MBR生物处理技术论文.doc

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MBR生物处理技术

摘要：

近些年来，膜生物反应器（MBR）生物处理技术作为一种废水处理新工艺得到了广泛的研究。

作者通过对大量资料的收集和整理，系统地介绍了MBR的概念、发展过程、工作原理、分类及其特点；重点地阐述了膜的种类、膜污染影响因素及控制方法和膜的清洗；最后对MBR生物处理技术在污水处理中的应用进行了总结和分析。

关键词：

膜生物反应器；生物处理技术；膜污染；污水处理；应用

MembraneBioreactorforBiologicalTreatmentTechnology

Abstract:

Inrecentyears,MembraneBioreactor（MBR）forbiologicaltreatmenttechnologyhavebeeninvestigatedwidelyasakindoflate-modelprocessforwastewatertreatment.Theauthorarrangedandanalyzeaseriesofmaterials.SoMBRwasintroducedsystematically.ItincludesthedefinitionofMBR,developingprocedure,operationalprinciple,classificationandcharacters.Further,theresearchdevelopedonmembrane’stypes,theinfluenceofmembranepollution,itscontrolledmeansandcleanedmethodsformembrane.Atlast,theapplicationofMBRinwastewaterwasreviewed.

Keywords:

MBR;biologicaltreatmenttechnology;membranepollution;wastewatertreatment;application

膜生物反应器（MembraneBioreactor,简称MBR）技术是一种新型高效的生物处理技术和绿色技术[1],是将膜技术与生物反应器相结合使用的一种废水处理新工艺。

它的高效分离作用取代了传统活性污泥法中的二沉池，达到了二沉池无法比拟的泥水分离和污泥浓缩效果。

故膜生物反应器也可以形象地称为膜分离活性污泥法。

1MBR简介

1.1发展过程

MBR技术始于20世纪60年代的美国，其研究与应用可分为3个不同的发展时期:

1966~1980年、1980~1995年以及1995年~至今[2]。

第一阶段：

1966年，美国的Dorroliver公司首先将MBR用于废水处理的研究；1968年smiht等报道了活性污泥法与超滤过程的结合，用于处理城市污水，1969年，Budd等的MBR技术获得了美国专利。

但是由于当时膜制造技术较低，膜的使用寿命短，膜通量小等特点，使这项技术停留在了实验室研究阶段。

第二阶段：

20世纪70年代后期，日本由于污水资源化的需求，对MBR加大了研究开发力度，使其走向实际应用；1983~1987年，日本有13家公司使用好氧MBR处理大楼废水,经处理后的水作为中水回用；1985年，日本又制定了“AquaRneaissnaec90”大型研究计划，把MBR的研究在污水处理对象和规模方面都大大地推进了一步，从早期的生活污水和城市污水扩展到了工业废水，如石化废水、发酵废水和垃圾渗滤液等。

第三阶段：

20世纪90年代中后期，MBR在国外已经进入了实际应用阶段，其中比较有代表性的是加拿大的Zneno公司和日本的Kubota公司。

在我国，对于MBR的研究起步较晚，始于20世纪90年代初，1991年岑运华[3]介绍了MBR在日本的研究现状，从此MBR在水处理方面的应用逐渐在我国开展了起来。

1.2工作原理

MBR生物处理技术是结合生物学的处理过程和膜分离工程的处理方法。

生物学的处理，利用输入水内的以有机物为营养源的微生物，把水中存在的胶质性及溶脂性的有机物转换成多种气体和细胞组织的工程；膜分离处理，使水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）完全分离，使出水水质良好，悬浮物和浊度接近于零，并可截留大肠杆菌等生物性污染物。

MBR是以酶、微生物或动植物细胞为催化剂，进行化学反应和生物转化，同时凭借滤膜分离出反应产物并截留催化剂而进行连续反应的的装置。

利用培养的好氧微生物来降解污水中的污染物；利用硝化细菌把污水中的氨氮转化为硝酸盐，去除异味；最后利用膜进行高效的固液分离。

1.3分类

MBR的主要构成部分是生物反应器和膜组件。

根据膜组件及其两者的结合方式有多种分类方式[4]：

1.按膜组件类型可分为板框式、螺旋卷式、毛细管式、圆管式和中空纤维式5种类型；2.按受压型可分为膜加压和膜常压；3.按需氧性分为好氧MBR和厌氧MBR；4.按反应器与膜组件组合形式又分为分置式、一体式、复合式3种；5.按膜组件在反应中的作用分为曝气膜-生物反应器（AMBR）、萃取膜-生物反应器（EMBR）、固液分离型膜-生物反应器（SLSMBR）。

