MBR工艺在废水处理中应用进展

膜生物反应器(Membrane bioreactor，MBR)是一种将膜分离技术和生物降解技术有机结合而成的新型水处理技术。该工艺利用膜分离设备将生化反应池中的大分子有机物和活性污泥截留在池中，从而可完全省掉二沉池；它几乎能将所有的微生物截留在生物反应器中，使得反应器中保持很高的微生物量，污泥龄可以很长，使出水中的有机污染物含量降到最低，有效地去除氮、磷污染物，因此，MBR工艺具有许多其它生物处理工艺不可比拟的优势。在应用方面，MBR工艺既可用于生活污水的处理，也可用于难降解工业废水的处理，经处理排出的水还可以作为中水回用，所以MBR工艺具有广阔的应用前景。
1、MBR工艺概述
1.1 MBR工艺净水原理
MBR工艺首先利用生物反应器中微生物的降解作用对废水进行处理，再经过膜的高效分离将大分子有机物和活性污泥截留在生物反应器当中。通过膜的分离技术大大强化了生物反应器的处理性能，使活性污泥浓度大大提高，MBR工艺的水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)可以分别进行控制，提高了工艺的操作性。
1.2 类型
MBR的主要类型如表1所列。

分类依据	种类
膜组件功能	膜—曝气生物反应器、萃取膜 生物反应器、膜分离生物反应器
膜组件与生物反应器组合形式	分置式、一体式、复合式
膜组件形式	管式、板框式、中空纤维式
压力驱动形式	外压式、抽吸式
生物反应器类型	好氧型、厌氧型

表1 MBR的分类
1.3 特点
1.3.1 MBR工艺的优越性
(1)出水水质稳定。MBR能够进行高效的固液分离，膜单元能够截留可溶性大分子化合物和微生物，出水水质良好，可进行回用。
(2)耐负荷冲击。MBR的微生物浓度远高于其他生物反应器，装置能够处理的容积负荷大，当进水的有机物浓度变化较大时，单位质量微生物在单位时间内处理的有机物质量，即有机负荷率变化不会很大，那么系统的处理效果也不会有很大变化。
(3)工艺流程简单，工艺参数易于控制。
(4)剩余污泥量少，降低了污泥的处理费用。
(5)对氨氮和难降解有机物的去除效果良好。
(6)操作管理方便，易于实现自动化。
1.3.2 MBR 工艺的不足
(1)膜组件造价高，工程投资较大，比常规处理方法高30%~50%。
(2)膜容易被污染，需要定期进行清洗，给操作管理带来了不便。
(3)能耗较高，因为泥水分离过程需要一定的膜驱动力，而且生物反应器中污泥浓度很高，要有足够的氧传递速率，需要加大曝气量。
(4)目前的膜寿命都比较短，膜组件一般只能使用5 年左右，需要到期更换，进一步增加了运行成本。
2、国内外研究与应用进展
2.1 国外研究与应用进展
1966 年Dorr-Oliver公司第一次将膜技术用于废水处理。1969年美国的Smith首次结合活性污泥法和超滤膜组件进行城市污水处理的研究，该研究中用膜分离技术取代了二沉池，形成了
MBR工艺的雏形。20世纪70年代初期，MBR处理城市污水的研究规模进一步扩大，但由于膜生产技术的限制，20世纪70年代中期好氧MBR才开始在北美得到应用。
20世纪80年代，随着膜材料的发展，MBR工艺也得到了迅速发展。由于日本国土面积小，地表水体因径流距离短而导致自净能力差，MBR技术得到大力研究和应用。1983~1987年，日本就有13家公司使用好氧MBR工艺处理大楼废水，处理后的水进行中水回用。1985年日本的“水综合再生利用系统90年代计划”大大推进了MBR的处理对象和规模。
20世纪90年代以来，MBR工艺得到迅猛发展，并逐渐进入应用阶段，许多欧洲国家将MBR用于生活污水和工业废水的处理。世界上第一套大型MBR安装于美国俄亥俄州Mansfield的通用电机厂。由于高效的污水处理能力和中水回用效率，MBR在近年维持着每年高于10%的增长率。目前，世界上设计运行能力最大的MBR废水处理工程是位于美国华盛顿州金县的布赖特沃特污水处理工程，主体工程2011年9月开始运营，设计处理量为13.6 万m3/d，预计到2040年处理量将要达到20.4万m3/d。近年来，人们对MBR 工艺的研究和应用领域更加广泛，该技术正在逐渐趋于成熟。
2.2 国内研究与应用进展
我国对 MBR工艺的研究起步较晚，至今只有十多年的时间，但发展十分迅速。1991年，我国首次报道了MBR在日本的应用情况，此后，MBR在我国污水处理方面的研究和应用逐渐展开。在我国率先进行MBR工艺研究的主要是一些高等院校和科研单位，1992年天津大学开展了利用中空纤维膜进行泥水分离的研究，对MBR处理污水及回用进行了研究。清华大学钱易教授的团队承担了九五科技攻关课题“膜生物反应器处理染料等工业废水研究”，863重大课题“新型膜生物反应器的研制与应用”等一系列重大科研项目。中国科学院生态环境中心的樊耀波、郑祥等较深入研究了MBR反应器在石化废水及毛纺废水的应用。随着研究的逐渐深入，MBR的处理对象延伸到石化废水、高浓度有机废水、食品废水、啤酒废水、矿区废水、印染
废水、养殖废水等，对不同废水的处理效果、系统运行稳定性、操作条件的优化等方面均进行了广泛深入的研究。
目前我国的MBR工艺虽较多处于实验室研究阶段，但也有不少应用于实际工程。截至2013年底，我国已有50多个规模超万吨的MBR工程投入到运行中，累计处理能力超过230万吨/天。
MBR工程在华北地区主要用于市政污水处理和再生水回用，在东南地区主要用来处理高浓度有机废水与难降解工业废水。预计到2015年，我国投入运行和在建的MBR系统累计处理能力将超过500万吨/天。表2列出了我国部分MBR工程的应用情况。

