蒲文晶，劉云杰，鐘大輝，程家運(yùn)

(1.中國(guó)石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國(guó)石油吉林石化公司 煉油廠，吉林 吉林 132021；3.中國(guó)石油吉林石化公司，吉林 吉林 132021)

膜生物反應(yīng)器(MBR)廢水處理技術(shù)開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)90年代，世界第一套大型MBR安裝于美國(guó)俄亥俄州Mansfield的通用電機(jī)廠[1]。近年來(lái)MBR技術(shù)的應(yīng)用在世界上維持著每年高于10%的增長(zhǎng)率，主要原因是MBR工藝對(duì)污染物的處理能力及處理效果是污水處理及回用的理想處理方式[2]。目前，世界上設(shè)計(jì)運(yùn)行能力最大的MBR廢水處理工程是位于美國(guó)華盛頓州金縣的布賴特沃特污水處理工程[3]，主體工程2011年9月開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，設(shè)計(jì)處理量13.6萬(wàn) m3/d，預(yù)計(jì)到2040年處理量將要達(dá)到20.4萬(wàn) m3/d。

隨著對(duì)水資源利用水平要求的不斷提高，我國(guó)已經(jīng)成為世界上MBR工程應(yīng)用增長(zhǎng)最快的國(guó)家[4]。特別是自2005年以來(lái)，處理能力5 000 m3/d以上的新建大中型MBR項(xiàng)目均保持大于100%的年增長(zhǎng)率。

1 MBR污水處理系統(tǒng)的類型和特點(diǎn)

MBR污水處理系統(tǒng)由生物降解與膜過(guò)濾兩部分組成。與常規(guī)的活性污泥工藝相比有諸多優(yōu)勢(shì)。膜過(guò)濾系統(tǒng)有著強(qiáng)大的固液分離能力，即使出現(xiàn)污泥膨脹的情況，也不會(huì)影響出水水質(zhì)；反應(yīng)器小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，因此可靈活地應(yīng)用于對(duì)現(xiàn)有污水處理場(chǎng)的改造和升級(jí)；系統(tǒng)剩余污泥產(chǎn)量較少，如果采用內(nèi)置式更不需要污泥回流；能夠?qū)崿F(xiàn)更好的處理性能，產(chǎn)水質(zhì)量更高。但是MBR技術(shù)同時(shí)也存在設(shè)施設(shè)備費(fèi)用偏高、膜污染及膜的使用壽命較短等問(wèn)題。目前一些已實(shí)施的MBR工程，膜的壽命已從3a增加到了8a[4]。

MBR污水處理系統(tǒng)目前主要按2種方法進(jìn)行類型劃分。

按膜組件的形狀劃分為3種類型：一種是以中空纖維柱狀膜組件為核心的類型，它具有膜面積大，占地面積小等特點(diǎn)；一種是以中空纖維簾狀膜組件為核心的類型，它具有膜面積大，易于安裝，清洗方便等特點(diǎn)；另一種是以浸沒(méi)平板型簾式膜組件為核心的類型，它具有膜通量大，易于組裝，清洗方便等特點(diǎn)。

按膜組件與生物反應(yīng)器的組合方式劃分為2種類型：外置式和內(nèi)置式。

傳統(tǒng)的外置式膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)，率先在北美推出，將膜分離裝置與生物反應(yīng)器分開(kāi)安裝，膜分離裝置位于生物反應(yīng)器外部。外置式膜生物反應(yīng)器運(yùn)行效率高、衰減慢，可連續(xù)出水，具有運(yùn)行可靠，膜易于清洗、膜通量大等特點(diǎn)。但為減輕膜污染，要求循環(huán)泵提供較高的膜面錯(cuò)流速度(2～5 m/s)，因而循環(huán)量大、能耗高，動(dòng)力費(fèi)用較高，而且泵高速旋轉(zhuǎn)的剪切力會(huì)使某些微生物菌體失活。外置式膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)膜組件一般在TMP大于210 kPa下操作。

