膜生物反應(yīng)器(MBR)是以酶、微生物或動(dòng)、植物細(xì)胞為催化劑，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)或生物轉(zhuǎn)化，同時(shí)憑借超濾分離膜不斷地分離出反應(yīng)產(chǎn)物并截留催化劑而進(jìn)行反應(yīng)的裝置，是由傳統(tǒng)活性污泥工藝與膜分離技術(shù)結(jié)合的一種新型工藝。它zui早使用于生物化工行業(yè)中的連續(xù)發(fā)酵工藝。自從美國(guó)的Smith于1969 年創(chuàng)造性地把MBR 引進(jìn)廢水處理行業(yè)以來，世界上出現(xiàn)

了各種各樣的MBR 法用在城市生活污水和可生物處理的工業(yè)廢水處理工藝中。膜生物反應(yīng)器的研究和開發(fā)日益發(fā)展，為水處理技術(shù)開辟了一條新的思路，近十多年來，已經(jīng)在水處理

中得到了較廣泛的應(yīng)用。

1、膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝簡(jiǎn)述

膜生物反應(yīng)器工藝(MBR 工藝)是現(xiàn)代膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一種新型廢水生物處理技術(shù)，是目前在高濃度有機(jī)污水處理、中水回用處理等領(lǐng)域zui有前途的污水生物處理技術(shù)之一。它利用膜分離裝置將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機(jī)物質(zhì)有效截留，替代二沉池，大大提高了生物反應(yīng)器的處理效率。其典型工藝流程如圖1 所示。

圖 1 MBR 工藝流程圖

MBR 工藝參考出水水質(zhì)如表1 所示。

表1 MBR 工藝參考出水水質(zhì)表

MBR 處理工藝與傳統(tǒng)廢水生物處理工藝相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)MBR 工藝通過采用膜分離技術(shù)能截留污水中大部分的懸浮粒子和高分子有機(jī)物質(zhì)，可使生物處理單元內(nèi)的微生物量維持在較高濃度，使容積負(fù)荷大大提高，因此可以zui大限度

地將活性污泥截留在生物反應(yīng)器內(nèi)。傳統(tǒng)活性污泥法的MLSSzui高在5g/L左右，而MBR系統(tǒng)的MLSSzui高可達(dá)到20g/L左右，從而可以帶來比傳統(tǒng)法更高的有機(jī)物去除率。

(2)強(qiáng)化生化處理效果，使處理出水水質(zhì)清澈優(yōu)良，達(dá)到生活雜用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)傳統(tǒng)法污泥濃度低，污泥產(chǎn)量高，剩余污泥的處置費(fèi)用占到廢水處理總成本的50%左右。MBR系統(tǒng)在低F/M條件下運(yùn)行，污泥產(chǎn)率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)法，從而使剩余污泥的處置費(fèi)用大幅度降低，進(jìn)而降低廢水的整體處理成本。

(4)污泥停留時(shí)間的大幅度延長(zhǎng)。可使硝化及亞硝化菌等世代時(shí)間較長(zhǎng)的微生物有效地保留在生物反應(yīng)器內(nèi)。從而使MBR系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)法更好的脫氮除磷能力。

(5)膜分離的性使處理單元水力停留時(shí)間大大縮短，減少了生物反應(yīng)器的占地面積。且因無需設(shè)置二次沉淀池，MBR系統(tǒng)的占地面積較之傳統(tǒng)法大大縮小，在一些土地使用緊張的

