关键词: 膜生物反应器; 污水处理; 膜污染; 工艺改进
膜生物反应器( Membrane bioreactor，MBＲ) 是 传统生物处理单元与膜分离技术有机结合的新型 高效污水处理技术，相比于传统的污水处理技术在 处理效率和经济效益上都有大幅提升． 膜分离技术 用于污水处理起源于 20 世纪 60 年代末，研究人员 采用膜分离技术代替二沉池用于污水处理，形成了 膜生物反应器的雏形． 但由于当时技术的限制使得 膜污染的问题无法得到有效解决，膜生物反应器因 此并没有受到人们的广泛重视． 进入 20 世纪 80 年 代，随着膜材料的开发利用，膜清洗与再生技术的日趋成熟，膜生物反应器技术得到实质性的发展． Zenon 公司首先实现将 MBＲ 技术用于商业化生 产［1 － 2］． 在亚洲，日本最早将膜技术用于水的处理 回用列入到国家科研规划中，并在厌氧膜 － 生物组 合工艺上取得突破，进一步推动了 MBＲ 工艺的发 展［3］． 膜生物反应器技术在 20 世纪 90 年代迎来其 发展的黄金时期，各国纷纷加入对 MBＲ 技术的开 发研究，关于膜污染、微生物代谢特性、工艺流程及 运行条件优化的研究不断深入． Nagaoka ［4］报道了 细菌胞外聚合物对膜污染的影响，Hang-SikShint ［5］ 研究了溶解性微生物产物( SMP) 随污泥停留时间 ( SＲT) 的变化规律． Yamamoto ［6］为节约能耗，首次 提出直接将膜组件置于曝气池中，进行了一体式膜 生物反应器用于污水处理的研究． 近几年，MBＲ 组 合工艺受到越来越广泛的关注，将 MBＲ 与其他技 术耦合开发新型膜生物反应器已成为一种新的研 究趋势． 随着膜污染研究的不断深入，人们在膜的 改性研究和开发新型膜材料方面也取得了一些成 果． Li 等［7］制备出含 TiO2 纳米颗粒的 PVDF 自组 装膜，显著提高了膜的渗透性和防污能力． Tian 等［8］利用渗透汽化技术在常压下合成一种高渗透 性的聚合物膜材料，在废水处理方面具有广阔的应 用前景． 我国对于膜生物反应器用于污水处理的研究 起步较晚，但发展迅速． 1991 年，岑运华［9］报道了 膜生物反应器技术在日本的应用研究进展，随后国 内各高校和科研机构纷纷致力于膜生物反应器的 开发研究． MBＲ 技术的发展在国家科技部的大力 支持下取得了长足的进步． 近年来，我国 MBＲ 技术 取得了深入发展，在 MBＲ 组合工艺、MBＲ 的经济 性研究、金属离子对膜污染的影响等方面取得了一 系列研究成果． 随着全球水资源的日益匮乏及水污 染的日益加剧，膜生物反应器技术越来越受到广泛 重视，人们期望通过改进污水处理技术实现对水资 源的循环利用． 因此，膜生物反应器在污水处理中 的应用研究前景十分广阔．
1 MBＲ 工艺介绍
1． 1 MBＲ 的原理
膜生物反应器将现代膜技术与生物反应器有 机结合． 其原理是在反应系统中微生物附着在特定 载体表面，当污水流经反应器时微生物会对其中的 污染物进行吸附降解，一段时间后会形成一个较为 完备的微生物降解体系． 膜的截留作用可保留世代 周期较长的微生物并使污水处理效率及出水的质得到大幅度的提升．
1． 2 MBＲ 的分类
MBＲ 主要由生物反应器、膜组件、控制系统三 部分组成． 根据是否需氧可分为好氧型膜生物反应 器和厌氧型膜生物反应器． 根据膜组件的作用可分 为固液分离膜生物反应器、萃取膜生物反应器和膜 曝气膜膜生物反应器． 根据膜组件与生物反应器的 组合方式可分为外置式和一体式两种． 外置式的膜 分离装置置于生物反应器外，污泥混合液经膜分离 后其中的污泥被膜拦截流回生物反应器内． 一体式 膜生物反应器将膜分离技术与生物技术有机结合， 膜组件被置于反应器内，利用膜分离装置截留反应 池中的活性污泥和有机物质，替代传统的二沉池， 大大提高反应池中的生物量，并实现了对污泥停留 时间和水力停留时间的分别控制．