另外，MBR还可以按照膜孔径和泵驱动压力等方式分类。

1.3.1AMBR、EMBR和SLSMBR

AMBR采用透气性致密膜或微孔膜，以板式或中空纤维组件，保持气体分压低于泡点，可向MBR无泡曝气。

特点是是氧利用效率高，可接近100%，有机物去除负荷高，占地少，但基建费用高，操作复杂，目前尚未应用到实际。

EMBR所采取的渗透萃取原理[5]是根据各组分透过膜的溶解度与扩散速率的不同，在膜两侧的浓度差的推动力作用下，实现污染物或其他物质的优先萃取过程。

可以将工业废水中的有毒和溶解性差的污染物萃取后对其进行单独的生化降解，适用于萃取和处理废水中的优先污染物。

SLSMBR即我们通常讲的MBR，是目前研究和使用最为广泛的一类MBR。

用膜组件代替传统活性污泥法中的二沉池，通过膜的分离过滤，使活性污泥混合液中的固体微生物和大分子溶解性物质被截留，处理水外排。

1.3.2分置式MBR、一体式MBR和复合式MBR

分置式MBR如图1所示，膜组件与反应器分开设置。

混合液经过加压泵的作用进入膜组件的过滤端，在压力作用下处理干净的污水排出,而活性污泥、大分子物质等被膜截留,并回流到生物反应器内。

其优点是反应器组装比较灵活，设备安装简单，易于控制、维护、更换、清洗和增设膜组件，反应器不会受到限制，易于大型化和现有工艺的改造。

不足是循环泵产生的剪切力会造成微生物的活性受损，动力费用较高等。

一体式MBR如图2所示，将膜组件放入生物反应器的内部。

原水进入后，大部分污染物被混合液中的活性污泥分解，通过负压抽吸，将混合液中的污水抽入膜内，经膜过滤外排。

膜组件中设计的曝气系统一是给微生物提供足够的氧气，二是利用空气的搅动在膜表面形成紊流利用紊流剪切力的作用减轻膜的堵塞。

与分置式相比，结构紧凑，占地较少，能耗低，但在运行稳定性、操作管理方面和清洗更换上不及分置式。

复合式MBR如图3所示，是在传统的MBR中投加填料，使微生物附着在填料上生长，减少了混合液中污泥的浓度，和污泥产量。

复合式MBR将系统的HRT和STR分离，从而将二沉池中无法截留的大分子、有机物和游离细菌，时间较长的硝化细菌，微生物等都截留在生物池内，提高了难降解有机物的分解效率和氨氮的硝化效率，进而提高固液分离效率。

但也存在膜易堵塞、能耗高、膜成本高和清洗后难以恢复其通透能力等的缺点。

1.3.3好氧MBR和厌氧MBR

好氧MBR出水水质高，出水适于回用，操作简单和占地面积小等优点使其得到了广泛的商业化应用，据报道世界上约有98%以上的工程是膜分离工艺与好氧生物反应器相结合。

厌氧MBR可作为特种废水或难降解废水的非常好的前处理过程，再根据水质的类型，结合其他工艺进行再处理，使出水水质达标排放。

好氧和厌氧系统比较见表1[6]：

表1好氧与厌氧系统比较

1.4特点

与许多传统的生物处理技术相比，MBR具有以下主要特点：

1.结构紧凑，节省占地面积，2.处理效果高，出水水质好，出水可以直接作为回用水，并且解决了活性污泥膨胀引起的二沉池泥水分离和水质恶化问题，3.处理装置容积负荷高，抗负荷冲击能力强，4.产生剩余污泥量少，降低了剩余污泥的处理费用，5.可去除氨氮及难降解有机物，6.操作管理方便，易于实现自动控制，易于对传统工艺进行改造等。

MBR也存在一些不足，主要表现在以下几个方面：

膜造价高，其基建投资要高于传统污水处理工艺；容易出现膜污染和能耗高等。

2MBR中的膜及其特性

2.1膜的种类

一般用于水处理的膜是根据被截留物质的大小或分离过程原理来划分的，可分为微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透和电渗析膜，膜分离过程及其目标详见表2[7]。

MF和UF，大都采用0.1~0.4微米膜孔径，足够满足MBR膜分离的要求。

MF常用的聚合物材料有聚碳酸酯、纤维素脂、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚丙烯、聚醚酮、聚酰胺等。

