，好氧菌与兼性菌共存的特性复合菌群。由于膜的截留作用使反应器内具有高浓度特性微生物污泥，污染物可被高效降解。而且兼性厌氧菌的生存不需要溶解氧的保证，反应器的曝气主要被用于对膜组件进行冲刷、震荡，少量的溶解氧被用于氧化部分小分子有机物和维持出水的溶解氧值，所以兼氧MBR具有较低的动力消耗。3.2有机污泥零排放兼氧MBR系统内的特性菌群在稳定运行的情况下形成了动态平衡生态系统。该菌群系统具有类似于自然界食物链的循环平衡，微生物通过降解污水中的有机物进行增殖和代谢，由于膜的高效截留作用，反应器内污泥浓度可维持在15000-20000mg/L，使得污泥负荷一直处于低水平，微生物处于高度内源呼吸相，有机污染物质被内源呼吸代谢成为CO2、H2O等无机物[30],如图3.2增殖和衰亡的菌体本身亦是碳氢化合物，可作为其他细菌的营养源而被代谢分解为CO2、H2O等无机物。当进水有机污染物浓度高，新增细胞多，代谢速率高，MLVSS升高；当进水有机污染物浓度相对降低，细胞增殖量少，代谢速率低，MLVSS降低，最终形成了一种动态平衡。在从整个分解、合成代谢的过程来看，在系统内新增细胞等于代谢速率时，微生物的比增长速率为定值[31]，有机物被彻底代谢，系统内有机污泥没有富集增长，实现了有机剩余污泥的近零排放[32]。且通过不排泥方式的运行，可以维持较长污泥龄，抑制了丝状菌的增殖，解决了不排泥情况下的污泥膨胀问题。图3.2微生物对污水中有机物的分解与合成代谢示意图3.3气化除磷磷化氢是自然界普遍存在的无色剧毒痕量气体，兼氧MBR工艺中成功实现了以气化除磷方式[33]去除废水中磷。气化除磷方式利用在合适的厌氧条件下厌氧异养菌[34]的作用，将含磷物质如正磷酸盐等还原为磷化氢，磷化氢气体对光敏感，进入空气中后遇氧分解[35]。完全不同于传统的活性污泥法需聚磷菌在好氧条件下积累磷，在厌氧状态下释放磷，并通过排泥的方式除磷。气化除磷可直接通过调整反应器工艺参数，控制生物气化除磷所需条件促进厌氧微生物吸取废水中的磷后转化为磷化氢气体释放到空气中被分