【正文】 落后，膜材料種類少，價(jià)格昂貴，使用壽命短，限制了該工藝的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，污水膜生物反應(yīng)器仍然處于初級(jí)研究階段。1970年美國(guó)的DorrOliver公司和日本的Sankiengineering有限責(zé)任公司達(dá)成協(xié)議，使得該工藝首次進(jìn)入日本市場(chǎng)。80年代以后，隨著膜制造技術(shù)的發(fā)展、膜分離工藝的完善、膜清洗方法的改進(jìn)和污水廠出水水質(zhì)要求的提高，MBR開始在污水處理行業(yè)得到應(yīng)用。1989年，日本政府聯(lián)合許多大公司共同投資進(jìn)行了為期6年的“90年代水復(fù)興計(jì)劃（Aqua Renaissance Programme’90）”科研項(xiàng)目，其目的是尋求滿足長(zhǎng)期水量需求，解決水污染問題和從污染物中獲取能量。特別是開發(fā)一種膜技術(shù)與生物反應(yīng)器相結(jié)合來處理工業(yè)和城市污水，省能省地，出水水質(zhì)好，適用于污水回用的工藝。今天，日本已經(jīng)有數(shù)家公司提供成套產(chǎn)品，應(yīng)用于家庭污水處理和回用以及廢水中COD、NH3N較高的工業(yè)領(lǐng)域。MBR（膜生物反應(yīng)器）工藝的工作原理：首先通過活性污泥來去除水中可生物降解的有機(jī)污染物，然后采用膜將凈化后的水和活性污泥進(jìn)行固液分離。本工程使用的膜為中空絲膜，能夠截留住活性污泥以及絕大多數(shù)的懸浮物，取得清澈的出水。為了使得膜能夠連續(xù)長(zhǎng)期穩(wěn)定的使用，在中空絲膜的下方以一定強(qiáng)度的空氣不斷對(duì)膜進(jìn)行抖動(dòng)，既起到為生物氧化供氧作用，又防止活性污泥附著在膜的表面造成膜的污染。其樣例如下圖11： 圖11 中空絲膜樣例：由于聚丙烯中空纖維膜的制備方法采用的是“熔融擠出、拉伸成型”的制膜方法，聚丙烯大分子規(guī)則取向，因而膜的強(qiáng)度高，在高強(qiáng)度曝氣和定期的化學(xué)清洗過程中，膜不容易斷裂。：聚丙烯中空纖維膜生產(chǎn)過程中，沒有投加任何添加劑和致孔劑等，因而化學(xué)穩(wěn)定性能好，可以采用強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿清洗?？梢圆捎煤认緞┣逑矗郧宄け砻娴拇罅课⑸镂廴?。化學(xué)清洗后的流量回復(fù)性好。圖12膜片示意圖，主要基于以下性能特點(diǎn)：傳統(tǒng)的好氧活性污泥處理工藝，在高污泥負(fù)荷的情況運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，使得泥不難于分離導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行、出水不達(dá)標(biāo)。而MBR工藝是用膜抽吸作用來進(jìn)行泥水分離，污泥膨脹不會(huì)影響MBR系統(tǒng)的正常運(yùn)行和出水水質(zhì)，因此運(yùn)行管理極為方便。傳統(tǒng)的活性污泥工藝的活性污泥濃度一般在3000～5000mg/l，而MBR工藝的活性污泥濃度一般在8000～12000mg/l，且不需生化沉淀池，故大大減少了占地面積和土建投資，其土建占地約為傳統(tǒng)工藝的1/3。中空絲膜能夠截留幾乎所有的微生物，尤其是針對(duì)難以沉淀的、增殖速度慢的微生物，因此系統(tǒng)內(nèi)的生物相極大豐富，活性污泥馴化、增量的過程大大縮短，處理的深度和系統(tǒng)抗沖擊的能力得以加強(qiáng)，處理水質(zhì)穩(wěn)定。MBR系統(tǒng)有利于增殖緩慢的硝化細(xì)菌的截留、生長(zhǎng)和繁殖，系統(tǒng)硝化效率得以提高。膜分離使污水中的大分子難降解成分，在體積有限的生物反應(yīng)器內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，大大提高了難降解有機(jī)物的降解效率。