UF常用的聚合物有聚砜、聚酰胺、聚丙烯晴、聚偏氟乙烯、纤维素脂、聚醚酮、聚亚酰胺、聚醚酰胺等。

也可根据膜材料分为无机膜和有机膜，无机膜多采用陶瓷、金属、金属氧化物和多孔玻璃等无机材料制成，有机膜主要包括纤维素、聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚砜（PS）、聚丙烯晴（PAN）、聚氯乙烯（PVC），而有机膜多应用于膜生物反应器。

表2膜分离过程及目标

2.2膜污染影响因素

膜污染是指在处理物料过程中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜发生物理化学相互作用或机械作用而引起的吸附或者沉积而造成的膜表面覆盖及膜孔堵塞现象。

膜污染后造成膜通量下降，过膜压力增大，截留效率下降等。

发生膜污染的机理可归结为五个步骤[8]：

1.溶质或胶体吸附在膜内或膜上，2.污泥絮体沉积在膜表面，3.膜表面形成滤饼层，4.由于剪切力的作用污染物脱落，5.长期运行中污染物发生变化。

膜污染的类型主要由三种：

无机污染、有机污染、微生物污染[9]。

膜污染中的影响因子纷繁复杂，主要来自三个方面：

膜的性质、操作条件和活性污泥混合液性质。

2.2.1膜的性质

膜的性质主要包括膜材料、膜孔径大小及其分布、膜表面的粗糙度及空隙率、电荷性与憎水性等物理化学性质，这些性质都会直接影响膜污染。

Choo[10]等研究了厌氧MBR中不同膜材料的污染情况，结果表明，在同样运行条件下，聚偏氟乙烯膜的污染明显小于聚砜膜和纤维素膜。

Choi[11]等的研究结果表明，膜表面粗糙度的增加使膜表面吸附污染物的可能性增加，同时增加的表面的挠动程度又阻碍了污染物的沉积，因此粗糙度是二者综合作用的结果。

2.2.2操作条件

操作条件与膜污染密切相关，对膜污染产生影响的操作条件包括水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）、温度和PH、溶解氧（DO）、膜通量、错流流速和曝气强度、污泥负荷、操作压力、进水性质组成等。

许多研究表明SRT的增加可以减少溶解性微生物产物（SMP）和胞外聚合物（EPS）的产生，相应的膜污染率会降低；HRT会影响活性污泥中细菌的生长，和MLSS浓度，从而对膜产生间接的影响；对于所有膜过程，膜通量的升高都会引起膜污染的加剧，因此选择合适的膜通量对于MBR的运行至关重要。

2.2.3混合液性质

MBR中膜污染物质的来源是活性污泥混合液，混合液对膜的污染极其复杂，包括MLSS、EPS和SMP、污泥颗粒大小分布、胶体粒子以及溶解性有机物大分子、污泥表面的电荷性和沉降性能、混合液的黏度等等。