內(nèi)置式生物反應(yīng)器系統(tǒng)是將膜組件直接浸沒(méi)在生物反應(yīng)容器中，它可以在較低的跨膜壓差下在線運(yùn)行和操作，通常為(28～56)kPa的TMP，低于0.6 m/s的有效錯(cuò)流速度，通過(guò)真空抽吸泵的抽吸實(shí)現(xiàn)污泥與廢水的分離，因此該運(yùn)行方式具有能耗相對(duì)較低，占地緊湊等特點(diǎn)，但膜通量較低，膜比較容易受污染，清洗更換頻繁、操作繁瑣。

內(nèi)置式和外置式MBR的工程應(yīng)用特性對(duì)比見(jiàn)表1[5]。

表1 內(nèi)置式與外置式MBR的工程應(yīng)用特性對(duì)比

如果只是從能耗角度考慮，內(nèi)置式生物反應(yīng)器系統(tǒng)具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，但如果結(jié)合膜的清洗、更換和保養(yǎng)等綜合因素進(jìn)行全面衡量，運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用二者大致相當(dāng)。因此，在實(shí)際工程中選用哪種形式的MBR，應(yīng)視具體情況而定：在濃度低、水量大的情況下，如生活污水處理，能耗是工藝運(yùn)行的主要問(wèn)題，膜污染是次要的，因此選擇內(nèi)置式MBR比較合適；在濃度高、水量小的情況下，如工業(yè)廢水和垃圾滲濾液的處理，有效降低膜污染是工藝運(yùn)行的首要問(wèn)題，因此外置式MBR才是最合適的選擇[5]。

2 膜的污染及控制

2.1 膜污染機(jī)理及影響因素

膜污染的問(wèn)題已成為限制MBR快速發(fā)展的重要因素[4]。

膜污染是指在膜過(guò)濾過(guò)程中，水中的溶質(zhì)分子、膠體粒子或顆粒物由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)部的吸附或沉積，致使膜孔道變小或堵塞，膜表面形成凝膠層或?yàn)V餅層，造成膜通量降低和/或跨膜壓差TMP升高的現(xiàn)象。

MBR系統(tǒng)的膜污染一般表現(xiàn)為：主要是由小分子物質(zhì)造成的膜孔堵塞，大分子物質(zhì)由于濃差極化附著在膜表面造成的膜表面凝膠層，在過(guò)濾過(guò)程中污泥層吸附在膜表面造成的污泥濾餅層及廢水中的毛發(fā)、纖維類物質(zhì)纏繞在膜絲上造成的漂浮物纏繞。

膜污染的影響因素有很多[6]。如混合液的特性、膜材料、水力條件、生物反應(yīng)條件、廢水成分、操作條件等。MBR系統(tǒng)的膜通量隨污泥濃度的增加而減小，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度達(dá)到8～18 g/L時(shí)，膜極易被污染[4]。

高的鹽度也可能加速膜污染。當(dāng)廢水中ρ(氯離子)>15 000 mg/L時(shí)，膜通量加速下降[7]。

2.2 膜污染的控制

2.2.1 強(qiáng)化預(yù)處理系統(tǒng)

MBR的膜組件一般采用微濾或超濾膜，膜孔徑通常(0.001～0.4)μm，膜組件是整個(gè)處理工藝的核心部分，強(qiáng)化預(yù)處理工藝，是保證處理效果和膜使用壽命的關(guān)鍵。預(yù)處理的方式應(yīng)是傳統(tǒng)預(yù)處理和保護(hù)膜的預(yù)處理方法的有機(jī)結(jié)合[6]。

某礦區(qū)生活污水處理裝置采用MBR，預(yù)處理系統(tǒng)包括自動(dòng)機(jī)械格柵和毛發(fā)聚集器。自動(dòng)格柵柵條間隔(5～6 )mm，可將大塊雜質(zhì)攔截，毛發(fā)聚集器過(guò)濾孔徑2 mm，可清除污水中的大部分毛發(fā)絲[8]。