反應(yīng)器在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷、長(zhǎng)泥齡下運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)基本無剩余污泥排放。中空絲膜所需的吸引壓力僅為－～－，動(dòng)力消耗低。膜生物反應(yīng)器易于一體化，且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作管理方便；MRB的工藝過程如下圖13：圖13 MBR膜工藝流程膜生物反應(yīng)器是國(guó)際上于20實(shí)際60年代開始研究，90年代得到快速發(fā)展和應(yīng)用的一項(xiàng)廢水生物處理新技術(shù)，它將膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)過程有機(jī)結(jié)合，以膜技術(shù)的高效分離作用取代傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝所無法比擬的泥水分離和污泥濃縮效果，消除了污泥膨脹的影響，并大幅度提高了曝氣池中活性污泥的濃度，省卻了污泥回流系統(tǒng)，大大延長(zhǎng)了泥齡，減少了剩余污泥量，并通過膜對(duì)廢水中SS，有機(jī)物，病原菌和病毒的高效截留作用，大大提高了處理出水水質(zhì)，并在通常情況下，其處理出水無需進(jìn)行消毒處理即可達(dá)到相關(guān)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。其簡(jiǎn)單組合工藝見圖14：圖14膜生物反應(yīng)器簡(jiǎn)單組合工藝MBR主要由膜組件，泵和生物反應(yīng)器三部分組成，生物反應(yīng)器是污染物降解的主要場(chǎng)所，膜是對(duì)混合液和對(duì)特殊污染物進(jìn)行分離和萃取的介質(zhì)，而泵則是為滿足分離和萃取提供所需的動(dòng)力(壓力)的必需設(shè)備(根據(jù)泵與膜組件的相對(duì)位置不同分為加壓泵和吸壓泵兩類)。按膜組件的作用方式，MBR可分為內(nèi)壓式和外壓式兩種。內(nèi)壓式中，水的透過方向是從管內(nèi)向管外，而外壓式相反。在實(shí)際應(yīng)用中大多使用的是外壓式MBR，因?yàn)閮?nèi)壓式MBR流道往往較小，容易被污染顆粒所堵塞。而根據(jù)膜組件在膜生物反應(yīng)器中所起作用的不同，可將其分為：分離膜生物反應(yīng)器、萃取膜生物反應(yīng)器和無泡曝氣膜生物反應(yīng)器三種類型。而目前通常所說的MBR即是此三種類型的總稱。其中分離膜生物反應(yīng)器是目前研究和應(yīng)用最廣泛和深入的膜生物反應(yīng)器，在無特指的情況下，通常稱之為MBR。(1) 膜分離生物反應(yīng)器將分離工程中的膜技術(shù)應(yīng)用于廢水生物處理，以具有固液分離功能的膜組件替代二沉池所構(gòu)建的分離膜生物反應(yīng)器（MBR），不僅借助于其對(duì)廢水或混合液中微米級(jí)顆粒的截留作用，大大提高了泥水分離的效果，而且可以始終保持高質(zhì)量的出水，并使污泥膨脹對(duì)出水水質(zhì)的影響減小很多，也使污泥始終處于生物反應(yīng)器中而持續(xù)發(fā)揮其功能。固液分離式膜生物反應(yīng)器也稱為錯(cuò)流式膜生物反應(yīng)器。曝氣設(shè)備可設(shè)在膜組件的下方，產(chǎn)生的氣流向上；或豎直設(shè)于膜組件中間，產(chǎn)生水平氣流。曝氣設(shè)備產(chǎn)生氣泡，大量氣泡帶動(dòng)液體形成的水流波動(dòng)造成的膜元件之間的摩擦，這有助于膜表面污染層的脫落。有機(jī)膜組件，尤其是中空纖維類的分離膜更有利于最大程度地利用曝氣產(chǎn)生的氣流。