膜生物反应器在我国的研究及应用

膜生物反应器在我国的研究及应用膜生物反应器（MBR）是一种由膜分离单元与生物处理单元相结台的新型水处理技术，以膜组件取代二沉池在生物反应器中保持高活性污泥浓度减少污水处理设施占地，并通过保持低污泥负荷减少污泥量。与传统的生化水处理技术相比，MBR具有以下主要特点：处理效率高、出水水质好；设备紧凑、占地面积小；易实现自动控制、运行管理简单。80年代以来，该技术愈来愈受到重视，成为研究的热点之一。目前膜生物反应器己应用于美国、德国、法国和埃及等十多个国家，规模从6m3／d至13000m3／d不等。我国对MBR的研究还不到十年，但进展十分迅速。1991年10月，岑运华介绍了MBR在日本的研究状况，1993年前后，许多高校与研究所加入了MBR的开发研究工作，详情见表1。为了全面了解膜生物反应器在我国的研究状况，本文作者对国内科研人员1991—2000有关MBR发文情况作了统计（发文只统计综述与实验类文章），十年共发表论文104篇，并有10位博士与10多位硕上以MBR作为研究课题获得学位。从图1可以看出：最近四年有关MBR的论文数呈持续上升的态势。国内对MBR的研究大致可分为几个方面：（1）探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化法、生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复台式工艺、两相厌氧工艺；（2）影响处理效果与膜污染的因素、机理及数学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性；（3）扩大MBR的应用范围，MBR的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水（食品废水、啤酒废水）与难降解工业废水（石化污水、印染废水等），但以生活污水的处理为主。据此，本文的目的在于对我国膜生物反应器在废水处理中的发展情况进行回顾、分析与讨论。表1我国MBR研究状况科研单位篇数（%）反应器废水清华大淡35（33.6%)分离式（无机膜）抽吸淹没式生活污水同济大学19（18.3)分离式高浓度有机废水生态环境研究中心10(9.6)分离式印染，石化废水哈尔滨建筑大学8(7.7)重力淹没式生活污水天津大学9(8.7)重力淹没式生活污水其它高校及科研23(22.1)分离式生活污水、啤酒废单位抽吸淹没式水、港口污水等1MBR的忧点在MBR的特点中，良好的出水水质与较低的污泥产率最受关注。1.1良好的污染物去除效果MBR在我国的研究始于1993年，研究者对分离式MBR、抽吸淹没式MBR、重力淹没式MBR与传统生物处理工艺在城市污水处理方面进行的比较研究表明：各种MBR的出水水质均优于传统生物处理工艺表2和表3分别为MBR处理生活污水的实验参数与处理效果，经MBR处理后的生活污水，COD、BOD5、浊度都很低，大部分细菌、病毒被截留，出水水质已达到或优于建设部生活杂用水水质标准（CJ25.1-89），可直接作为楼房中水回用、城市园林绿化、扫除、消防等用水。并且膜的截留作用防止了硝化细菌的流失，给生物反应器内的高浓度硝化细菌的保持创造了有利的条件，从而大大提高了硝化效率。汪诚文、张军对一体式MBR硝化特性的研究表明：MBR对氮的去除效果高达97％。但研究也表明：MBR对氮的去除效果易受温度、冲击负荷、HRT等因素的影响。表2MBR处理生活污水的实验参数MBR流程膜面积m2膜材料膜孔径μm膜组件膜通量L.m-2.h-1TMP/kPa运行天数/d分离式好氧0.04陶瓷膜300000*管式75-15040好氧+填料0.88PAN20000*平板超滤20-4515060好氧+填料1.0PS30000*中空25-3510070抽吸淹没式A/O+填料1PVC0.01中空超滤2.350-120140好氧2.0PE0.03中空10.40-35140好氧3.5PP0.05中空66060好氧4PVC30000*中空超滤11＜10030好氧13.9PE0.2中空8.7-12.860160好氧32PE0.4中空11-13.8＜60216重力淹没式好氧0.3PE0.1中空27.710-52.630好氧1PS0.34平板3.61534好氧8PE0.4中空12.55.4-1138好氧12PVDF0.22中空16.70.8-1.3150*截留分子量在我国，MBR同时应用于生活污水与工业废水处理的研究。