系统地论述了国外膜生物反应器在污水处理中的研究进展。国外膜生物反应器在污水处理中的应用范围和规模不断增加‚然而‚膜污染依然是影响其推广应用的主要障碍。值得注意的是‚采用空气喷射方式在中空纤维膜内形成活塞流‚可有效减轻膜污染和提高膜通量。经济分析表明中小规模的污水处理厂可能采用膜生物反应器更便宜‚但大规模的污水处理厂宜采用常规工艺。现代分子生物技术为研究和了解膜生物反应器中的微生物群落提供了新的方法和手段。

［关键词］

          膜生物反应器；污水处理；活性污泥

       由于具有出水水质优异‚操作运行简单‚污泥产率低‚占地面积小等特点‚膜生物反应器在污水处理的应用范围和规模不断扩大和增加。然而‚膜污染和目前高昂的投资费用是影响膜生物反应器进一步推广应用的主要因素。随着材料科学技术的发展‚膜材料和膜组件的费用会逐步降低‚但今后膜污染却依旧是膜生物反应器推广应用的主要障碍。目前膜生物反应器在国外的研究和应用发展很快‚因此‚笔者的目的是系统地总结最近国外膜生物反应器在污水处理中的研究进展‚以便为我国膜生物反应器的研究和应用提供有益的借鉴。

        膜生物反应器分为三类：膜分离生物反应器 （Membrane separation bioreactor）（截留和分离固体）；膜曝气生物反应器 （Membrane aeration bioreactor）（无泡曝气‚用于高需氧量的废水处理）；萃取膜生 物 反 应 器 （Extractive membrane bioreactor ）（用于工业废水中优先污染物的处理）。其中‚膜分离生物反应器是应用最广泛的一种膜生物反应器类型。膜分离生物反应器按照膜组件的放置方式可分为分体式和一体式膜生物反应器；按照是否需氧可分为好氧和厌氧膜生物反应器。本文以下部分所述均为膜分离生物反应器。

20世纪70年代后期‚大规模好氧膜生物反应器首先在北美应用‚然后依次是20世纪80年代早期日本（同期南非：厌氧膜生物反应器）‚90年代中期欧洲‚90年代末期中国。膜生物反应器在日本得到了极大的发展‚目前在日本运行（包括在建）的膜生物反应器占全球的66％。在膜分离生物反应器的应用中‚98％以上是好氧膜生物反应器‚其中55％以上是一体式膜生物反应器。膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例见表1。

           

1     国外膜生物反应器的研究进展

1∙1  好氧膜生物反应器处理效果好氧膜生物反应器用于城市和工业废水的处理效果见表2。

             

        HRT （水力停留时间）、SRT （污泥龄）和污泥负荷对好氧膜生物反应器去除城市和工业废水的 COD 和 BOD5 影响不大‚但污泥龄和污泥负荷对硝化效率有明显的影响。好氧膜生物反应器处理城市污水‚曝气分别占分体式和一体式 MBR总能耗的20％～50％和80％～100％。好氧膜生物反应器处理工业废水的一个主要考虑是去除一些特别的污染物‚如油脂类污染物。其中‚分体式 MBR占主导地位‚但能耗是一个主要的影响因素。

1∙2 厌氧膜生物反应器处理效果厌氧膜生物反应器用于高浓度有机废水的处理效果见表3。

 

          

       由于缺少曝气‚目前处理高浓度有机废水的厌氧膜生物反应器均采用分体式。沼气产量随着负荷的增加、水力停留时间的加长和温度的降低而减少。处理高浓度有机废水的厌氧膜生物反应器采用两种操作方式：低压和高压。采用低压方式‚只有压力和污泥浓度影响膜通量；采用高压方式‚膜通量与压力无关‚但剪切力却成为一个控制因素。

