膜生物反应器在废水回用中的应用与发展趋势
摘 要 膜生物反应器是将生物反应器与膜分离技术相结合的一种高效废水处理新技术。综述了膜生物反应器的类型、特点、对污染物的去除特性以及该工艺的影响因素和运行控制，提出了膜生物反应器所存在的问题及其研究进展和发展趋势。
关键词 膜生物反应器；废水回用；膜污染；膜清洗
1前言
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合的新型水处理技术，在废水资源化及中水回用方面具有及其广阔的发展前景，已经受到了国内外的广泛关注。目前随着水资源短缺局势的日益严峻及膜生产技术的不断更新发展，MBR在水处理领域得到了逐渐广泛的应用，其数量日益增多，规模不断扩大，因此对膜生物反应器的进一步研究，对缓解我国日益严重的水环境污染状况将具有十分重要的意义。
2 MBR工艺的类型及特点
2.1 MBR工艺的分类
膜生物反应器主要由膜组件、泵和生物反应器三部分组成。根据膜组件在膜生物反应器中所起的作用的不同，膜生物反应器可以分为三种类型[1]：（1）分离膜生物反应器（BSMBR－Biomass Separation Membrane Bioreactor）（2）无泡曝气膜生物反应器（MABR－Membrane Aeraction Bioreactor）（3）萃取膜生物反应器（EMBR－Extractive Membrane Bioreactor）。目前我们通常所说的MBR就是这三种类型的总称，其中BSMBR是目前研究和应用最为广泛的膜生物反应器，通常在无特殊说明的情况下，称之为MBR。膜生物反应器中所使用的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，主要工程是进行固液分离，截留的污泥回流至生物反应器，透过水外排。MABR则是采用致密膜或微孔膜为氧传递介质或生物膜载体，对生物反应器进行无泡供氧，可实现对氧的高效利用。EMBR则是采用萃取膜将废水中有害、有毒或溶解性差的物质进行萃取后，采用专性菌对其进行单独的生物化学 处理，从而使专性菌不受废水中离子强度和pH的影响，优化了生物反应器的功能[2]。
2.2 MBR工艺的特点
MBR工艺采用膜组件代替传统活性污泥工艺中的二沉池，实现了高效的固液分离，克服了传统活性污泥工艺水质波动及不够理想、易发生污泥膨胀等问题；与传统活性污泥工艺及许多其他的废水生物处理工艺相比较，MBR工艺因其以具有特殊性能的膜作为泥水分离和澄清出水的介质，而具有其他生物处理工艺无法比拟的明显优势，主要是以下几点[3]：
（1）出水水质良好。由于膜反应器能够高效地进行固液分离, 分离效果远好于传统的沉淀池, 出水悬浮物和浊度接近于零，可直接回用，实现了污水资源化。
（2）使运行控制更加灵活稳定。由于膜的高效截流作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离。
（3）反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷。
（4）泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率，反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，基本无剩余污泥排放。
（5）占地面积小，工艺设备集中，系统采用PLC控制，可实现全程自动化控制。
3 MBR工艺的应用
MBR工艺最早主要用于微生物发酵工业，在污水处理领域中的应用研究始于60年代的美国。进入21世纪，国内外对膜生物反应器的研究有了较大的进展，并逐渐进入中试和生产性应用研究阶段。MBR工艺具有常规污水生化处理所无法比拟的优势，因此在城市污水处理与回用、中水回用、生活污水以及高浓度工业废水等处理中得到了广泛的应用[4-6]。
MBR工艺因其占地面积小、生化效率高、出水水质好等优点已被国内外水处理领域所认可。随着水资源短缺局势的日益严峻及膜生产技术的不断更新发展,MBR在水处理领域中逐渐得到了较为广泛的应用, 其数量日益增多, 规模也不断扩大[7-8]。
4 MBR工艺的影响因素及膜污染的控制措施
4.1 MBR工艺的影响因素
MBR工艺中，影响其工艺设计和运行效能的因素除废水水质、污泥特性等外，更为重要的应是其膜的运行操作条件，因此，在正确把握废水水质，合理选取工艺设计参数和运行方式外，加强对膜运行过程的控制，就显得更为重要。
