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
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1 MBR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2 MBR处理生活污水的实验参数
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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3 MBR对生活污水的处理效果
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表4 MBR处理工业废水的实验参数
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表5 MBR对工业废水的处理效果
*Uv=容积负荷，Us=污泥负荷 |
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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6 MBR的污泥产率
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2 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0.8-1 kg/(m3.d)处理效果基本相同，系统对COD去除率都达到90%以上。吴志超采用好氧MBR处理巴西基酸生产废水发现：容积负荷分别为1.2、2.4、3.6、4.8kg/m3.d)，出水COD浓度变化不大；且HRT对出水水质无明显的影响。而何义亮用厌氧MBR处理高浓度食品废水却发现：当容积负荷从2kg/（m3.d）升高到4.5kg/(m3.d），COD去除率从90%下降至70%；且HRT对处理效果有重要影响。对这些研究的比较发现：在好氧MBR中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化；而在厌氧MBR中，污泥浓度升高缓慢，污泥负荷与容积负荷几乎呈正相关关系，因此厌氧MBR出水水质易受容积负荷的影响。
李红兵、顾平对MBR处理生活污水的研究表明：冲击负荷对有机物的去除没有显著的影响，但NH3－N受冲击负荷影响明显，出水NH3-N的恶化程度与冲击负荷的大小成正比。这一现象可能是由于膜的拦截作用对NH3－N的去除并无贡献，因此MBR对氮的去除效果易受生物反应器处理效果影响。顾平的研究还发现：在冲击负荷条件下，膜通量衰减幅度是正常COD负荷的数十倍。通过分析冲击负荷期间进水COD和MLSS间的关系，发现反应器内MLSS的变化规律与最大膜通量的降低有类似之处，COD冲击负荷使反应器内活性污泥浓度迅速增加，混合液的粘度增加，从而使液-固分离困难；同时处于对数增长期的污泥活性高、有大量细胞外聚合物存在，增加了膜过滤阻力，导致膜最大出水量降低。
2.1.2 污泥浓度
污泥浓度是MBR系统的重要参数，不仅影响有机物的去除能力，还对膜通量产生影响。许多研究都表明污泥浓度与溶解性微生物产物是影响膜通量的重要参数。表7为MLSS对膜通量、过滤阻力的影响，这些研究成果表明：一定条件下污泥浓度越高，膜通量愈低。顾平在一体式MBR处理生活污水的研究却发现：当曝气强度足够大时（气水比近似100：1），MLSS由10g/L变化到35g/L时，MLSS与膜通量没有明显的相夫性；但如果降低暖气强度，MLSS对膜通量可能产生一定的影响。
污泥浓度对膜通量的影响程度与曝气强度，膜面循环流速，水力学条件等密切相关。桂萍应用正交试验的方法对一体式MBR中膜污染速度与污泥浓度、曝气量和膜通量的关系进行考察，研究结果表明：不同污泥浓度均存在一个污泥在膜表面大量沉积的临界膜通量，当膜通量小于临界膜通量，膜污染主要由溶解性有机物在膜面的沉积引起；当膜通量大于临界膜通量，膜污染主要由悬浮污泥在膜面的沉积引起；在污泥浓度较低时，曝气强度对膜的污染影响不大，在中、高污泥浓度条件下，增加曝气强度有利于减缓膜污染；临界膜通量J与污泥浓度MLSS、曝气强度QA有以下关系：QA/J=8.34e0.07MLSS.但该试验中各变量的取值范围较窄。刘锐在桂萍试验的基础上，采用均匀设计法，扩大各变量的取值范围，以膜过滤阻力上升速率K作为膜污染发展速度的表征指数，建立了膜污染发展速度模型：K=8.933*107.△P.MLSS0.532.J0.376ULr-3.047，膜过滤阻力上升速率K随膜通量J与污泥浓度MLSS的增加而增加，随膜间液体上升流速ULr的增加而减小。
