容志勇 黃茂林 劉剛

摘要：膜生物反應(yīng)器是將膜分離技術(shù)與活性污泥法相結(jié)合的高效污水處理技術(shù)。本文綜述了膜生物反應(yīng)器的發(fā)展歷程、典型應(yīng)用案例現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題、MBR工藝今后在污水處理中應(yīng)用前景，為MBR工藝今后的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器;污水處理;膜過(guò)濾

膜生物反應(yīng)器（Member bioreactor，MBR）是將膜分離技術(shù)與活性污泥法相結(jié)合的高效污水處理技術(shù)，增大污泥中的特效菌來(lái)加快生化反應(yīng)速率，提高污水處理效果，其具有SRT短、污泥產(chǎn)量少、出水水質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)的活性污泥法等生物處理污水的技術(shù)中，泥水分離是通過(guò)重力作用而在二沉池中完成的，其分離效果的好壞受到活性污泥沉降性能的影響，沉降性越好，泥水分離效率越高，而MBR工藝的主要特點(diǎn)是由膜過(guò)濾取代傳統(tǒng)生化處理技術(shù)中二沉池。作為一種新型、高效、集約型的水處理技術(shù)，MBR工藝越來(lái)越受到各國(guó)水處理研究者的青睞。

1膜生物反應(yīng)器的發(fā)展歷程

MBR在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代，美國(guó)的Dorr-Oliver公司首先將MBR用于廢水處理的研究，將膜分離技術(shù)與活性污泥生物處理技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor，MBR），利用超濾膜與活性污泥生物反應(yīng)器的協(xié)同作用來(lái)處理生活污水，該工藝具有反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度高、活性污泥產(chǎn)量低、出水水質(zhì)好、污水處理廠占地少等優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)70年代，膜污水處理工藝首次進(jìn)入日本市場(chǎng)，從而邁出了MBR污水處理商業(yè)化的重要一步，但此時(shí)由于受到膜材料、膜制備技術(shù)的制約，MBR工藝發(fā)展緩慢。

20世紀(jì)90年代末，在國(guó)內(nèi)外新型膜材料研發(fā)與制造裝備業(yè)的推動(dòng)下，膜生物反應(yīng)器的相關(guān)科學(xué)技術(shù)研究逐漸成為熱點(diǎn)，國(guó)外已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，且規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。

我國(guó)對(duì)MBR工藝的大規(guī)模研究始于90年代末期，MBR在我國(guó)水處理方面的應(yīng)用研究首先從分離式MBR開(kāi)始的，中國(guó)的膜產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)近20多年來(lái)的發(fā)展，正逐漸走向成熟。隨著我國(guó)水資源的短缺和水污染問(wèn)題的加劇，我國(guó)的MBR研究正高速發(fā)展，MBR工藝的深入研究對(duì)保障我國(guó)水質(zhì)安全，緩解水資源危機(jī)，保護(hù)人居環(huán)境，提高城鎮(zhèn)居民的生活品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

根據(jù)生物反應(yīng)池與膜組件不同的結(jié)合方式，MBR反應(yīng)器分為分離式和一體式兩種不同的形式。分離式是指膜組件與生物反應(yīng)器分開(kāi)設(shè)置，壓力驅(qū)動(dòng)靠加壓泵，其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定，管理簡(jiǎn)單，膜的清洗、更換更為便捷。一體式MBR是將膜組件直接放于生物反應(yīng)器內(nèi)，利用真空泵的負(fù)壓抽吸得到出水濾液，其的優(yōu)點(diǎn)是抽吸壓力低、電耗低。

2膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用案例

2.1京溪污水處理廠

京溪污水處理廠位于廣東廣州市，設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)噸/日，于2010年9月正式建成投入運(yùn)行，污水處理廠進(jìn)水以城市生活污水為主，出水滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)并滿足直接作為沙河涌景觀補(bǔ)水的水質(zhì)要求，采取的污水處理主體工藝為一體式的MBR生化池，共2座，每座包括：厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和膜區(qū)四部分，膜過(guò)濾采用0.05um的中空纖維超濾膜，出水利用負(fù)壓泵抽吸出水，為進(jìn)一步保證出水的安全可靠，膜出水設(shè)置管式紫外線消毒器。

該污水處理廠運(yùn)行8年多來(lái)，出水水質(zhì)100%達(dá)標(biāo)，在膜過(guò)濾的作用下，污水中絕大部分細(xì)菌（0.2-50um）和部分病毒，出水基本達(dá)到了糞大腸菌≤1000個(gè)/L的排放標(biāo)準(zhǔn)，MBR出水SS接近于零，透光性很好，污水處理廠建成后極大地改善了廣州市周圍水體環(huán)境，對(duì)治理水污染，保護(hù)當(dāng)?shù)亓饔蛩|(zhì)和生態(tài)平衡具有十分重要的作用。

2.2長(zhǎng)沙市某污水處理廠

該污水處理廠1992年開(kāi)工建設(shè)，1994年正式建成投產(chǎn)，污水處理廠建成后運(yùn)行穩(wěn)定、良好。但隨著長(zhǎng)沙市城區(qū)的快速建設(shè)發(fā)展，污水處理廠周邊有新建了大量的商業(yè)、住宅去，處理污水時(shí)產(chǎn)生的臭氣和噪聲自然散發(fā)至空氣中，嚴(yán)重影響著周邊居民的生活。

為解決污水處理廠現(xiàn)狀存在的系列問(wèn)題，2014年開(kāi)始對(duì)污水處理廠進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)從一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)提升至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)臭氣和噪音進(jìn)行封閉式收集處理。通過(guò)將現(xiàn)二沉池改造為MBR池，與原有的改良型氧化溝構(gòu)建形成一體化MBR處理工藝，膜過(guò)濾采用0.1um的平板膜，膜出水利用負(fù)壓泵抽吸出水。

