MBR工艺在住宅小区中水回用中应用分析

1、概述
由于“水危机”的困扰，越来越多的国家和地区积极在探索巩固和加强节水意识，加强对城市废水再生与回用研究。城市污水回用主要是把城市居民中的生活和生产中所使用过的水经过一
定的技术处理之后进行回用。目前，城市污水回用主要分为两种，一种是把污水处理后达到可以饮用的程度，还有一种是把污水处理后达到非饮用的程度。就第一种而言，其投资成本高、工艺复杂，对于不是特别缺水地区使用面不广。而真正将污水处理达到第二种情形的较多，即“中水”，就是把人们的生产或生活用过的优质杂排水（不含粪便和厨房排水）、杂排水（不含粪便污水）以及生活污水经集中再生处理后回用，广泛被应用在地面清洁、城市绿化用水以及洗车等与人体不直接接触的杂用水。MBR（即膜生物反应器）工艺综合了膜分离技术与生物处理技术的特点，将二者有机结合起来，达到了污水处理的预期效果，MBR工艺处理小区污水的优势主要表现在：经该工艺处理后的污水水质良好，出水较为稳定，能够直接作为中水回用，此外，该工艺对于设备要求不高，占地面积少，易管理、设备安装简便、设施启动快、处理后的污水没有异味等，在目前污水处理方面广受人们欢迎。因此，MBR工艺也被认为是“21世纪的水处理技术”。
2、MBR工艺原理
MBR工艺技术通过膜组件的截留功能，实现了污水的固态和液态相分离，把其中的污泥截留在反应器中，而液态水则通过膜组件实现外排。因此，就整个MBR工艺来说，其中的膜组件是MBR工艺中最关键的工艺组成成分，膜组件与传统生物处理系统中的二沉池功能相当，能够以某种形式组装为单独的基本单元系列。当前，使用较多的新型MBR技术中，最为核心的两个组成部分主要是：一是将生物滤膜技术与微生物固定化的O/A生物滤池相结合，这一部分对于化学需氧量、生化需氧量以及悬浮物等等主要污染物具有很好的去除效果。目前，实际中固定化生物滤池中大多采用了纳米改性聚氨酯多孔载体，这种多孔载体能够在表面形成好氧功能，孔内厌氧的O/A复合模式，因此，当污水流经O/A复合生物滤池时，通过多次反复经过好氧- 厌氧的处理，实现了最佳的处理效果。二是采用生物滤膜作为出水的终端水质处理，传统的MBR工艺中大多使用高分子滤膜，以取得最佳处理效果，但这种技术的费用较高，当前，使用了生物膜技术，逐渐替代传统的高分子滤膜，降低了运行成本，利用生物膜的机械过滤和生物吸附，从而提高了污水的处理效果，出水中的残留的少量有机物等污染物被去除，能够保证达到中水回用的标准和效果。
MBR工艺所使用的是膜组件来替代传统生物处理技术中的二沉池，这也是该工艺的最显著的特点之一。原水在处理前先经过膜组件的生物降解，大分子物质被截留在膜组件环节，此外，在膜生物反应器内，固液混合液在膜组件两侧压力差的作用下，反复经过厌氧、好氧处理后，一些不易被降解的大分子溶质和有机物被截留在膜生物反应器中，从而实现出水水质达标排放。 
3、膜生物反应器（MBR）的工艺种类