(2) 無泡曝氣膜生物反應(yīng)傳統(tǒng)的曝氣系統(tǒng)采用的是鼓泡曝氣供氧，動(dòng)力消耗大，氧氣傳質(zhì)效率低，無法滿足微生物對(duì)氧的需求。因此一種新型高效曝氣工藝一無泡供氧技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種技術(shù)的關(guān)鍵在其供氧過程中無氣泡產(chǎn)生，供氧效率可高達(dá)100%，達(dá)到了目前供氧技術(shù)的最佳效果。而無泡供氧技術(shù)與生物反應(yīng)器相結(jié)合形成了一種新型膜生物反應(yīng)器，即無泡曝氣膜生物反應(yīng)器(Membraneaerated biofilm reactor MABR).該技術(shù)具有傳氧效率高、硝化與反硝化一體化、污泥發(fā)生量小以及運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，是處理高需氧量廢水的一項(xiàng)新技術(shù)。但目前對(duì)MABR的研究還僅處于實(shí)驗(yàn)和中試階段，尚未達(dá)到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的水平。其裝置示意圖見圖116。圖15 MBR裝置示意圖圖16氧和有機(jī)質(zhì)的擴(kuò)散示意圖 (3) 萃取膜生物反應(yīng)器當(dāng)廢水中含有對(duì)微生物有毒害作用的成分(很高濃度的鹽、很大的酸堿度或者是生物難降解的有毒有機(jī)物等)時(shí)，直接用生化法是不適宜的。此外，廢水中含有揮發(fā)性有毒物質(zhì)時(shí)，如采用生化法曝氣，則會(huì)發(fā)生氣提現(xiàn)象，從而影響處理的穩(wěn)定性。有這些情況的廢水都需要進(jìn)行預(yù)處理。為了解決這些技術(shù)難題，英國(guó)學(xué)者Livingston于1993年研究開發(fā)了萃取式MBR（EMBR）。萃取膜生物反應(yīng)器能很好處理這些廢水。萃取膜生物反應(yīng)器中，污泥與廢水并不直接接觸，廢水在膜腔內(nèi)流動(dòng)，而活性污泥則在膜外流動(dòng)?；钚晕勰嘀械奈⑸镆话闶轻槍?duì)廢水培養(yǎng)出來的專性細(xì)菌。采用的膜一般是疏水性的硅橡膠膜，且有選擇透過性，能允許揮發(fā)性有機(jī)物透過而水及無機(jī)成分則無法透過。首先污染物在膜中溶解擴(kuò)散，再以氣態(tài)形式離開膜進(jìn)入膜另側(cè)的混合液中，在混合液中由專性菌分解成COH2O等無機(jī)小分子。其裝置示意圖見圖17。圖17萃取式膜生物反應(yīng)器現(xiàn)在膜萃取技術(shù)有限公司已將它全面投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。[8]人用萃取膜生物反應(yīng)器處理制藥工藝廢水(含有毒揮發(fā)性物質(zhì)如DCM) ，證明不論從技術(shù)角度還是從經(jīng)濟(jì)角度，它都優(yōu)于這類廢水的傳統(tǒng)處理方法，像活性炭吸附法、空氣清洗法、氣提法等。它具有很廣的應(yīng)用前景。以上三種類型的膜生物反應(yīng)器的特性比較見表11表11 三類膜生物反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)反應(yīng)器類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)膜分離生物反應(yīng)器l 占地面積??；l 徹底去除水中的固體物質(zhì)；l 出水無需消毒；l COD、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以在一個(gè)單元內(nèi)被去除；l 高負(fù)荷率和低污泥產(chǎn)率；l 流程啟動(dòng)快；l 系統(tǒng)不受污泥膨脹的影響；l 模塊化、升級(jí)改造容易。l 曝氣受到限制；l 膜易受污染；l 膜價(jià)格高。