表7 MLSS对膜通量、膜阻力的影响
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2.2 膜分离的参数
在保证出水水质的前提下，膜通量应尽可能大，这样可减少膜的使用面积，降低基建费用与运行费用，因此控制膜污染，保持较高的膜通量，是MBR的研究的重要内容。
2.2.1 膜的选择
现有膜材料可分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜在我国的广泛应用，国内MBR曾遍采用有机膜，常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。分离式MBR通常采用超滤膜组件，截留分子量一般在2—30万。截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜通量未必越大。张洪宇进行无机膜的通量衰减实验表明：0.2μm的膜比0.8μm的膜更适合于MBR。何义亮用PES平板膜组件进行膜通量衰减规律研究发现：在该实验条件下，膜初始通量衰减主要是由于浓差极化引起，膜截留分子量愈小，通量衰减率愈大；膜长期运行的通量衰减主要是由于膜污染引起，膜截留分子量愈大，通量衰减幅度愈大，化学清洗恢复率愈低。
对于淹没式MBR，既可用超滤膜，也可使用微滤膜。由于膜表面的凝胶层也起到了过滤作用，在处理生活污水时，微滤膜与超滤膜的出水水质没有明显差别，因此淹没式MBR多采用0.1—0.4μm微滤膜。
2.2.2 操作方式的优化
当膜选定后，真物化性质也就确定了，因此，操作方式就成为影响膜污染的主要因素。为了减缓膜污染，反冲洗是维持分离式MBR稳定运行的重要操作，樊耀波通过数学推导，得出膜的最佳反冲洗周期测定公式 f（t)=(Qf—Qb)/(tb+tf），该方法避免通过试探性实验确定反冲洗周期的作法，为MBR系统自动化控制的实现提供了一个重要途径。针对抽吸淹没式MBR，Ymamoto提出间歇式抽吸方式可有效减缓膜污染。桂萍通过研究进一步指出：缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染，抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量其次。
不仅污泥浓度、混合液粘度等影响膜通量，混合液本身的过滤性能，如活性污泥性状、生物相也影响膜通量的衰减。有研究表明：粉末活性炭（PAC）与絮凝剂的加入有助于改善泥水分离性能，形成体积更大、粘性更小的污泥絮体，减少了膜堵塞的机会。但絮凝剂的过量加人会造成污泥活性受到限制，影响反应器的处理能力和处理效果。
2.2.3 水力学特性的改善
改善膜面附近料液的流体力学条件，如提高流体的进水流速，减少浓差极化，使被截留的溶质及时被带走。黄霞、何义亮分别采用PAN平板式超滤膜、PAN/PS管式膜组件考察不同膜面循环流速下污泥浓度对膜通量的影响，发现MLSS对膜通量的影响程度与膜面循环流速有夫。大量试验表明：污泥过膜流态为层流远比紊流的易于堵塞，因此从理论上确定不同污泥浓度下紊流发生的最小膜面流速（Vmin）有重要意义。邢传宏、彭跃莲研究均发现：最小膜面流速与污泥浓度之间呈良好的线性夫系。但他们对临界膜面流速的计算值可能偏高，因为污泥沿流道流动的过程中，水同时透过膜流出，增加了流体在垂直方向的紊动，从而在一定程度上降低了下临界雷诺数（Rek）。何义亮的发现证实了这一推论：平板膜组件由紊流到层流的Rek为1083，外压管式膜组件的Rek为966，均小于一般牛顿流体的下临界雷诺数2000。
分离式MBR中，一般均采用错流过滤的方式；而一体式MBR实质上是一种死端过滤方式。与死端过滤相比，错流过滤更有助于防止膜面沉积污染。因此设计合理的流道结构，提高膜间液体上升流速，使较大的暖气量起到了冲刷膜表面的错流过滤效果对于淹没式MBR显得尤为重要，刘锐通过均匀设计试验，得到适合活性污泥流体的膜间液体上升模型，提出反应器结构对液体上升流速的影响：在同样的暖气强度下，反应器越高，上升流通道越窄，下降流通道与底部通道越宽，则越能获得较大的膜间错流流速。该模型为一体式MBR反应器结构的设计提供了理论依据，但有待实践的验证。
2.3 能耗