1． 3 MBＲ 的工艺特点
1． 3． 1 出水水质高
污水在 经 过 膜 生 物反应器的处理之后，含 COD 和 BOD 的量、水的浊度均显著降低，水质达 到了生活用水的水质标准．
1． 3． 2 分离效果好、排污能力强
MBＲ 技术中，膜的分离作用可使系统对游离 细菌及污染物进行有效拦截，使得固液分离效果较 传统的二沉池重力沉降分离效果更好，不会由于污 泥膨胀导致出水水质恶化． 同时，可根据实际需要 对结构进行增筑，增加模组数量，提高污水处理 效率．
1． 3． 3 自动化程度高
设备操作维护容易，可实现自动化控制，占地 面积小，便于管理．
1． 4 MBＲ 中膜污染的形成机理及控制对策
MBＲ 在持续运行的过程中，污染物会不断在 膜组件中沉积，造成膜堵塞形成膜污染． 有研究表 明，膜污染已成为制约 MBＲ 工艺发展的最主要因 素． 在 MBＲ 运行过程中，膜过滤阻力随过滤时间的 变化曲线分为三个阶段: 即第一阶段和第三阶段为 急剧上升阶段，第二阶段为缓慢上升阶段． 在膜生 物反应器开始运行的一段时间内，在抽吸作用下， 胶体等悬浮颗粒移动速度较快，在通过膜组件时部 分胶体悬浮颗粒会堵塞膜孔，污水中的部分溶质也 会因吸附作用被吸附在膜上，使膜过滤压力急剧上 升． 随着过滤时间的变长，污水中的污泥絮体会吸 附在膜表面，但由于其直径较大，使得吸附过程变 的十分缓慢，在这些污泥絮体在膜表面形成污泥层 的过程中，这些污泥絮体在很大程度上阻挡了胶体颗粒与膜的吸附，因此表现为第二阶段膜过滤阻力 随过滤时间的增加而缓慢增加． 在抽吸力的不断作 用下，附着在膜表面的污泥层会被不断压密，压实， 进而导致膜过滤阻力的急剧上升，形 成 第 三 阶段［10 － 11］． 影响膜污染的因素可划分为 3 类: 膜组件( 膜 材料、膜孔径、膜构造) 、操作条件( 错流与紊流，压 力) 、污泥混合液特性． 降低和减缓膜污染，要从优 化改进膜组件、改变悬浮液特性、降低入膜活性污 泥混合液质量浓度和膜上污染物的脱落清除四方 面入手．
1． 4． 1 优化改进膜组件
膜组件的优化设计应充分考虑膜组件的放置 方式与水力形态的关系、中空纤维膜的管径与长度 的关系两方面． 通常人们习惯把中空纤维膜组 件浸没在生物反应器中利用重力作用和真空抽吸 获取稳定膜通量． 通过中空纤维膜获取稳定膜通量 的效果取决于以下因素: 气泡的数量和特性、膜丝 的放置方式( 横向或轴向于气泡流) 、膜丝长度、装 填密度、污泥质量浓度等． Chang 等 试验表 明: 没有曝气时膜丝横向放置优于轴向，有曝气时 轴向放置效果更好． 膜丝直径试验结果表明在错流 系统中，无论是否曝气，细膜丝均优于粗膜丝． Judd 等［15］通过模型计算得到当膜丝长度为 0． 5 ～ 3 m 时，适宜的膜丝内径为 0． 2 ～ 0． 35 mm． 活塞流可有 效提高膜通量．
1． 4． 2 改变悬浮液特性
膜污染物主要来自于活性污泥混合液，对其进 行预处理，改变其过滤特性，可有效降低和减缓膜 污染． 具体方法可向生物反应器中加入少量絮凝 剂，使细小微粒发生絮凝和凝聚，减少其在膜面沉 积． Yang 等［16］向 MBＲ 中投放硅藻土发现其氨氮 和 COD 去除率有显著上升． 或向反应器中持续加 入活性炭粉末维持一定浓度，一方面可降低混合液 中含 COD 量，另一方面，活性炭粉末在膜表面沉 积起到疏松滤饼提高过滤效率的作用．