1∙3   影响好氧膜生物反应器运行效果的参数

        膜材料及膜组件和操作条件对膜生物反应器的运行和处理效果有不同程度的影响‚其中的操作条件主要有 HRT 和 SRT、污泥浓度、污泥负荷、操作方式（连续或间歇曝气、恒通量或恒压力）等。有关不同膜组件对 T MP 和错流速率关系的影响的研究较多‚但直接比较不同膜材料和膜组件对膜通量的研究很少。如：一体式中空纤维膜组件与对应的分体式管式膜组件的比膜通量大小比较见表4。

 

             

       污泥浓度、污泥负荷和水力停留时间对 MBR的 COD 去除效果影响不明显。MBR 的 COD 容积负荷通常为1．2～3．2kg／（m3·d）。一体式膜生物反应器的污泥（MLSS）质量浓度为12～25g／L‚HRT 为5～6h‚COD 容积负荷为1．0～2．3kg／（m3·d）‚COD 和 TKN 的去除率分别为 96％ 和95％。在高 COD 容积负荷6～13kg／（m3·d）‚污泥（MLSS）质量浓度10～22g／L 和 HRT 仅为1．5h时‚COD 去除率为95％～99％。污泥产率和污泥活性随着污泥龄的降低而增加‚但污泥降解污染物的能力不太受污泥龄变化的影响。然而‚不同的操作条件对 MBR 的除磷脱氮效果却有较大的影响。对 A／O（缺氧／好氧）一体式中空纤维膜生物反应器处理生活污水的小试研究表明：在缺氧区和好氧区不同的 HRT 和回流比例对 BOD5 和 TN去除率（约99％和60％）没有影响；如果不排污泥‚则膜生物反应器对脱磷没有任何提高。在一段法一体式膜生物反应器中‚间歇曝气有利于 TN 的去除‚但却不能同时去除 TP。为此‚Seo 等在小试规模一体式膜生物反应器的缺氧区／好氧区采用两阶段间歇曝气的方法除磷脱氮‚研究结果表明‚TN 去除率为92％‚TP 去除率为66％。采用不同的膜组件（板式膜、陶瓷膜、中空纤维膜）‚中试规模一体式膜生物反应器处理城市污水的试验结果显示‚TN 和 TP 的 平 均 去 除 率 分 别 为 80％ 和95％。此外‚根据临界通量 （Critical flux） 的概念‚中试规模的分体式陶瓷膜生物反应器污水处理试验表明‚在低于临界通量的情况下‚恒通量操作方式优于恒压力操作方式。

1∙4   好氧膜生物反应器的膜污染机理及其控制

        膜污染是影响膜生物反应器推广应用的主要因素。膜污染导致膜通量下降‚增加膜组件更换和膜清洗的频率‚则会增加膜生物反应器的运行费用。

        根据国际纯粹和应用化学协会 （IUPAC‚International Union of Pure and Applied Chemistry ） 的定义‚由于悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔隙和孔隙内壁‚从而造成膜通量降低的过程称为膜污染。根据该定义‚膜污染可划分为如下过程：膜孔内壁的吸附、膜孔的堵塞、膜表面泥饼层的压实和形成、浓差极化。

1∙4∙1 膜污染机理

         影响膜生物反应器膜污染的因素可划分为3大类：膜组件（如膜材料、膜孔径和分布、膜组件的构造）、操作条件（如压力、错流速率和紊流）、污泥混合液特性。膜生物反应器处理污水不同于常规的膜过滤污水‚因此‚研究膜生物反应器的膜污染机理‚不仅需要考虑常规的膜污染过程‚并且应充分考虑到混合悬浮液的生物动力学特性及其与膜过滤的关系。至今‚膜生物反应器的膜污染机理并没有完全弄清楚‚这需要进一步的研究。剪切力导致污泥颗粒破碎（如污泥颗粒大小从95～200mm 变为6～10mm）‚同时也刺激了胞外物 （EPS‚Extracellular polymeric substance） 的释放‚这导致了水力阻力的增加‚因此‚污泥混合悬浮液中的胶体和可溶性物质是膜生物反应器膜污染的主要影响因素。