表4和表5分别为MBR处理各种工业废水的实验参数与处理效果。这些研究结果都表明：MBR对各种高浓度有机废水与难降解废水的COD，NH3-N.SS，浊度等都达到良好的去除效果。1993年华东理工大学环境工程研究所进行了分离式陶瓷膜MBR处理人工合成污水和制药废水的可行性研究；1995年，樊耀波将MBR用于石油化工污水净化的研究；王连军用无机膜一生物反应器（IMBR）处理啤酒废水；何义亮采用膜一厌氧生物反应器处理高浓度食品废水：当COD负荷低于2kg/（m3.d）时，膜出水COD去除率在90％以上；营运涛用两相厌氧MBR处理人工配制淀粉废水：COD负荷在4－24kg／（m3.d）时，COD去除率可达95％以上；桂萍用MBR处理喹啉、EDTA、聚乙二醇三种难降解有机物，发现MBR对COD去除率、难降解有机物去除率、抗冲击负荷能力都高于活性污泥法；吴志超采用MBR与常规生物工艺处理巴西基酸生产废水的对比研究也表明：MBR产泥量少，污泥活性高，能提高大分子难降解有机物的去除率；樊耀波、郑祥用MBR处理毛纺印染废水的小试、中试研究表明：经MBR处理后的废水能达到中水回用标准。表3MBR对生活污水的处理效果COD/mg.L-1NH3-N/mg.L-1SS/mg.L-1浊度/NTUUV/kg.m-3.d-1Us/kg.kg-3.d-1HRT/h进水出水（%）400-85010（98）10-40＜2(97)300-600(100)50-80＜1.5(98)0.7-3.40.19-0.555进水出水（%）95-652＜5（95）14-27(95)----4.0-4-7.5进水出水（%）72-23511-60（69）45.816(65)371.3(97)--1.36-1.8-1.5-5进水出水（%）152-433＜30（97）12-370.66(97)33-149018-160＜1--6进水出水（%）121-3078（90）21.6-50.8＜2(90)180-240---0.8-5.760.21.5-5.8进水出水（%）300-700＜60--400-8000100-50030.58-1.820.465进水出水（%）203-429＜20(93)--146.7------进水出水130-322＜400.59-1.0＜0.515-500146-185＜10.5-1.850.33-2.023.15（%）进水出水（%）312.37.312.93.594.61--0.90.101-进水出水（%）336-8084-3215.9-35.10-1.7------5进水出水（%）69618.7(97)43.20.24(99.5)----0.21-30.35-0.65-进水出水（%）366.413.1(96)16＜1(97)---＜1(95)---%：去除率表4MBR处理工业废水的实验参数废水流程膜面积m2膜材料膜孔径μm膜形式膜通量L.m-2.h-1膜面流速m.s-1运行天数d啤酒好氧0.022陶瓷膜-管式-6.2-石化好氧0.035PAN50000*中空60-703.561食品厌氧0.64PES20000*板框式12.5-25--印染A/O12PAN50000*中空35-451.3-3.6125港口接触氧化-OE0.1中空---制药好氧-PP0.2中空---印染A/O44PE0.1中空9.1-12-160*截留分子量表5MBR对工业废水的处理效果废水COD/mg,L-1NH3-N/mg.L-1SS/mg.L-1UV*/kg.m-3.d-1Us*/kg.kg-1.d-1HRT/hSRT/d石化进水54258