能耗是污水处理工艺的一个重要的评价指标，直接夫系到处理方法的可行性。目前，常规分离式MBR运行能耗为3—4kw·h/m3，淹没式MBR运行能耗为2kw·h/m3，远高于活性污泥法0.3-0.4kwh/m3，较高的运行费用是MBR推广应用中遇到主要问题。许多研究结果表明：能耗是造成MBR运行费用高的主要原因。张绍园分析了分离式MBR的能耗组成：泵的热能损失、曝气能耗、管道阻力能耗、膜组件能耗和回流污泥水头损失能耗，其耗能大小依次为：膜组件＞泵＞曝气＞管道＞回流污泥，膜组件能耗占总能耗的40—50%，真中80%用于膜过滤的能量以热能的方式散发。顾平对抽吸淹没式MBR的能耗分析表明：曝气的能耗占总能耗96%以上。通常研究者都认为能耗的降低与膜污染的控制是MBR研究领域两个独立的课题，而张绍国、郑祥采用穿流式、错流式膜组件进行分离式MBR研究发现：能耗随运行时间的延长、膜污染的增加呈上升趋势，从运行初期的不足0.5kWh/m3增加到3kwh/m3。这说明：分离式膜生物反应器的能耗问题实质是膜污染问题。
为了进一步降低能耗，顾平应用位差驱动出水和低水头间断工作的重力淹没式MBR，较好克服了膜的污染与阻塞，使膜长时间保持较大的膜通量，并且省去复杂的气水反冲洗设备、降低曝气量，使 MBR处理生活污水的能耗可下降到1.0kw·h/m3。
3 膜生物反应器在污水处理中的应用
3.1 MBR在中水回用中的经济分析
应用于中水回用系统的MBR工艺（规模为25－100m3/d）的一次性投资为3500－4000元/m3，膜组件的费用占25%左右，以十年计的设备折旧成本（上建与设备材料费用，不含膜组件）为0.68－0.83元/m3，膜的更换费用（以两年计）为1.0元/m3，运行费为0.3-0.5元/m3，其总运行费为2.0-2.3元/m3由于膜价格还有相当大的降价空间，据有关专家估算，在未来的3—5年内，膜价格有望降为目前的25—50%，那将大大降低MBR的一次性投资与膜的更换费用。随着膜价格的降低与使用寿命的延长，新型高效低能耗MBR的开发，MBR的运行总费用有望降低到1.5元/m3。
以膜生物反应器工艺的处理费用为例得出中水的产出效益：中水回用相当于节约等量新鲜水而创造的直接经济效益。以北京市2000年居民为供水价1.8元/m3计，而宾馆、洗车、洗浴等行业供水价为3.0—5.0元/m3，高于一般城市居民的自来水用水价格，而膜生物反应器总运行成本为2.3元/m3，单纯从经济利益上考虑目前对某些行业来说也是经济的。在现有自来水价偏低的情况下，自来水供水费及排污费仍有增加的趋势，因此可以预见，膜生物反应器作为污水回用技术将会愈来愈具有经济、技术上的竞争优势。
3.2 MBR的应用实例及前景
近一两年，膜生物反应器在国内已进入了实际应用阶段。1998年，大连大器公司设计的200m3/d的中水回用装置就己在大连投入运行；天津德人公司首先开发了重力淹没式MBR，该技术在2000年己应用于天津普辰大厦的中水回用系统，处理规模为25m3/d，该装置占地仅2.8m2，处理成本为1.05元/m3；上海荏原公司研究开发的PW系统己成功地应用于数十个行业的高浓度有机废水处理，规模从5m3/d至700m3/d不等；杭州华滤、哈尔滨鹭滨等公司在MBR开发应用方面都具有一定的竞争力。表8列举了一些MBR在我国的应用实例及处理效果。在南方地区，MBR目前主要应用于高浓度有机废水处理；而在天津、大连严重缺水的北方地区，MBR主要做为中水回用技术。
表8 MBR在我国的应用实例
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4 结论
我国人均水资源拥有量仅为2250m3/人.年，不足世界平均水平的1/4。在我国600多个城市中，有300余座城市缺水，真中严重缺水城市有100余个，年缺水量近60亿m3，每年因缺水造成经济损失约2000亿元人民币。华北地区人均水资源占有量只有250—480m3/人.年，低于全国人均水平的1/5，这一地区的所有城市几乎都面临缺水问题。因此污水回用是缓解华北平原水危机的重要措施之一。膜生物反应器技术以其优质的出水水质被认为是具有较好经济、社会和环境效益的节水技术而倍受关注。尽管还存在较高的运行费用问题，但随着膜制造技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投资也会随之降低。如聚乙烯中空纤维膜，新型陶瓷膜的开发等已使其成本比以往有很大降低。另一方面，各种新型膜生物反应器的开发也使真运行费用大大降低，如在低压下运行的重力淹没式MBR、厌氧MBR等与传统的好氧加压膜生物反应器相比，其运行费用大幅度下降。因此，从长远的观点来看，膜生物反应器在水处理中应用范围必将越来越广。在水环境标准日益严格的今天，MBR已显示出其巨大的发展潜力，将是新世纪替代传统废水处理技术的有力竞争者。
目前我国在膜一生物反应器污水处理方面的应用实例尚少，需结合中国的经济发展水平和MBR工艺的特点，进一步加强研究以推动其工程化应用的进程，预计中水回用将是MBR在中国的推广应用的主要方向。
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