地區(qū)建設(shè)可行性高。

2、膜生物反應(yīng)器應(yīng)用中存在的問題及研究進(jìn)展

膜生物法是一個(gè)頗具發(fā)展前景的污水處理技術(shù)，但至今在我國(guó)沒有被大規(guī)模運(yùn)用，主要原因在于與傳統(tǒng)法相比，膜污染一直是MBR系統(tǒng)中一個(gè)難以克服的問題。它使膜的阻力增加，透水率逐漸下降，造成膜組件的頻繁更換，嚴(yán)重影響了MBR系統(tǒng)的處理效果，導(dǎo)致MBR系統(tǒng)運(yùn)行及管理費(fèi)用相對(duì)較高。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為克服限制MBR應(yīng)用的障礙對(duì)膜污染機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。經(jīng)過研究認(rèn)為生物細(xì)胞產(chǎn)生的胞外聚合物(EPS)對(duì)污泥粘滯度和膜過濾阻力有重要影響，并由此進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出EPS的數(shù)量級(jí)，建立了膜污染的數(shù)學(xué)模型。通過研究各種不同的反應(yīng)器對(duì)膜污染機(jī)理做了探討。研究了污泥特性對(duì)膜污染的作用機(jī)理。當(dāng)前，對(duì)膜污染問題已經(jīng)形成了相對(duì)一致的看法，一般根據(jù)膜組件受污染的性質(zhì)不同，將膜污染分為膜的污染和劣化兩種。

2.1 膜生物反應(yīng)器的膜污染問題

膜的污染是指由于在膜表面上形成了附著層或膜孔堵塞等外部因素導(dǎo)致了膜性能變化，由于膜表面形成了附著層而引起的膜污染被稱之為濃差極化。

在液體膜分離過程中，由于到達(dá)膜表面的溶質(zhì)受到膜的截留而不斷積累，使得膜表面溶質(zhì)濃度逐步高于料液主體溶質(zhì)濃度。由于膜表面溶質(zhì)濃度與料液主體溶質(zhì)濃度之差產(chǎn)生了從膜

表面向料液主體的溶質(zhì)擴(kuò)散傳遞。當(dāng)溶質(zhì)的這種擴(kuò)散傳遞通量與隨著透過膜的溶劑(水)到達(dá)膜表面的溶質(zhì)主體流動(dòng)通量*相等時(shí)，上述過程達(dá)到不隨時(shí)間而變化的定常狀態(tài)。當(dāng)溶質(zhì)是水溶性的大分子時(shí)，由于其擴(kuò)散系數(shù)很小造成從膜表面向料液主體的擴(kuò)散通量很小，因此膜表面的溶質(zhì)濃度顯著增高形成不可流動(dòng)的凝膠層。當(dāng)溶質(zhì)是難溶性物質(zhì)時(shí)，膜表面的溶質(zhì)濃度迅速增高并超過其溶解度從而在膜表面上產(chǎn)生結(jié)垢層。此外，膜表面的附著層可能是水溶性高分子的吸附層和料液中懸浮物在膜表面上堆積起來的濾餅層。

造成膜污染的另一個(gè)重要原因是膜孔堵塞。懸浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空間位阻，水溶性大分子在膜孔中的表面吸附、以及難溶性物質(zhì)在膜孔中的析出都可能產(chǎn)生膜孔堵塞。

根據(jù)造成膜污染的發(fā)生原因可采用相應(yīng)對(duì)策使膜性能得以恢復(fù)，一般通過改善膜面附近料液側(cè)的流體力學(xué)條件或開發(fā)新型膜清洗技術(shù)等方法。膜的清洗主要分為物理清洗、化學(xué)清洗和生物清洗三種方法。物理清洗是利用高流速的水或空氣和水的混合流體沖洗膜表面?；瘜W(xué)清洗是在水流中加入某種合適的化學(xué)藥劑，連續(xù)循環(huán)清洗。物理和化學(xué)清洗是目前應(yīng)用得較多的清洗手段，國(guó)內(nèi)也做了大量的研究工作。付婉霞等人通過對(duì)膜生物反應(yīng)器處理盥洗廢水時(shí)，水力清洗、酸洗、堿洗等不同組合形式對(duì)膜的清洗效果進(jìn)行研究，認(rèn)為水力清洗可以較*地去除運(yùn)行初期的膜表面沉積物，但隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，水力清洗的效果變差，膜通量恢復(fù)率降低。酸洗和堿洗的順序應(yīng)依據(jù)處理廢水的性質(zhì)做相應(yīng)調(diào)整。研究認(rèn)為清洗時(shí)采用高膜面流速、低操作壓力和限制透過液對(duì)流傳遞作用有利于錯(cuò)流膜生物反應(yīng)器通量的恢復(fù)。發(fā)現(xiàn)氣體噴射技術(shù)是控制浸沒式膜生物反應(yīng)器膜污染的一種較好的方法,也對(duì)化學(xué)清洗進(jìn)行了研究。生物清洗是借助微生物、酶等生物活性劑的生物活動(dòng)去除膜表面及膜內(nèi)部的污染物。生物清洗目前在我國(guó)還鮮有應(yīng)用，仍然處于研發(fā)階段，在國(guó)外該項(xiàng)技術(shù)相對(duì)成熟。除了上述幾種傳統(tǒng)方法外，近年來文獻(xiàn)上也相繼報(bào)道了部分新穎的膜清洗方法，如超聲波清洗法、脈沖電場(chǎng)膜清洗法等。