单位	原水类型	水处理量/(m3·d-1)	投运年份
北京密云再生水厂	市政污水	45000	2006
北京北小河污水处理厂	生活污水	60000	2007
内蒙古金桥电厂	电厂废水	31000	2006
无锡硕放水处理厂	生活污水	20000	2009
广东惠州大亚湾石化	石化污水	25000	2006
天津医科大学总医院	医院污水	1000	2005
徐州卷烟厂污水处理及中水回用项目	卷烟废水	2000	2007
安徽省某新农村社区污水处理站	农村污水	500	2012

表2 我国部分MBR工程
从表2可以看出，我国MBR工艺的实际应用领域已经扩展到生活污水、工业废水、卷烟废水、医院废水等各个行业。
3、研究热点与前景展望
3.1 膜污染
3.1.1 膜污染及其危害
膜污染指的是与膜接触的污水中的胶粒、微粒以及溶质分子等在物理、化学、生化作用和机械作用下，在膜表面或膜的微孔内积累、沉积，微生物在膜表面积累，使得膜孔径变小和堵塞，使膜通量和分离特性大幅度下降的现象。膜污染的产生直接导致膜通量的下降，大大缩短了膜的使用寿命，就需要增加更换膜组件的频次，从而提高了MBR系统的运行成本。
3.1.2 膜污染的来源
(1)微生物产生的胞外聚合物(EPS)。EPS主要是在一定环境条件下，微生物在其代谢过程中分泌的包围在微生物细胞壁外的多聚化合物，主要成分为蛋白质和多糖。EPS的积累会引起混合液粘度的增加，容易在膜表面形成凝胶层，导致膜过滤阻力增加。
(2)溶解性有机物质(SMP)。SMP主要是微生物基质分解过程和内源呼吸过程中产生的腐殖质、多糖和蛋白质等物质。这类物质极易堵塞膜孔，而且还会对污泥活性产生影响引起严重的膜污染。
(3)污泥浓度。MBR中的污泥具有较高的污泥浓度和SRT，随着污泥浓度增加，污泥和污水的粘度都会随之增加，一方面使得污泥在膜表面沉积，另一方面影响氧气传质效率，两方面的原因都会加剧膜污染。
3.2 膜污染的控制措施
(1)改善膜性质。通过化学改性将疏水性膜转变成亲水性膜，亲水膜与水分子之间形成氢键，能够在膜表面形成一层水分子层，对保护膜免受污染有积极作用。常用的改性方法有接枝、共聚、交联、等离子或放射性刻蚀等。
(2)优化膜组件设计。膜组件的优化设计包括膜材料和膜结构的优化以及合理的流道结构和装填密度。膜材料通常选用亲水性的，膜结构一般选用不对称结构，可降低膜孔堵塞。还需要结合水力条件，合理设计膜组件与曝气装置间的距离，既不影响气体传质效率，又能提高液体的上升速率以减轻污泥在膜表面的积累。
(3)优化操作条件。对操作条件的优化包括寻找系统的最佳错流速度，选择合适的临界膜通量，进行间歇抽吸操作，采取合理的曝气强度，选用合适的操作温度。在上述条件的综合作用下，可减小膜阻力、改善膜的通透性、最大程度减轻膜污染，从而延长膜的使用寿命。
(4)改善混合液特性。与膜直接接触的混合液是造成膜污染的根本原因，所以对混合液进行有效的预处理，可以起到优化混合液性质的作用，有助于减轻膜污染。向混合液中投加填料也是一种改善混合液性质的途径，通常投加的是粉末活性炭、沸石、絮凝剂、泡沫填料等。
3.3 MBR工艺前景展望
由于该工艺存在膜组件价格昂贵、膜污染控制难度大、膜清洗不彻底等问题，今后MBR工艺的研究重点将集中在以下几个方面：
(1)膜污染的机理和控制技术。利用新技术和新方法探究膜污染的机理，才能制定出更加简单有效的控制措施来减缓膜污染的发生。
(2)研发高效、高性能、耐污染和经济可行的膜材料。开发出新型耐污染的膜将大大推动MBR工艺的应用。
(3)优化MBR工艺的整体运行流程和运行条件，保证更良好稳定的处理效果，降低能耗。
MBR工艺由于其对废水的处理效果良好，可满足中水回用的要求而受到广泛关注和研究，在水资源逐渐匮乏的今天显示出良好的发展潜力和应用前景。但尚需要解决其工艺流程和运行条件的优化、膜污染的机理与有效控制途径、经济型膜材料的开发等问题，才能进一步推广MBR工艺的应用，使其成为今后替代传统废水处理工艺的有力竞争者，为我国的废水处理行业提供一种高效并且经济可行的选择，为缓解水资源短缺问题做出贡献。