煙草廢水中含有大量的白膠、煙絲、油類等物質(zhì)，采用MBR處理煙草廢水時(shí)，一般先通過(guò)混凝沉淀或氣浮方法進(jìn)行預(yù)處理，減小了后續(xù)工藝的運(yùn)行負(fù)荷[6]。

某市政污水廠采用MBR工藝處理，預(yù)處理系統(tǒng)包括20 mm粗格柵—6 mm網(wǎng)孔型階梯細(xì)格柵—曝氣沉砂池—3 mm轉(zhuǎn)鼓式濾孔型超細(xì)格柵—0.75 mm 轉(zhuǎn)鼓式格網(wǎng)型精細(xì)膜格柵，且3 mm 轉(zhuǎn)鼓式濾孔型超細(xì)格柵和0.75 mm 轉(zhuǎn)鼓式格網(wǎng)型精細(xì)膜格柵同步設(shè)置了高、中壓沖洗系統(tǒng)以解決表面堵塞及沖洗頻繁的問(wèn)題[9]。

2.2.2 膜的親水處理及運(yùn)行條件控制

膜組件在投入運(yùn)行前，一般需通過(guò)化學(xué)改性劑對(duì)膜進(jìn)行親水處理，處理過(guò)程常借助于膜反沖洗系統(tǒng)。這一過(guò)程可以強(qiáng)化膜的抗污染能力。

MBR污水處理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，膜組件系統(tǒng)按真空泵抽吸8 min—停機(jī)2 min空曝氣的頻率工作。膜表面在上升氣流、水流的共同沖刷作用下不斷更新，避免了因長(zhǎng)時(shí)間工作污染物在膜吸附壓作用下沉積，同時(shí)也可使沉積在膜表面的污染物脫離膜表面，有利于降低膜污染[10]。

2.2.3 清洗

化學(xué)清洗是控制膜污染的主要方法之一。膜的化學(xué)清洗有維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗2種方式。在跨膜阻力到達(dá)設(shè)定值時(shí)，可以通過(guò)向膜組件反向輸入化學(xué)藥劑對(duì)膜進(jìn)行清洗，這屬于是維護(hù)性清洗，其周期一般為1次/(1～2)周。當(dāng)維護(hù)性清洗不能有效降低TMP時(shí)，需要對(duì)膜組件進(jìn)行恢復(fù)性清洗?；謴?fù)性清洗可以在膜池中進(jìn)行，也可以在單獨(dú)設(shè)置的清洗池中進(jìn)行，其周期一般為1次/(6～12)個(gè)月。一般采用在清洗池中(離線)清洗方法[5]。

某礦區(qū)MBR生活污水處理工程，采用2套在線清洗系統(tǒng)和1套離線清洗系統(tǒng)進(jìn)行膜的化學(xué)清洗操作。在線清洗系統(tǒng)包括貯液桶、攪拌機(jī)、自吸泵及加藥管道。系統(tǒng)通過(guò)按一定操作程序，把藥液反向注入膜組件內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在線清洗。在MBR池上方設(shè)置起重裝置，用于膜組件的提升及膜片拆卸。拆下的膜片放入離線清洗系統(tǒng)(清洗池)內(nèi)進(jìn)行浸沒(méi)清洗[8]。

無(wú)錫城北污水處理廠MBR系統(tǒng)，設(shè)置了清水沖洗池、酸洗池(一般采用檸檬酸)和堿洗池(一般采用次氯酸鈉)3個(gè)獨(dú)立的膜離線清洗池。離線清洗池中增設(shè)曝氣管。膜組件在進(jìn)行離線恢復(fù)性清洗時(shí)，先在清水池中通過(guò)曝氣去除大部分污泥，再依次放入酸洗池、堿洗池中，在進(jìn)行化學(xué)藥劑浸泡的同時(shí)進(jìn)行曝氣[9]。