膜曝氣生物反應(yīng)器l 氧利用率高；l 能量利用率高；l 占地面積小；l 氧需要量大，可以在供氧時(shí)控制；l 模塊化、升級(jí)改造容易。l 膜易于污染；l 基建投資大；l 無實(shí)際工程實(shí)例；l 工藝復(fù)雜。萃取膜生物反應(yīng)器l 可以處理有毒工業(yè)廢水；l 出水流量小；l 模塊化、升級(jí)改造容易；l 細(xì)菌與廢水隔離。l 基建投資大；l 實(shí)際工程實(shí)例；l 工藝復(fù)雜。又按膜分離技術(shù)與生物反應(yīng)器的組合方式，可分為分置式和一體式（淹沒式）兩種MBR。(4) 一體式膜生物反應(yīng)器一體式MBR工藝(亦稱之為浸沒式MBR，SMBRSubmerged Membrane BioReactor). 由日本學(xué)者Yamamoto等在1989年首先開發(fā)，該運(yùn)行方式將膜放置于生物反應(yīng)器內(nèi)部，曝氣裝置設(shè)置在膜組件的正下方。原水進(jìn)入生物反應(yīng)器后，其有機(jī)底物在其高濃度的混合活性污泥的作用下得到氧化分解。膜組件下方設(shè)置的曝氣裝置不僅具有為混合液微生物提供足夠DO和促進(jìn)充分?jǐn)嚢杌旌系墓δ?，同時(shí)由于氣泡的攪動(dòng)及其在膜表面形成的循環(huán)流而起到對(duì)膜表面的沖刷和剪切作用，可有效防止污染物在膜表面的附著和沉積。處理后的廢水經(jīng)抽水泵的負(fù)壓抽提，通過膜的分離作用，而使混合液中的非溶解性物質(zhì)截留在混合液中，凈化水則通過膜而成為處理出水。其工藝流程圖見圖18。圖18一體式膜生物反應(yīng)器(5) 分置式膜生物反應(yīng)器分置式MBR工藝(亦稱之為交叉流MBR，CMBRCrossflow Membrane BIOReactor)。該運(yùn)行方式將膜與生物反應(yīng)器分開設(shè)置。生物反應(yīng)器中混合液經(jīng)抽液泵加壓提送至膜組件，在壓力作用下，混合液中的液相濾過膜組件而成為處理出水?；旌弦褐械牟蝗苄猿煞?固形物及大分子物質(zhì)等)則被截留在膜外而成為濃縮液，并通過回流系統(tǒng)返回生物反應(yīng)器。其工藝流程圖見圖19。圖19 分置示膜生物反應(yīng)器以上兩種類型的膜生物反應(yīng)器的特性比較見表12表12 分置式和一體式膜生物反應(yīng)器的對(duì)比分置式MBR一體式MBR主要優(yōu)點(diǎn)n 運(yùn)行穩(wěn)定，操作管理方便。n 膜組件的清洗、更換及增設(shè)比較容易。n 生物反應(yīng)器與膜組件是獨(dú)立的系統(tǒng)，彼此之間干擾很小。n 膜組件可與各種生物反應(yīng)器結(jié)合，構(gòu)成不同的分置式膜生物反應(yīng)器。n 既能用于厭氧處理，也能用于好氧處理。n 裝置簡(jiǎn)單，不需循環(huán)泵，只需一臺(tái)小流量的抽吸泵、曝氣器和一個(gè)反應(yīng)池即可。n ，可比分置式的少30倍以上。n 操作壓力比較小，遠(yuǎn)小于分置式（）。n 結(jié)構(gòu)緊湊，占地少。n 因?yàn)椴恍枰h(huán)泵，所以可以避免微生物菌體的失活。n 可以保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定膜通量而無需化學(xué)清洗。主要缺點(diǎn)n 為了減少污染物在膜面的沉積，料液流速一般要求要達(dá)到很高，動(dòng)力消耗相應(yīng)也高。n 由于膜組件置于反應(yīng)器外部，需要回流泵等裝置，故占地面積相對(duì)較大。n 分置式MBR的運(yùn)行成本高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)處理。n 單位處理能力小。n 透水率低，膜污染更為嚴(yán)重。n 運(yùn)行不是十分穩(wěn)定，操作管理上不及分置式容易。