       但与上述结论相反‚Defrance 等认为悬浮物、胶体和可溶性物质占膜污染的比例分别是65％‚30％ 和5％也就是说‚悬浮物和胶体是膜污染的主要影响因素。Carroll 和 Booker 认为中空纤维膜污染机理和速率与中空纤维膜丝的长度和直径有关‚如膜丝的轴向特征在膜污染的初始阶段是关键影响因素‚因此‚他们调查了中空纤维膜丝长度对膜污染的影响‚并建立了一个简单的模型。

1∙4∙2 膜污染控制对策

         膜污染控制对策有气、水或气／水混合反冲洗；化学清洗；膜材料改性；膜组件的优化设计；临界通量控制；水动力学控制；空气喷射和活塞流。本文重点介绍膜组件的优化设计、临界通量控制、水动力学控制、空气喷射和活塞流。

     （1）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（错流、穿流和活塞流）的关系、中空纤维膜的管径与长度的关系。中空纤维膜组件有两类：外压型（过滤从外→内）和内压型（过滤从内→外）。目前常见的是外压型中空纤维膜组件。外压型可在轴流（入流与中空纤维膜丝平行）或穿流（入流与中空纤维膜丝垂直）的条件下操作。前者如加拿大 Zenon 公司的中空纤维膜组件在轴流条件下操作‚后者如日本 Mitsubishi Rayon 公司的中空纤维膜组件。中空纤维膜在膜生物反应器的应用越来越多‚常用的方式是把膜组件浸没在生物反应器中‚利用重力或真空抽吸获得膜通量。为了获得持续稳定的膜通量‚中空纤维膜组件的优化设计就显得非常重要。影响中空纤维膜运行的设计和操作条件包括如下因素：气泡的数量和特性；采用的膜通量；膜丝的放置方向（横向或轴向于气泡流）；膜丝直径、长度、装填密度和松紧度；污泥浓度等。试验表明（外压型中空纤维膜）：1）膜丝间气－液两相流时的膜过滤‚曝气能显著提高膜通量‚膜丝轴向放置优于横向放置；2）膜丝放置方向的影响表明‚没有曝气时细膜丝（内径／外径＝0．39／0．6mm）横向放置优于轴向放置‚且运行对错流很敏感‚在中等错流速率下‚粗膜丝（内径／外径＝1．8／2．7mm）轴向放置优于横向放置。有曝气时膜丝轴向放置优于横向放置‚如加拿大 Zenon 公司的中空纤维膜生物反应器；3）考察膜丝直径的影响表明‚在错流系统中‚无论是否曝气‚细膜丝优于粗膜丝；4）膜污染取决于采用的膜通量和轴向的流量分布。当采用的膜通量小于临界通量‚膜运行稳定‚当膜丝疏松而不是绷紧时‚细膜丝的运行更好；5）通过模型计算表明‚当膜丝长度为0．5～3．0m 时‚适宜的膜丝内径是0．2～0．35mm。对内压型中空纤维膜组件来说（目前常用的中空纤维膜内径＜3mm）‚为了在膜丝内形成活塞流‚可采用大管径的中空纤维（内径为8．5‚9．5和10mm）‚研究结果显示‚活塞流可有效提高膜通量。

       （2）在采用酵母细胞悬浮液进行微滤的试验研究中‚Field 等在1995年提出临界通量的概念。目前没有一个统一的临界通量定义‚有三种定义分别是基于颗粒质量平衡、膜操作压力增加和显微直接观测 （DOT M‚Direct observation through microscope）‚但它们的本质是膜组件在临界通量下操作‚膜污染不会（显著）发生。错流微滤试验表明‚根据颗粒质量平衡和膜操作压力增加确定的临界通量‚其随着颗粒的大小增加而增加‚随着进水浓度的升高而减少‚但不随着膜孔径的大小而变化；但根据 DOT M 确定的临界通量小于其他两者；长期试验表明根据颗粒质量平衡确定临界通量更具现实性。中试规模的分体式陶瓷膜生物反应器处理污水试验表明‚当膜通量设定在临界通量下‚膜操作压力维持稳定‚并且膜污染是可逆的；当膜通量超过临界通量‚那么‚膜操作压力不仅增加迅速‚而且不稳定。