某生活垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理站MBR系統(tǒng)，首先用清水進(jìn)行MBR膜片的表面沖洗，去除表面附著的活性污泥，再依次經(jīng)過(guò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的NaClO溶液1 h的浸泡，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～10%的NaOH溶液將MBR膜片2 h浸泡，殺死附著在膜表面的細(xì)菌，去除附著在MBR膜片表面的有機(jī)物和膠體物質(zhì)，最后清水再次沖洗，實(shí)現(xiàn)膜組件的清洗過(guò)程[11]。

某高校生活污水處理工程MBR系統(tǒng)，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4‰～6‰次氯酸鈉作清洗劑實(shí)現(xiàn)在線清洗。清洗周期1次/周。在線清洗期間好氧生物反應(yīng)池停止曝氣，將清洗劑注入膜組，每次反沖洗90 min。在線化學(xué)清洗后膜通量恢復(fù)率可達(dá)80% 以上。根據(jù)膜污染情況，一段時(shí)間后還應(yīng)采用離線清洗方式對(duì)膜組件進(jìn)行徹底清洗。3年的運(yùn)行實(shí)踐表明，離線清洗周期可維持1次/a。離線化學(xué)清洗后膜通量恢復(fù)率可達(dá)95% 以上[10]。

3 MBR的工程應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)情況

3.1 用于生活污水的處理

采用倒置A2/O-MBR 處理某礦區(qū)的生活污水，工程設(shè)計(jì)污水處理能力450 m3/d。出水經(jīng)紫外消毒后的水質(zhì)達(dá)到城鎮(zhèn)污水廠一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，回用于廠區(qū)綠化、沖洗地面等雜用水。處理成本包括人工費(fèi)0.89元/t，電費(fèi)0.46 元/t，藥劑費(fèi)0.05元/t，合計(jì)1.4元/t[8]。

湖南省大圍山至瀏陽(yáng)高速公路服務(wù)區(qū)生活污水通過(guò)MBR處理后，出水達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)。MBR工藝的建設(shè)成本3 067元/m3，日常運(yùn)行成本0.74元/m3，MBR工藝占地面積0.46 m2/m3，回用水量為38 325 m3/a，回用水經(jīng)濟(jì)效益114 975元/a，是MBR日常運(yùn)營(yíng)費(fèi)用(40 515元/a) 的2.8倍，獲得較高的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益回報(bào)[13]。

采用MBR技術(shù)處理某高校生活污水，處理能力1 000 m3/d，出水水質(zhì)優(yōu)于《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T18920—2002) 標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)CODCr和BOD5的去除率達(dá)到96% 以上，對(duì)濁度、氨氮去除率達(dá)到99%以上。項(xiàng)目建設(shè)造價(jià)6 000元/t。運(yùn)行成本為0.967 6元/t[10]。

3.2 用于工業(yè)廢水的處理

MBR污水處理技術(shù)近幾年在卷煙廠中水回用項(xiàng)目中獲得廣泛應(yīng)用。卷煙廠廢水屬于難處理廢水，廢水水質(zhì)波動(dòng)較大，生化性較差。COD最低值350 mg/L，最高值1 836 mg/L，平均值為1 112 mg/L；BOD的最低值為178 mg/L，最高值為436 mg/L，平均值為300 mg/L，B/C 0.27。徐州卷煙廠、淮陰卷煙廠、內(nèi)蒙古卷煙廠、西昌卷煙廠等全國(guó)十多家卷煙廠均采用MBR工藝處理生產(chǎn)廢水，出水一般可直接回用于廠區(qū)綠化、洗車、沖廁，或作為RO 系統(tǒng)水源[6]。