2.3膜污染的控制方法

通过以上对膜污染影响因素的讨论，我们可以从以下3个方面探讨膜污染的控制方法：

膜表面的改性及膜组件的优化、对操作条件的优化和改善活性污泥混合液的性质。

通过对膜表面的改性，提高膜的亲水性，可以有效地提高膜的抗污染性。

J.Pieracci[12]等的研究表明，改性后的膜可以增加25%的膜通量，减少49%的膜污染。

当前膜表面的改性方法主要有等离子体改性、辐照接枝改性、表面化学反应改性以及表面活性剂改性等。

通过优化膜组件的结构，合理布置膜组件的位置，可以有效地减缓膜污染。

在膜组件的设计和布置过程中，应考虑膜组件与墙体、曝气器之间的距离，尽量减小死角空间和滞留区域的面积，防止滞留物在该区域变质，增大膜污染的几率[13]。

在次临界通量下运行,通过控制过滤过程、曝气在膜表面的冲刷、间歇式操作,来减少泥饼层在膜表面的形成。

通过投加粉末状活性炭（PAC）改善混合液的过滤特性等等。

2.4膜的清洗方法

针对造成膜污染的影响因素，及时有效的清洗方法可以很大程度的缓解膜污染，恢复膜组件的过滤功能。

膜的清洗方法主要有物理清洗、化学清洗和消毒剂清洗[14]。

2.4.1物理清洗

物理清洗指的是利用热能、电流、超声波、紫外线、机械方法或者反冲洗方法去除膜表面污染物。

一般有反压清洗、低压高速冲洗、等压高速流冲洗等[15]。

这种清洗方法清洗步骤简单方便，不会对环境造成二次污染，同时也不会对膜组件造成很大的损害，对人体健康的损害也很小。

但是这种方法清洗不够彻底，只能对吸附在膜表面较为松散的凝胶层有效，目前尚未被广泛应用。

2.4.2化学清洗

化学清洗是利用某些化学药品的反应能力或者某些水溶液来清除膜表面粘着性强的污染物。

化学清洗一般包括在线化学清洗和离线化学清洗[16]。

在线化学清洗是将一定浓度的化学清洗液依靠重力从中空纤维的一端流向另一端，将膜内滋生的微生物杀死，再使微生物残体随出水流出。

离线化学清洗是将膜组件从MBR中取出后浸泡到装有配好的化学清洗液的清洗池内，浸泡一段时间，再用清水将膜表面清洗干净。

这种方法作用比较强烈，反应比较迅速，适合清洗形状比较复杂的物体，但是清洗产生的废液排放到环境中会造成二次污染，所以需要假设废水处理设备。

化学清洗对清洗液的选择也非常重要，当选择不当时，会对清洗物造成损失破坏，甚至对人体健康也会造成危害。

常用的有碱清洗、酸清洗、表面活性清洗、络合剂清洗和酶清洗等[14]。

2.4.3消毒剂清洗

常用的消毒剂清洗有次氯酸钠和双氧水，利用其较强的氧化能力在杀菌消毒的同时有效的去除膜表面和膜孔中的有机物。

它们反应速度快，只需很短的清洗时间缺点是腐蚀性太强，溶解的氯气等会刺激人的呼吸系统。

3MBR在污水中的应用

3.1MBR在生活污水处理中的应用

在我国，MBR技术最早应用于生活污水的处理与回用。

生活污水经MBR处理后出水水质指标（磷除外）优于GB/T18920-2002《城市污水再生利用城市杂用水标准》。

另外，MBR技术代替了二沉池，节省了空间，可就地处理和就地回用。

也不需要大量的管网铺设，节省了资金。

MBR适合于生活小区，大学校园，写字楼，宾馆酒店，工业园区，高速公路服务区等地的污水处理。

2008年，奥运会香港马术比赛场就应用了MBR工艺；2010年，上海世博会将MBR用于世博园未来馆的污水及雨水收集净化与循环使用工程，还用于世博园区内所有直饮水设施。

3.2MBR在工业废水处理中的应用

工业废水具有有机物浓度高、化学成份复杂、有毒有害物质多、难生物降解等特点，传统处理方法难以有效去除。

MBR因其高效的生物降解和良好的净化效果使其在各种工业废水处理中得到了关注和研究应用。

3.2.1处理印染废水

印染废水有机物含量高、色度深，水质变化复杂，传统活性污泥法无法有效去除，而MBR由于自身特点，能有效的对印染废水进行处理。

Sostar等使用超滤膜和反渗透膜联合处理一家印染厂的活性染料废水，COD、色度、TOC、总磷的去除率分别为94%、99%、85%、97%［17］。

我国关于处理印染废水的应用研究也取得了一定的进展。

邹海燕等利用生物铁－SMBR法处理模拟印染废水，对COD、染料、氨氮的去除率分别高达92.5%、82.3%、96.4%［18］。

2009年，李静梅等以某印染厂生产废水为实验对象，通过控制关键工艺研究其对A/O型序批式MBR运行特性的影响，确定了MBR工艺的最佳运行条件。

3.2.2处理啤酒废水

目前国内外普遍采用厌氧与好氧组合工艺来处理啤酒废水，从应用情况看，主要存在以下问题：

工艺流程普遍较为复杂，尤其是厌氧过程的维护和管理难度大，HRT较长导致的污水处理工程占地面积大和基建投资高等。

而啤酒废水本身就缺少氮、磷等营养物质且极易发生污泥膨胀，影响最终的出水水质。

因此，工程上采用UASB-MBR工艺，利用膜组件代替传统的二沉池，在一个反应器内完成生物降解和固液分离，简化了工艺流程，减少了占地面积和基建投资，也不必担心污泥膨胀影响出水水质，最重要的是可达到《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中的一级标准。