1． 4． 3 降低入膜活性污泥混合液的浓度
具体方法可向生物反应器中加入填料，使悬浮 微生物在填料上附着，这样既能加快微生物对污染 物的分解速率，又可有效降低入膜活性污泥混合液 浓度． 或控制膜的工作通量低于临界通量，延缓 污染物在膜上的沉积速率，延长膜的寿命，控制膜 污染．
1． 4． 4 膜上污染物的脱落清除
设置曝气装置增大曝气量，在膜表面产生水流 剪切作用，引起膜组件附近膜丝振动，加速膜表面 沉积污染物的脱落． 采用间歇出水方式，在停止 出水期间吹落膜表面的沉积污染物． 对于分置式 MBＲ，可通过回流加大膜表面的错流速率，降低膜 污染． 当膜污染达到一定程度时，要对膜组件进行 清洗，保障系统的正常运行，常用的清洗方法有水 力清洗、化学清洗、超声清洗．
2 MBＲ 组合工艺及其发展近况
2． 1 膜曝气膜生物反应器耦合系统
膜曝气膜生物反应器 ( Membrane aeration membrane bioreactor，MABＲ) 是一种将膜技术与生 化处理技术相结合的新型水处理技术． 其中的气体 分离膜可作为微生物生长代谢的载体并为其提供 氧源． 与传统 MBＲ 相比，MABＲ 氧气利用率更高， 对高浓度有机废水有着很好的处理效果． 刘 强 等［20］试验发现，当溶解氧( DO) 为 0． 8 mg /L 时，对 污水中氨、氮和 COD 的去除率分别达 87． 88 % 、 86． 5 % 和 87． 64 % ，证明 MABＲ 具有良好的脱氮 能力和高负载率性能． 近几年，混合 MABＲ 工艺已成为 MABＲ 工艺 新的 发 展 趋 势． Cheng 等 结 合 了 MBＲ 与 MABＲ 两种膜反应器的优点，研发出一种 MABＲ － MBＲ 复合式污水处理装置，该装置对氧的利用率 非常高，可以很好的实现对污水中氮磷的去除． 铁 － 碳微电解 － 芬顿 － MABＲ － 臭氧耦合技术是一 种新型 MABＲ 耦合高级氧化污水处理技术． 铁 － 碳微电解作用可将长链有机物分解为小分子有机 物． 芬顿反应则通过过氧化氢与二价铁离子的混合 溶液将很多已知的有机化合物如羧酸、醇、酯类氧 化为无机态，去除一些难降解的有机污染物． 最后 为达到出水要求，以臭氧氧化作为深度处理进一步 除去 COD． 张慧敏等以铁 － 碳微电解、芬顿反应 作为预处理，膜曝气膜生物反应器为生化系统，臭 氧氧化技术为深度处理处理化工废水，探究了操作 条件对出水 COD 质量浓度的影响． 研究结果表明: 铁碳反应时间为 1． 5 h，pH 值 为 4，芬 顿 反 应 n ( H2O2 ) ∶ n( Fe 2 + ) 和 pH 分别为 9 和 3，经预处理后 的废 水 经 过 MABＲ 后，总 的 COD 去 除 率 高 达 92． 9 % ． 再经深度处理后出水 COD 低 于 500 mg /mL，达到了进入污水处理厂的要求． Wei 等［24］ 设计了一套由水解/酸化预处理，MABＲ 工艺和活 性炭吸附后处理组成的一体式 MABＲ 系统，系统 可有效去除 90 % 以上的 COD 和 98 % 以上的氨， 经后处理后出水水质保持稳定，COD 低于 200 mg /L． Li 等结合 MABＲ 工艺和 O3 － BAC 深度处理 的优点，在油田污水的处理上取得了很好的效果．
2． 2 厌氧膜生物反应器耦合系统