綜上所述MBR技術(shù)具有許多傳統(tǒng)生物處理工藝無法企及的明顯優(yōu)勢(shì)， 主要可以歸納為以下幾點(diǎn): ①固液分離效率高， 遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的沉淀池，出水水質(zhì)好，可直接回用，容易實(shí)現(xiàn)污水資源化；②反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度高，種類多樣，泥齡長(zhǎng)，對(duì)有機(jī)物的去除率高，且耐沖擊負(fù)荷；③生物反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度高，MLSS為常規(guī)處理工藝的3~10倍，因此使構(gòu)筑物體積大大縮小；同時(shí)剩余污泥產(chǎn)量小，污泥處理費(fèi)用少；④對(duì)于氮、磷污染物有較高的去除率；⑤膜生物反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器泥齡（SRT）和水力停留時(shí)間（HRT）的徹底分離，使設(shè)計(jì)和操作大大簡(jiǎn)化；⑥系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化控制，占地面積小，工藝設(shè)備集中。當(dāng)今，膜污染和能耗這兩個(gè)因素，制約著膜生物反應(yīng)器的大規(guī)模應(yīng)用。而造成高能耗的原因主要是因?yàn)槟ど锓磻?yīng)器的膜易于污染。必須保持較高的膜面流速來沖刷膜面。這一過程也需要加大曝氣量來實(shí)現(xiàn)，從而增加了能耗。因此可見高能耗問題的實(shí)質(zhì)也是膜污染問題。所以，要實(shí)現(xiàn)膜生物反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用，必須解決的問題就是膜污染。（1）膜污染的類型 膜污染是由于被處理物料中的微粒，膠體粒子或溶質(zhì)分子與膜發(fā)生物理化學(xué)作用，或因濃度極化使某些溶質(zhì)在膜表面濃度超過其溶解度，以及機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附，沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。膜污染直接導(dǎo)致了膜通量下降。膜使用壽命大大縮短。膜污染分為可逆和不可逆膜污染，如濃差極化，可通過物理，化學(xué)和生物方法來減輕和改善的一類污染為可逆膜污染；而膜孔堵塞，不合理的料液性質(zhì)使膜受到腐蝕及膜的自身劣化等稱為不可逆膜污染。從污染物的性質(zhì)又可分為有機(jī)污染，如胞外聚合物，溶解性有機(jī)物，蛋白質(zhì)，脂肪及細(xì)微膠體等；無機(jī)污染，如廢水中碳酸鹽，硫酸鹽，硅酸鹽，凝膠無機(jī)膠體等；生物污染，如簾式中空纖維膜組件，其可視為柔性填料，處理不當(dāng)，微生物易在其上面吸附生長(zhǎng)，形成生物膜，造成水通量下降。（2）膜污染的形成根據(jù)近年來對(duì)于MBR膜污染形成因素的研究，可以得知影響膜污染形成因素主要有三個(gè)方面；膜的性質(zhì)，混合液以及膜分離操作條件。膜的性質(zhì)主要是指膜材料的物化性質(zhì)，包括：膜面的電荷性、膜孔徑大小、粗糙度等。膜分離的操作條件主要包括：操作壓力、膜面流速和運(yùn)行溫度三個(gè)方面。混合液的性質(zhì)主要是指混合液的污泥濃度和組成。而造成膜污染的主要因素是混合液中的活性污泥。 活性污泥的組成是復(fù)雜而多變的，其中包括微生物及其代謝產(chǎn)物、大分子有機(jī)物、小分子有機(jī)物、溶解性有機(jī)物以及固體顆粒。理論上講， Tardieu 等人在研究好氧膜生物反應(yīng)器過程中得出結(jié)論，認(rèn)為數(shù)量占優(yōu)的微生物是導(dǎo)致膜污染的主要因素。而Choo等人在研究厭氧硝化液與膜通量的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)