MBR組合工藝近年來(lái)在垃圾滲濾液的處理上也獲得廣泛的工程應(yīng)用，由于進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的不同，選擇工藝及運(yùn)行成本也有很大差距。進(jìn)水濃度最低2 kg/m3，最高達(dá)68 kg/m3，運(yùn)行費(fèi)用介于9～31元/m3[5]。

東興市衛(wèi)生填埋場(chǎng)改擴(kuò)建工程滲濾液處理站設(shè)計(jì)處理量為200 m3/d，采用厭氧-A/O(MBR)組合工藝處理后，出水再經(jīng)超濾-反滲透-活性炭過(guò)濾處理，2011年裝置開(kāi)車后各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889—2008) 的表2標(biāo)準(zhǔn)。一體式MBR動(dòng)力消耗為0.2～0.4 kW·h/m3，僅約為分置式的1/10[12]。

西部某垃圾焚燒電廠滲濾液處理站采用厭氧復(fù)合床反應(yīng)器-膜生物反應(yīng)器(UBF-MBR)組合工藝處理垃圾滲濾液，處理規(guī)模300 m3/d。盡管滲濾液中含氮化合物較高，但系統(tǒng)出水氨氮僅為22 mg/L，可達(dá)到GB16889—1997中三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)處理效果良好，項(xiàng)目的運(yùn)行成本約為30.6元/m3[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

MBR污水處理技術(shù)的工程應(yīng)用近年來(lái)逐漸從生活污水處理發(fā)展到了工業(yè)廢水處理，綜合處理成本隨著水質(zhì)的不同而不同。隨著抗污染膜的開(kāi)發(fā)和膜材料生產(chǎn)成本的降低，MBR污水處理技術(shù)將會(huì)呈現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用前景。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] P M Sutton.Membrane bioreactors for industrial wastewater treatment：applicability and selection of optimal system configuration[J].Water Environ Found，2006:3233-3248.

[2] P Berube.Membrane bioreactor：theory and applications to wastewater reuse[J].Sustainability Sci Eng,2009 (2)：255-292.

[3] W Yang，N Cicek，J Ilg.State of the art of membrane bioreactors：worldwideresearch and commercial applications in north america[J].J Membr Sci,2006 (270)：201-211.

[4] 蔡亮,楊建州,等.全球膜生物反應(yīng)器污水處理系統(tǒng)工程應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].水工業(yè)市場(chǎng)，2007(12)：31-36.

[5] 華佳,張林生,等.UBF-MBR 工藝處理垃圾滲濾液的工程應(yīng)用[J].環(huán)境科技，2013，26(1)：26-29．

[6] 張明菊.MBR工藝處理煙草廢水的膜污染防治方法探討[J].化工管理，2013(5)：238-239.

[7] 裴燁青,陳東輝,等.膜生物膜工藝處理含鹽工業(yè)廢水[J].環(huán)境工程，2011，29(4)：4-6．

[8] 趙曙光,姜志琛,等.倒置A2/O+MBR處理礦區(qū)生活污水的運(yùn)行特性[J].水處理技術(shù)，2013,39(6)：121-124.

[9] 蔣嵐嵐,龔兆宇,等.無(wú)錫城北污水處理廠MBR 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析與探討[J].環(huán)境工程，2013,31(2)：1-4.

[10] 蔡文,駱建明.浸入式膜生物反應(yīng)器中水回用工程應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)研究，2010，23(12)：1553-1558．

[11] 喻澤斌,孫玲芳,等.膜組合工藝在垃圾滲濾液處理中的工程應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水，2013，29(6)：84-88．

[12] 黃霞,左名景,等.膜生物反應(yīng)器脫氮除磷工藝處理城市污水的工程應(yīng)用[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2011，31(3)：223-227．

[13] 黃斌,葉穎,等.膜生物反應(yīng)器在高速公路服務(wù)區(qū)污水處理的應(yīng)用[J].公路工程，2013,38(2)：75-79.