厌氧膜生物反应器( Anaerobic membrane bioreactor，ANMBＲ) 由厌氧反应器和膜分离耦合而 成，是有效结合膜分离技术和厌氧生物处理单元的 新型高效污水处理技术． 在 ANMBＲ 工艺中，厌氧 反应器既能实现污水净化，又能产生大量沼气作为 能源加以利用． 膜的拦截作用实现了水力停留时间 ( HＲT) 和污泥停留时间( SＲT) 的完全分离，大大提 高了有机容积负荷，相比于传统的厌氧生物处理技 术，具有启动时间短、出水水质优良、污泥产量低， 可回收利用沼气能源等的优点． Wang 等 采用 ANMBＲ 处理竹工业废水，最终 COD 去除率达 91 % ，可将绝大多数的有机质除去． Thomson 发现 ANMBＲ 对于烟气脱硫废水( FGD) 来说是一种低 成本且高效的处理方法． 城市污水中的氮磷营养物质得不到有效去除 是制约 AnMBＲ 应用于城市污水处理的严重障碍． 因此，将 AnMBＲ 与厌氧氨氧化技术( Anaerobic ammonium oxidation anammox，ANAMMOX) 耦合开发 新型污水脱氮工艺已成为近年来新的研究热点． ANAMMOX 是在缺氧条件下以亚硝酸盐( NO2 － － N) 为电子受体将氨转化为氮气，同时伴随着以亚 硝酸盐为电子供体固定 CO2 并产生硝酸盐( NO3 － － N) 的生物过程． 较传统硝化 － 反硝化脱氮有 较大优势． 厌氧氨氧化与传统硝化 － 反硝化对比见 表 1．
通过对比可知厌氧氨氧化新型脱氮工艺具有 耗氧量低、节省能源，降低工艺成本的优点． 王朝朝 等采用 AnMBＲ 作为强化富集厌氧氨氧菌的反 应器，以氯化铵和亚硝酸盐为进水底物，通过逐步 缩短水力停留时间，成功实现了厌氧氨氧化的启 动，在整个脱氮工程中，NO2 － － N 和 NH4 + － N 的 去除率均维持在 90 % 以上，总氮去除负荷( NＲＲ) 最大可达 0． 49 ks/( m3 ·d) ，符合厌氧氨氧化化学 反应计量学规律，达到了预期脱氮效果． 张肖静 等运用 ANAMMOX － ANMBＲ 耦合系统考察生 活污水中污染物的处理效果，通过物料衡算计算不 同阶段反应器内脱氮路径，结果总氮去除负荷 ( NＲＲ) 高达 0． 65 ks/( m3 ·d) ，出水氨氮小于 5 mg /L，COD 去除率达 87 % ，取得了理想的去污效 果． 李子音针对 Anammox 菌生长缓慢和膜污染 问题，将驯化的亚硝化细菌与 Anammox 颗粒投入 一体式空气曝气全程自养脱氮 － 膨胀颗粒污泥床 － 膜生物反应器( CANON － EGSB － MBＲ) ． 采用空 气曝气和连续回流的方式启动反应器，考察反应器 的膜运行性能和脱氮性能，结果表明膜的运行周期 相比于无曝气时延长了 5 倍，总氮去除率达 81 % ， 在高浓度氨氮废水处理上取得了很好的效果．
2． 3 移动床生物膜反应器及其改进工艺
移动床生物膜反应器( Moving bed biofilm reactor，MBBＲ) 是一种新型复合水处理工艺． 在曝气过 程中填料在外力作用下和污水充分接触，使得污水 中的微生物不断在填料表面上附着生长，一段时间 的后，填料表面会形成一层生物膜，污水中的污染 物会被生物膜吸附并降解，使水体得到净化． 与 传统 MBＲ 工艺相比，具有空间小、易扩容、不堵塞、 操作管理简单等优点，被广泛用于污水的处理回 收． 廖维等采用 MBBＲ 工艺处理印染工业园区 综合废水，发现废水经 MBBＲ 处理后，COD 下降明 显，MBBＲ 的出水 COD 为 30 ～ 190 mg /L，平均为 100 mg /L． MBBＲ 对 COD 的去除率为 33． 4 % ～ 89． 2 % ，平均去除率为 65． 6 % ． 