.51180.800.5813.99.5出水26.77.34.6去除率%918693印染进水256.51.05-0.83-2.450.6-1.85.4-9.4出水20.20.56-去除率%92.447-食品进水2000-15000-600-10002-50.33-0.6360出水---去除率%70-90-100啤酒进水413-162144-7574-943.5-6.3-3.5-5出水＜400.12-0.846-10去除率%969990港口进水120-15010-30200-4501.5-2.2--出水＜20＜50去除率%---巴西基酸进水3000-12000--1.2-4.80.15-0.1712-485-50出水139-160--去除率%---*Uv=容积负荷，Us=污泥负荷1.2污泥产率低活性污泥法是城市污水和工业废水处理应用最广泛的生物处理方法，它把废水中的有机污染物转化为生物体、CO2和H2O的同时，产生大量的剩余污泥。目前剩余污泥的处理与处置己成为污水处理厂能否正常运行的制约因素之一，它的费用占到污水处理厂总运行费用的25％－40％，甚至高达60％。因此，从源头减少污泥的产生量就显得非常必要和关键，这些因素推动和促进了具有剩余污泥少特点的MBR技术的开发及研究。理论上讲，膜生物反应器能将污泥完全截留在生物反应器内，实现不排泥操作——污泥零排放。1991年，在MBR处理生活污水的小试中，Chaize和Huyard首次研究了MBR对污泥产率的影响，在SRT为50d和100d时，污泥产量大大减少，他们认为这是低F／M比例和较长污泥龄的结果。Muller在处理生活污水的中试研究发现：当污泥浓度（MLSS）高达4060gL-1和污泥完全截留SRT＝（∞）时，几乎不产生污泥。桂萍在不同SRT（5—80d）条件下，用一体式MBR处理生活污水发现：理论产率系数YG与衰减系数b值随SRT的延长而下降。刘锐用一体式MBR处理生活污水，在280天的未排泥的条件下运行，发现表观产率系数Yb随运行时间的延长呈明显的降低趋势，Yb从运行初期的0.248kgVSS／KgCOD下降为0.038kgVSS/KgCOD。张绍园应用食物链中能量递减的原理，在两段式MBR中引入后生动物一蠕虫（worm），发现有蠕虫存在时，其污泥产率低于常规活性污泥法污水处理系统；当蠕虫浓度保持100个/ml以上时，污泥产率为0.1kgSS/(kg去除COD），污泥产率为0.1kgSS／（kg去除COD），约为常规活性污泥法的1／4。但该方法还有待进一步的研究，如维持蠕虫在系统内最佳数量，使污泥产率趋向于零，达到不排放污泥的目的。表6MBR的污泥产率SRT（d）Yb(kgVSS/KgCOD)b(l/d)SRT(d)Yb(kgVSS/kgCOD)b(l/d)50.140.3250.380.08100.140.17100.26-0.300.08200.0760.18150.16-0.170.08400.0720.0950.260.05800.0560.05100.230.0513150.038-0.2480.023200.190.05-0.04-0.12500.0980.052膜生物反应器运行的影响因素膜生物反应器由膜分离单元与生物处理单元组成，因此影响MBR稳定运行的因素不仅包括常规生物动力学参数：容积负荷、污泥浓度、污泥负荷等，还包括膜分离的参数：膜的固有性质（膜材料、膜孔径、荷电性等）、滤液的性质、操作方式、反应器的水力学条件等。其中生物动力学参数主要影响MBR的处理效果，膜分离参数主要影响MBR的处理能力。2.1影响MBR稳定运行的生物动力学参数2.1.1有机负荷研究表明：好氧MBR出水受容积负荷与水力停留时间（HRT）的影响较小，而厌氧MBR出水受冲击负荷与HRT的影响较大。李红兵用MBR处理生活污水，在水力停留时间为1.5、5.8h，COD或负荷在高负荷（5.76Kg/(m3.d)与稳态运行新下0.8-1kg/(m3.d)处理效果基本相同，系统对COD去除率都达到90％以上。吴志