2.2 膜生物反應(yīng)器的膜劣化問題

膜的劣化是指膜自身發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化等內(nèi)部因素導(dǎo)致了膜性能變化。導(dǎo)致膜的劣化的原因可分為化學(xué)、物理及生物等三個(gè)方面?；瘜W(xué)性劣化是指由于膜材質(zhì)的水解或氧化反應(yīng)

等化學(xué)因素造成的劣化，而物理性劣化則是指膜結(jié)構(gòu)在很高的壓力下導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的致密化或因其置于干燥狀態(tài)下發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)性變形等物理因素造成的劣化。生物性劣化通常是由于處理料液中的微生物的存在導(dǎo)致膜材料發(fā)生生物降解反應(yīng)等生物因素造成的劣化。

膜材料及其制備是膜過程的技術(shù)核心，膜材料的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不僅對(duì)膜分離的性質(zhì)起決定性的影響，并且不同的膜材料可以有不同的耐污染性能，通過對(duì)抗劣化材料的研發(fā)對(duì)改善

膜的劣化問題有著重要意義。膜的性質(zhì)對(duì)膜污染的影響，認(rèn)為膜的性質(zhì)，包括膜材質(zhì)、膜孔徑大小、孔隙率、親/疏水性、電荷性質(zhì)和粗糙度等對(duì)膜劣化有重要影響。這樣，我們認(rèn)為通過人工合成新的膜材料或?qū)ΜF(xiàn)有材料進(jìn)行改性，并在此基礎(chǔ)上研究成膜規(guī)律，就為防治或減輕膜劣化提供了可能，事實(shí)上，通過這種方法已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。通過對(duì)聚丙烯進(jìn)行接枝聚合改性減少了膜污染，通過兩種聚合物共混的方法研制了抗污染的超濾中空纖維膜。除了在抗污染方面對(duì)膜分離材料進(jìn)行開發(fā)以外，針對(duì)當(dāng)前膜材料普遍水通量低、價(jià)格昂貴等缺陷，國(guó)內(nèi)外諸多研究人員在此投入了大量的精力，已經(jīng)研制成功了數(shù)百種適合各種用途的分離膜材料，取得了重要進(jìn)展。

顯而易見，膜的劣化與膜材料和料液性質(zhì)密切相關(guān)，通過新型耐污染膜材料的研發(fā)對(duì)解決膜劣化問題將起到?jīng)Q定性的作用。

3、結(jié)語

膜生物反應(yīng)器具有-定的特色，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到了逐步推廣使用。目前膜材料的價(jià)格偏高，需要頻繁更換，導(dǎo)致一次性投資較大，且運(yùn)行費(fèi)用也較高，限制了其在廢水處理中的推廣。從以上論述我們可以看到，目前解決的主要方法是防止膜劣化和對(duì)膜污染進(jìn)行后處理。因?yàn)槟の廴臼且粋€(gè)不可逆的過程，所以后處理過程只能是作為膜污染后的修補(bǔ)手段，況且清洗設(shè)備需要不定期的停產(chǎn)，也導(dǎo)致成本增加、膜壽命減少；而前一種方法，研制、開發(fā)具有更好耐污染性的膜則是解決膜污染問題的根本途徑。