冯振勇等［34］采用 MBBＲ 工艺对厂区内各排污点的生产废水进行处 理发现出水 COD 稳定在 20 mg /L 上下，系统 COD 去除率平均在 80 % 以上． MBBＲ 的进水氨氮在 5 mg /L 左右，出水氨氮不到 1 mg /L，氨氮去除率达 80 % ～ 90 % ． 虽然移动床生物膜反应器对 COD 和氨氮去除 效果较好，但其在实际应用过程中仍存在生物膜易 脱落、污水处理量少、启动速度慢等问题． 进行悬浮 填料的改性研究，开发新型移动床生物膜反应器已 成为近年来新的研究热点． Shi 等［35］发现使用碳纤 维球填料可在曝气池中快速形成生物膜，在不同运 行条件下对氨氮的去除率也优于聚乙烯塑料填料． A H Sayyahzadehd 等用改良的蜂细胞媒介进行 操作，将杏仁壳、核桃壳活性炭颗粒置于介质孔隙 中，改善了炼油废水的处理效果． Yu 等发明了 一种基于 MBBＲ 的 Bardenpho 除氮除磷技术，可根 据悬浮填料的投入量调节硝化负荷和反硝化负荷， 以满足不同的出水水质标准，大大提高污水处理量并减少占地面积． 此外，有试验表明外加磁场作用 能提高微生物对污水中污染物的降解速率． 赵 翔将附加磁场的目标物改为填料，通过填料挂 膜试验探究磁场作用对微生物处理污水的影响． 实 验结果表明，实现磁改性的填料在其表面更容易形 成持续稳定的生物膜，对 COD、氨氮去除率比非磁 性载体高出 5% ～ 10% 左右． 表明在填料表面施加 弱磁场作用可以提高微生物活性，进而提高污水处 理效率．
2． 4 通过引入金属离子优化 MBＲ 工艺
微生物的代谢产物胞外聚合物( extracellular polymeric substances，EPS) 是造成 MBＲ 膜污染的 主要物质，主要成分为蛋白质和多糖． Novak ［39］研 究发现，EPS 中的蛋白质主要分布在污泥絮体的内 层，再对 EPS 中的蛋白质进行提取，发现从中提取 到的氨基酸都有一个共同的特点: 其侧链均携带具 负电性的基团( 含可电离的羟基和羧基) ，在中性 条件下发生水解使 EPS 带负电． 此特性对 MBＲ 膜 污染防治的研究具有重要意义． 人们试图用高价金 属离子絮凝剂如 Ca 2 + 、Al 3 + 、Fe 3 + 等架桥污泥絮体 的负电性官能团，强化生物絮凝作用，改善 MBＲ 污 泥可滤性延缓膜污染． Holbrook 等通过向 MBＲ 中投加 Al 3 + 显著减小了膜的过滤阻力． Wu 等 发现向反应体系中加入金属聚合物混凝剂可有效 改善过滤性能． Ji 等向反应体系中投加常用金 属絮凝剂发现可通过降低膜孔和滤饼阻力显著降 低膜污染速率． 近几年来，通过向 MBＲ 中添加高价 金属离子减缓膜污染的研究已经取得了一定进展， 但关于不同种类及价态的金属离子共存时产生的 协同或拮抗作用的研究还较少，架桥理论的研究还 需深入． 随着分子生物学技术的高速发展，结合分 子生物学技术，深入阐明 MBＲ 中金属离子对微生 物种群动态演变规律的影响也成为可能．
3 结 语
综上，应继续改进和优化 MBＲ 工艺，结合其他 相关技术，研发新型 MBＲ 组合工艺． 加强膜污染机 理及防治研究，开发高通量耐污染的新型膜材料． 探索和搜集各行业膜生物反应器处理污水的试验 参数，进行 MBＲ 工艺流程及运行条件的优化，继续 推动 MBＲ 在污水处理中的应用发展。
原标题：膜生物反应器在污水处理中的应用研究
原作者：刘丰源 ，辛嘉英
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