       （3）在水动力学控制方面‚分体式膜生物反应器（管式陶瓷超滤膜）的小试规模试验表明：采用恒通量操作方式‚在低膜面流速下（0．5 m／s；Re ≈1200）‚污泥颗粒沉积在膜表面上形成泥饼层‚导致水力阻力迅速增加（＞109 m－1·s－1）；在常规膜面流速下（4m／s；Re≈9000）‚膜表面上没有污泥颗粒沉积‚水力阻力的增加主要由胶体和可溶性物质引起。通过分体式陶瓷膜生物反应器处理污水的小试研究‚Tardieu 等建立了两个膜污染速率的模型。这两个模型说明了在给定的生物学条件下水动力学条件对膜污染速率的影响。一体式中空纤维膜生物反应器的试验表明‚曝气是影响膜通量和膜污染的一个主要因素‚但只对膜外部污染（颗粒沉积和浓差极化）有效‚而对膜内部污染没有效果。不过‚提高曝气速率〔从1．2m3／（m2·h）提高到3．6m3／（m2·h）〕‚可大幅降低膜的水力阻力‚从而增加膜通量。在给定的曝气条件下‚定期反冲洗可大大减轻膜污染。

     （4）空气喷射和活塞流。在一定液体流速的情况下‚根据气流速率的不同（小→大）‚垂直管道中的气液两相流可依次分为不同的5种流态：气泡流（Bubble flow ）、活 塞 流 （Slug flow ）、涡 流 （Churn flow）、环 形 流 （ Annular flow ） 和 雾 状 流 （ Mist flow）。在内压型中空纤维膜内形成活塞流的空气喷射方式有两种：气喷（Air－jet）和气升（Air－lift）。最近的研究表明‚空气喷射可有效控制一体式中空纤维膜生物反应器的膜污染（提高膜通量）‚但需要进一步的研究‚如优化设计和操作。分体式和一体式膜生物反应器的试验表明‚通过曝气在中空纤维膜内形成活塞流‚可大大减轻膜污染‚从而可提高膜通量2～4倍。

1∙5   好氧 MBR 膜对污泥特性和微生物群落的影响
        由于膜的截留和因曝气而在膜表面产生的剪切力‚好氧膜生物反应器中的污泥特性、微生物群落及其生物动力学特性不同于常规活性污泥法。

        1∙5∙1  污泥特性污泥特性是指颗粒大小、脱水和沉降性能。同常规活性污泥法中的污泥相比‚好氧膜生物反应器中的污泥颗粒小‚粘度高‚泡沫多‚结构疏松‚活性低‚并且污泥的沉降和脱水性能差。污泥的沉降和脱水性能对后续的污泥处理与处置有较大的影响‚因此‚在实际应用中‚不仅需要考虑好氧膜生物反应器的优点‚如优异的污水处理效果‚也要考虑其中的污泥特性带来的负面影响。

       1∙5∙2  微生物群落微生物群落决定污泥特性。然而‚目前有关好氧膜生物反应器中的微生物群落及其生物动力学特性却知之甚少。同常规活性污泥法相比‚膜生物反应器的污泥龄长且污泥负荷低。虽然在常规活性污泥法中较长的污泥龄有助于高一级微型动物（原生和后生动物）的产生‚但现有的研究表明‚当膜生物反应器长时间不排泥时‚污泥中很少或没有原后生动物出现遗憾的是至今并不清楚为什么会出现这种现象。因为膜生物反应器中微生物群落的多样性和复杂性‚以及现有的常规研究方法和分析手段的局限‚所以‚非常有必要研究和开发新的方法和手段‚以便全面揭示膜生物反应器中的微生物群落及其生物动力学特性。现代新型分析技术（如分子生物技术）为我们进一步了解膜生物反应器中的微生物群落提供了可能。例如‚采用荧光原位杂交（FISH‚Fluorescent in situ hybridization）对膜生物反应器中的污泥进行分析‚结果表明：膜生物反应器中微生物群落含有的细菌细胞远少于常规活性污泥法‚并且膜生物反应器的低污泥产率来自于微生物的内源呼吸而不是生物捕食。此外‚FISH 和 DGGE （ Denaturing gradient gel electrophoresis）的分析结果也表明：MBR 中的微生物群落和其多样性不同于常规活性污泥法；MBR 适宜于氨氧化菌的生长；MBR 中的硝化菌通常为不同形状（如卵形、圆形）的串状‚小颗粒污泥中的硝化菌含量高于其在大颗粒污泥的含量。