在MBR工艺中，膜分离操作的主要影响因素有膜面流速、温度、操作压力等，这些因素对膜通量及膜组件的有效产水效能构成直接的影响。其中的关键运行控制条件因素有膜的操作压力与膜面流速及膜的污染控制。作为MBR工艺中重要的运行控制条件，操作压力和膜面流速均对膜通量有较大的影响，而且它们的影响往往又是相互交叉和制约的，膜面流速一定且浓差极化现象尚不明显时，膜的通量随压力的增大而增大；发生浓差极化后，压力的增大，一方面可以提高膜通量，但将在促进浓差极化的同时，增加通水的阻力。当操作压力一定时，随膜面流速的提高，膜通量相应提高，但当污泥浓度较高时，膜面流速提高到一定值后，由于膜面泥饼阻力的增加，膜通量提高的速率将随膜面流速的提高而降低[9]。
4.2 膜污染的控制措施
膜污染是指处理料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过通量与分离特性的不可逆变化的现象。通常认为膜污染主要由4种原因引起[10]：吸附、孔堵、浓差极化、滤饼层的形成和压缩
膜污染的防治措施基本包括三种：第一：改善膜的性质，提高膜的亲水性。第二：对滤液进行预处理，改善滤液特性对膜污染的防治有很大的作用。第三：优化膜分离操作条件。
无论如何改进工艺，膜污染都是无法避免的，所以在应用中应及时对膜进行清洗，使其恢复过滤能力。目前清洗方法主要有物理清洗、化学清洗、超声波清洗和电清洗[11]。
5 MBR工艺存在的主要问题及研究进展
MBR工艺具有出水水质好，操作运行简单，污泥产率低，占地面积小等优点。随着膜生物反应器在污水处理的应用范围和规模不断扩大和增加，该工艺具有传统工艺所不具备的许多优点，但同时也存在膜污染、膜清洗和膜更换以及能耗高等问题，有待于对其进行深入的研究和改进。
5.1 MBR工艺存在的主要问题
(1) MBR工艺的一大缺点是膜在运行一段时间以后比较容易受到污染。膜污染取决于混合液组成特性和膜的物化性能。膜生物反应器中膜污染的物质来源是活性污泥混合液。对活性污泥混合液这种组成复杂而又变化的体系，要认识其污染机理还需对MBR有个全面的研究。[14]。
(2) MBR工艺的另一大缺点是能耗比较高。研究表明，常规分离式MBR运行能耗明显高于活性污泥法。MBR高能耗的原因首先是因为MBR过程必须保持一定的膜驱动压力，其次是MBR中MLSS非常高，所以MBR工艺采用加大曝气量的方式来改善水中氧的传质效果，因而造成能耗偏高。
(3)膜组件的结构也是影响MBR工艺发展和应用的重要因素。在MBR工艺中，膜组件的费用明显高于占地和土建费用[12]。
5.2 研究进展及发展趋势
(1) 开发高性能、耐污染膜以及提高膜的单位面积处理能力，能从根本上改善膜污染的问题。
(2) 优化膜组件的安装设计以及改善对膜的清洗方法，对其使用效果也有很大的影响。
(3) 通过改进膜组件的形式和工艺条件，可以解决MBR工艺能耗较高的问题。
(4) 在现有工艺基础上开发出一些新的工艺。在膜生物反应器研究的早期，生物反应器基本上都是采用活性污泥法，膜组件也多采用加压式平板膜。随着膜材料的发展、生物反应器新工艺的开发和研究工作的不断深入，近些年出现了一些新型的膜生物反应器[13]。
6结语
膜生物反应器在污水处理中的应用和研究涉及到生物学、水力学、材料学、经济学和工程学等众多学科，MBR的发展需要每个学科的进一步探索和各个学科之间的相互渗透。虽然膜污染和高能耗问题尚未得到彻底解决，但是由于MBR工艺有着传统工艺所无法比拟的优势，尤其是近20年来有机高分子材料科学的飞速发展，使得膜生物反应器在城市污水和工业污水处理领域中得到了更多的应用。可以相信，随着膜技术发展的日益成熟，MBR技术必然会在我国成为一种实用技术而被广泛采纳。
参考文献
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[11]许振良编著. 膜法水处理技术[M]. 北京:化学工业出版社，2001.
[12]郑祥. 膜生物反应器在水处理中的研究及应用[J ] . 环境污染治理技术与设备, 2002 , 1 (5) : 12 - 18.
[13]陈殿英. 膜生物反应器废水处理新工艺[J ] . 化工环保, 2002 , 20 (3) : 75 - 77.
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