表1 膜生物反应器（MBR）根据不同分类标准划分种类
3.1 分置式膜生物反应器（MBR）
分置式MBR膜组件，也即将生物反应器与膜组件进行分开放置，当污水流经生物反应器时，会在循环泵内的增压下打至膜组件中实现过滤，混合液在外力作用下，透过滤膜，成为系统处理水，因此，分置式MBR中滤膜过水排放后，浓缩液回流至反应器内，因此，分置式MBR工艺也称交叉流式MBR。分置式MBR工艺的优势主要表现在：（1）经过实际的大量应用，在技术方面非常成熟，在污水处理的运行过程中十分稳定可靠；（2）分置式实现了膜组件与生物反应器的分开放置，因此，在后期膜组件清洗和更换方面更为便捷，易于管理。但分置式膜生物反应器也有其一定的劣势所在，主要表现在分置式放置，产生较大的动力消耗，对水循环要求较高，保持反应器内有足够量的污水处理以实现循环，因此，在后期的运行过程中所造成的运行成本费用较高。
3.2 一体式膜生物反应器（MBR）
一体式膜生物反应器最早是在1989年首次提出，最早提出的是日本学者Yamamoto。一体式MBR是把膜组件放入到生物反应中，在生物反应内利用抽吸泵的功率运行，达到过滤液的效
果。一体式MBR工艺的生物反应作用过程是：利用新型纳米材料作为反应罐填料，孔隙内附着生长厌氧微生物，表面多为好氧微生物，经过膜反应器截留后，难降解物质将被截留在填料内部，在厌氧条件下水解酸化、流出，被好氧菌分解，经过一段时间沉淀后，好氧菌死亡后释放出生命物质又回被厌氧菌分解成可以继续利用的有机物，在实际应用方面大大减少了污泥量的产生。在一体式MBR中，生物膜的作用过程主要是：在空隙内附着生长微生物，处理的污水全部流经生物膜，携带的污染物被生物膜吸附和截留，被生物膜吸附、截留的污染物，最终会被微生物降解，从而降低了膜污染程度，也延长了膜生物反应器的使用寿命。与分置式相比，一体式生物反应器最大特点是运行能耗低，设备简单、占地空间小、整体性强等，仅需要地面夯实，直接放置一体化处理装置即可。后期的运行维护方面，一体化MBR在正常情况下自动运行，无需专人职守，若需要除磷要求，需人工调配除磷药剂，一般是运行3~6个月左右从生物罐底部排水阀快速放水。但容易造成污染，膜污染后不容易清洗和更换。而且不能连续出水，运行的稳定性较差。
3.3 复合式膜生物反应器
复合式MBR是在生物反应器中添加了部分填料，改变了一体式MBR的部分性状，形成了一种复合式MBR，因此，严格来说，也属于一体式MBR。
4、用于中水回用的优势和不足分析
4.1 优势
MBR工艺在中水回用中的应用，对水质提出了相应的要求，一方面，经过处理之后，既要保证出水的水质达标排放，也要保证出水在视觉或者嗅觉方面不会让人产生不快，而MBR工艺兼具了生物反应器工艺和膜分离工艺的特点于一体，易于管理，能够保证经处理后的水质优良，可以实现直接回用，占地的面积较小，出水稳定，工艺处理性能受到水质以及水量的波动影响较小，不会产生二次污染，在城区以及人口聚居区非常实用，这一优势更加明显。
4.2 不足
膜生物反应器工艺在城市污水处理中也存在一些不足，主要表现在：膜组件的造价较高，一直成为制约该工艺推广的主要制约因素之一，膜组件成本使得工程投资成本增加了三成至五成；此外，泥水分离的驱动需要较大压力，以及高强度的曝气等等，为了减轻膜污染需要增大流速，这些都导致了运行中能耗高，增加运行成本。膜组件在运行中损耗较大，一般使用寿命在5年左右就需要更换一次，日常的膜组件清洗也较为繁琐。
5、膜生物反应器在中水回用中的实际应用分析
城市小区污水主要表现在污染物浓度低，可生化性好等显著特点，因此，MBR中水处理工艺（如图1）在现实中得到了广泛的应用。以保定市污水处理能力为16×104t/d为例计算，采用膜生物反应器工艺每年可取得直接经济效益约4000万元；以河南某大学园区2000m3/d为例计算，采用膜生物反应器工艺后，最后的废水处理运行的总成本约为0.55元/m3；以南京市某冶金设备有限公司办公区与生活区生活污水排放量24m3/d计算，每年可节省水费9250元，不考虑价格因素的话，该项工程的投资成本在6~7年内便可收回。

图1 MBR 中水处理工艺流程
目前，中水回用能够有效缓解水资源匮乏。MBR作为一种新型高效的污水处理与回用工艺，在水资源短缺，水体污染日益严重，环境意识不断增强的情况下蕴藏着巨大的生机。在社区、宾馆、旅游区等地具有很好的应用前景。