2     国外好氧膜生物反应器在废水处理中的应用

       目前主要有四家大公司经营 MBR‚它们分别是加拿大 Zenon 公司‚日本 Mitsubishi Rayon 公司‚法国 Suez － LDE／IDI 公 司 和 日 本 Kubota 公 司。Zenon、Mitsubishi Rayon 和 Kubota 公司生产一体式聚合物中空纤维膜组件‚而 Suez－LDE／IDI 生产分体式管式陶瓷膜组件。目前‚大部分应用于城市污水处理的 MBR 处理能力范围≤378．5m3／d‚但处理能力高达3785～18925m3／d 的 MBR 数量在逐步增加。

2∙1   实例分析

       美国科罗拉多州 Arapahoe 县 Lone Tree 城市污水处理厂进行更新改造‚原有2个序批式反应器（SBR）‚需扩大处理能力3000m3／d。因此‚将其中一个 SBR 改造成一个 ZenoGem●膜生物反应器。该膜生物反应器在1998年8月至1999年4月的运行情况见表5。

           

 

2∙2    经济分析
         一体式膜生物反应器的投资和运行费用将会大幅降低‚这主要得益于如下因素：（1）设计膜通量提高了数倍（如采用重力流）‚这降低了膜组件的使用规模和能耗‚减少了设备的维护费用；（2）膜组件寿命延长‚如 Kubota 公司的膜组件从3a 增加到8a‚这减少了膜组件的更换费用；（3）大规模生产降低了膜的制造费用‚如 Kubota 公司的膜组件（以膜计） 从 1992 年的 US ＄400／m2 到 1999 年的 US＄100／m2。经济分析表明：对处理规模为2000m3／d 的一体式膜生物反应器（Kubota）污水处理厂‚1992年膜组件的更换费用是影响运行费用的最主要因素‚但预计在2004年‚污泥处理与处置费用、能耗费用将超过膜组件的更换费用‚成为污水处理厂运行费用的主要影响因素‚其中‚污泥处理与处置的费用将是最主要的因素。Davis 等〔对不同规模的膜生物反应器和传统活性污泥污水处理厂进行了经济分析和比较（见表6）

 

               

        结果表明：大型污水处理厂采用常规工艺更便宜‚但考虑到污水排放标准的愈益严格和膜组件的费用下降‚采用膜生物反应器的污水处理厂规模不久可达到50000m3／d。也就是说‚中小规模的污水处理厂可能采用膜生物反应器更便宜‚但大规模的污水处理厂宜采用常规工艺。

 

3      结论

        国外膜生物反应器在污水处理中的应用范围和规模不断增加‚其中绝大部分是好氧膜生物反应器‚并且一体式膜生物反应器的应用数量略大于分体式膜生物反应器。中小规模的污水处理厂可能采用膜生物反应器更便宜‚但大规模的污水处理厂宜采用常规工艺。然而‚膜污染依然是影响其推广应用的主要障碍。膜污染的影响因素和控制对策很多‚但值得注意的是采用空气喷射方法在中空纤维膜内形成活塞流‚从而可有效减轻膜污染和提高膜通量。

由于膜的截留和因曝气而在膜表面产生的剪切力‚膜生物反应器中的污泥特性、微生物群落及其生物动力学特性不同于常规活性污泥法‚但现代分子生物分析技术为进一步了解和揭示膜生物反应器的微生物群落及其生物动力学特性提供了新的方法和手段。

 

 

 

 

原标题：国外膜生物反应器在污水处理中的研究进展

原作者：魏源送    郑祥    刘俊新