3.2.3处理焦化废水

焦化废水是在煤的高温干馏、煤气净化过程中产生的废水。

含有大量酚类、氰、氨氮、氟离子、各种难降解有机污染物和其他有毒有害物质，且各种污染物以胶体的形式存在，性质很稳定，因此焦化废水是很难处理的一类工业废水。

MBR工艺与电解法相结合，使处理焦化废水得以实现，电解可以去除部分挥发酚、混凝气浮池残留的乳化油、氰化物，再经过MBR工艺去除废水中大部分SS、有机物、氨氮。

比传统工艺的COD去除率提高了30%，氨氮去除率提高了50%，SS去除率高达到100%［19］。

3.2.4处理油脂废水

油脂废水中含有大量的动植物油、脂肪酸和胶质等有机物质，是一种高浊度、高色度、高油脂的有机工业废水，如果不经过有效处理而排放会对水环境产生严重危害。

目前，用于油脂废水深度处理的技术包括气浮、无机膜过滤等。

Mongkolthanaruk等［20-21］采用MBR对工业含油废水进行处理，发现能有效去除工业含油废水中的难降解有机物。

刘新基等研究结果表明[22]，膜生物反应器处理油脂废水，有着高效的去除效率。

对于COD、油、TOC、氨氮和BOD5的去除率分别为85.2%、93.8%、88.4%、51.3%和97.5%，BOD5、氨氮均达到国家一级排放标准。

3.3MBR在生活垃圾渗滤液处理中的应用

生活垃圾卫生填埋场的渗滤液成分十分复杂,其中各类有机物成分多达100种以上[23]，含有多种难降解有机成分，SS、BOD、TN、COD和金属离子浓度高、毒性强、水质水量波动大，采用传统废水工艺处理很难达到排放要求。

需要增加MBR工艺来提高TN的去除率。

Visvanathan等［24］采用MBR工艺处理垃圾渗滤液，系统对COD和氨氮的去除率分别79%和75%。

申欢等［25］采用浸没式膜生物反应器处理垃圾渗滤液。

结果表明，COD的去除率为65%～84.2%，COD的去除率随水力停留时间的延长而增加。

3.4MBR在畜禽养殖废水处理中的应用

畜禽粪便和废水中含有大量有机物、N、P、K、SS及治病菌等污染物并有恶臭，未经处理的高浓度有机废水集中排放，大量消耗水中的溶解氧，使水体变黑发臭，或造成水体的富营养化，还使地下水的硝态氮或亚硝氮浓度增高。

许多畜禽养殖带来的污染已经成为已经成为当地环境主要污染源。

龙用波［26］等对MBR处理畜禽废水的效果研究结论表明，MBR对畜禽废水的处理效果较好，CODcr的去除率基本稳定在95%～97.5%之间、对氨氮的去除率也稳定在92%～96.6%之间；当操作条件是温度25℃、DO为4.5mg·L-1、HRT

为12h时，各污染物的综合除去效果达到最佳，此时MBR系统对畜禽废水中CODcr的去除率高于96%、对氨氮的去除率高于93%、对总磷的去除率也能保持在40%以上。

3.5MBR在医院污水处理中的应用

医院污水中含有一些特殊的污染物，如药物、消毒剂、诊断用剂、洗涤剂，以及大量病原性微生物、寄生虫卵及各种病毒，如任其排放，必然会污染水源，传播疾病。

从可持续性发展的观点出发，MBR处理医院污水是一种既可提高处理效果又可在源头上降低处理后水体毒性的有效方法。

张颖等［27］采用MBR处理医院污水，MBR采用全封闭负压运行，出水水质良好。

臧倩等［28］采用以MBR为主体的工艺处理医院废水，整套装置运行稳定，出水水质低于《污水排放综合标准》（GB8978－1996）二级标准，部分水质指标低于一级排放标准。

3.6MBR在中水回用中的应用

目前国内面临着水资源紧缺的问题,许多城市不得不采取限量供水和超量用水加倍收费等措施，因此中水回用对于合理用水和节约水资源势在必行。

MBR用于中水回用具有明显的竞争优势，具有良好的环境效益和经济效益[29]。

常颖等[30]采用复合式MBR进行了小区污水处理和回用的试验研究，结果证明污水中CODCr、BOD5、NH3、N和TN的平均去除率分别为94.5%、99.3%、99.4%和84.7%，出水满足CJ25.1-89《生活杂用水水质标准》，经消毒后可用于小区绿化、冲厕、扫除、洗车等场合；贾海涛等[31]用MBR对电镀厂废水进行了处理，实验表明，出水中几乎无悬浮物和浊度，对有机物和含氮化合物的去除效率很高，水质良好，同样符合CJ25.1-89《生活杂用水水质标准》。

总之，MBR的应用及其广泛，还包括在制药废水、食品废水，化工废水、炼油废水、碱厂废水等各个方面的应用，都取得了不错的效果。

但MBR在发展过程中面临着各种实际应用的难题。

相关科研人员也在对这些难题进行深入的研究和改进，推动MBR在污水处理中更广泛的应用。

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