該污水處理廠至2016年改造以來(lái)，污水廠處理后的水質(zhì)優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)達(dá)到IV類水標(biāo)準(zhǔn)，出水可用公園道路灑水、綠化用水和景觀湖泊補(bǔ)給用水。污水處理廠建成后極大地改善了長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)周圍水體環(huán)境，對(duì)保護(hù)當(dāng)?shù)亓饔蛩|(zhì)和生態(tài)平衡具有十分重要的作用。

3膜生物反應(yīng)器存在的問(wèn)題

隨著近年來(lái)城市污水處理中MBR工藝的更多應(yīng)用，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，MBR工藝系統(tǒng)仍然存在的一些瓶頸問(wèn)題，需在今后MBR工藝研究、設(shè)計(jì)、運(yùn)行中予以解決，主要有如下。

3.1處理能力降低的風(fēng)險(xiǎn)

MBR工藝的末端為膜過(guò)濾，而膜過(guò)濾具有過(guò)濾的通用屬性，過(guò)濾是在恒定通量下進(jìn)行，為了實(shí)現(xiàn)膜過(guò)濾的持續(xù)運(yùn)行、盡量減少?zèng)_洗周期，故要求MBR不能超過(guò)極限通量，否則會(huì)很容易產(chǎn)生膜污染、膜污染的最終結(jié)果是導(dǎo)致產(chǎn)水率下降、膜的反洗周期縮短、膜實(shí)際有效運(yùn)行時(shí)間的減少。

因此，目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的很多MBR工藝污水處理廠，受原水水質(zhì)、運(yùn)行管理等各方面的影響，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中隨著時(shí)間的積累，其MBR工藝末端膜過(guò)濾的處理能力不斷下降，故很難達(dá)到常規(guī)污水處理工藝所實(shí)現(xiàn)的超產(chǎn)的要求。有相關(guān)報(bào)導(dǎo)認(rèn)為，如果進(jìn)入MBR反應(yīng)器的峰值流量超過(guò)平均流量的1.5—2倍時(shí)，就需額外設(shè)置流量調(diào)節(jié)池，或者考慮備用大量的膜組件以確保最終出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)。

3.2投資與運(yùn)行成本高

投資成本高。膜組件是MBR處理系統(tǒng)中主要組成部分，同時(shí)也是技術(shù)含量最高及價(jià)值最大的部分，據(jù)分析，國(guó)內(nèi)MBR投資成本在2000—2500元/m3，是傳統(tǒng)活性污泥法項(xiàng)目建設(shè)成本的1.5倍左右。與此同時(shí)，MBR需要更多更先進(jìn)的設(shè)備以滿足其自動(dòng)化的運(yùn)行要求，故增加了投入成本。

運(yùn)行成本高。無(wú)論是浸沒(méi)式MBR工藝還是分置式MBR，需加大曝氣強(qiáng)度并設(shè)置出水負(fù)壓抽吸泵，從而造成污水處理系統(tǒng)能耗上升，運(yùn)行電費(fèi)及設(shè)備維護(hù)費(fèi)用的增加，且膜組件壽命有限，根據(jù)國(guó)內(nèi)的使用經(jīng)驗(yàn)，膜組件使用達(dá)到5年后即需更逐步更換膜組件。

3.3預(yù)處理與自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)

MBR工藝中的泥水混合物進(jìn)入到再進(jìn)入膜反應(yīng)器單元前需要經(jīng)過(guò)膜前預(yù)處理，故在MBR系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)均需要在膜反應(yīng)器前端設(shè)置膜格柵，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)MBR系統(tǒng)中膜格柵的參數(shù)要求并未進(jìn)行深入的研究，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)部分MBR污水處理廠的運(yùn)行管理中經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)處理與膜處理不協(xié)調(diào)不匹配的問(wèn)題。

MBR工藝自動(dòng)化程度比傳統(tǒng)活性污泥工藝高很多，為保證膜反應(yīng)器的最終出水水質(zhì)，膜組件需定期清洗、組裝甚至是更換，設(shè)備縱多、設(shè)備聯(lián)動(dòng)運(yùn)行管理復(fù)雜，對(duì)污水處理廠的PLC控制系統(tǒng)需要更多更高的要求。

4膜生物反應(yīng)器在城市污水處理中的應(yīng)用展望

未來(lái)，隨著水資源的短缺矛盾的進(jìn)一步凸顯和水污染防治要求的進(jìn)一步提高，且國(guó)內(nèi)外對(duì)MBR工藝研究的不斷深入，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，MBR工藝在中水、污水處理回用等方面的廣應(yīng)用必將受到高度重視。

同時(shí)，面對(duì)近年來(lái)國(guó)家大力提出的《水十條》戰(zhàn)略要求，污水排放和回用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范將會(huì)日益嚴(yán)格，很多現(xiàn)有城市污水處理廠的改擴(kuò)建要求在不增大占地面積的前提下增大處理水量、提升出水水質(zhì)。雖然MBR工藝的投資及運(yùn)行成本略高于以往活性污泥法，且易發(fā)生膜污染問(wèn)題，但其占地少，有機(jī)物去除率高，還能夠強(qiáng)化脫氮除磷，符合我國(guó)城市污水處理廠提標(biāo)改造、強(qiáng)化脫氮除磷的要求。因此，MBR工藝在水廠改擴(kuò)建項(xiàng)目中發(fā)展前景較好。