膜生物反应器在难降解废水处理中的应用
膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR) 是现代膜分离技术与传统污水生物处理技术相结合的产物。它用膜组件代替传统活性污泥法中的二沉池来实现泥水分离[1]，具有污染物去除率高、出水水质稳定、生物反应器内的微生物浓度高、硝化能力强、占地空间小、运行管理简单、应用范围广等诸多优点[2]。它最先用于微生物发酵工业， 20 世纪60 年代美国将其应用于污水处理领域， 70 年代后期，日本研究者对膜分离技术在废水处理中的应用进行了大力研究和开发，使膜生物反应器开始走向实际应用，进入21 世纪，国内外对膜生物反应器的研究有了较大的进展，逐渐进入中试和生产性应用阶段[3]。本文主要介绍膜生物反应器在难降解废水处理中的应用。
1 膜生物反应器的特点
膜生物反应器采用膜组件代替传统活性污泥工艺中的二沉池，实现了高效的固液分离，克服了传统活性污泥工艺中水质波动大、易发生污泥膨胀等问题[4]; 与传统活性污泥工艺以及其它的废水生物处理工艺相比较，MBR 工艺由于采用具有特殊性能的膜作为泥水分离和澄清出水的介质，而具有其它生物处理工艺无法比拟的明显优势，主要是以下几点:
(1) 出水水质良好。由于膜生物反应器能够高效地进行固液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，出水悬浮物和浊度接近于零，可直接回用，实现了污水资源化; (2) 反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷强; (3) 泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率，反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，基本无剩余污泥排放; (4) 使运行控制更加灵活稳定。由于膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间(HRT) 和污泥龄(SRT) 的完全分离; (5) 占地面积小，工艺设备集中，系统采用PLC 控制，可实现全程自动化控制[5]。
同时膜生物反应器主要有以下两个缺点: (1) 膜污染问题，尚没有简单有效的清洗技术，给操作管理带来不便; (2) 膜制造成本偏高，膜生物反应器的基建投资费用较高。
2 膜生物反应器在难降解废水处理中的应用
膜生物反应器由于其自身的优势已经在生活污水和工业废水处理中得到了广泛的应用，对于生物难降解有机废水，由于膜生物反应器中富积了大量难降解有机物分解菌和硝化菌等增殖速度慢的微生物，它们同有机物的接触时间大于水力停留时间(HRT) [6]，从而大大提高了难降解有机物的去除率，因而它在难降解废水中也得到了应用。
2．1 MBR 在印染废水处理中的应用
作为一种高效的分离技术，MBR 在印染废水处理中与其它技术相比有独特的优点: (1) 其中的膜分离组件是以分离出废水中的聚乙烯醇、染料、羊毛脂、油剂等污染物来降低COD 的，在处理废水的同时还可回收化工原料; (2) 处理后的水可以直接回用。因此，MBR 处理印染废水同时具有经济效益、环境效益和社会效益。
早期的MBR 在印染废水中的运用是以分离污染物质为主，主要是考察膜分离组件与生物反应器相结合之后对COD、色度的去除率以及对染料的分离效果。随着技术的进一步发展，现在的研究主要着眼于MBR 组合工艺的运用。
程刚等[7]采用A/O-MBR 系统处理印染废水，确定系统最佳运行条件为HRT 为9 ～ 10 h，DO 为2 ～ 3 mg /L，在该条件下可使出水COD 降到100 mg /L 以下，色度去除率达到89．7%，浊度和SS 接近于0。
孙建国等[8]采用复合式膜生物反应器处理印染废水，对污染物均达到了较好的去除效果。系统稳定运行时COD 容积负荷为1．16 ～ 2．89 kg /(m3·d)，污泥负荷为0．13 ～ 0．27 kg /(kg·d)，COD、色度的平均去除率为90．2%、72．7%。操作压力保持在0．016 MPa 以下时，膜生物反应器能够保持长时间内稳定运行，系统处理水量恒定，有利于减缓膜污染，延长膜的使用寿命。
陈英文等[9]利用自制的高效廉价混凝剂，结合仿生膜生物反应器技术对印染废水的处理进行了研究。试验得到: 混凝后COD 的去除率平均达75．1%，色度分别从1 250 倍和390 倍降为30 倍和12 倍。透过率达到84．6%和86．2%，浊度在10 度以下。再经仿生膜生物反应器处理，出水COD 低于50 mg /L，COD去除率为96．2%，出水无色无味，达到部分回用水标准。
王文浪等[10]采用了水解－好氧膜生物反应器组合工艺，实验考察了反应器的启动，组合工艺对色度、化学耗氧量(COD) 及浊度的去除效果。结果表明: 组合工艺COD 的去除率保持在90%以上，脱色率为82%; 水解酸化池提高了废水的可生化性，改变了难降解染料的分子结构，为后续MBR 工艺创造了条件;膜生物反应器中活性污泥浓度是影响反应器处理效果和膜通量的因素之一，污泥浓度在8 ～ 15 mg /L 之间运行较为合适。
2．2 MBR 在造纸废水处理中的应用
造纸废水的有机物浓度高，可生化性差，采用传统的生化法很难达到处理要求，而膜生物反应器以其独特的优势可以被广泛应用于造纸废水处理中。
朱殿林等[11]利用电解/膜生物反应器(MBR) 组合工艺处理造纸废水。结果表明，电解/MBR 组合工艺对造纸废水具有良好的处理效果，在原水的COD 为1 100 ～ 2 000 mg /L、色度为160 ～220 倍的条件下，组合工艺的出水COD 可降至80 mg /L 左右、色度在40 倍左右，达到了《山东省半岛流域水污染物综合排放标准》(DB 37 /676 ～ 2007) 中的一级标准要求。
赵芝清等[12]通过改进式MBR 和复合式MBR 的对比发现，在pH 为6．5 ～ 8．5、HRT 为10 h、温度为29 ℃的条件下，稳定运行近1 个月，复合式MBR 的平均出水水质分别为COD 110．17 mg /L、BOD5 10．94 mg /L、色度52 倍; 改进式MBR 的平均出水水质分别为COD 126．75 mg /L、BOD5 18．34 mg /L、色度61 倍，略差于复合式MBR。通过上清液分析发现，主要是因为复合式MBR 中的膜组件上凝胶层起了更大的拦截作用。另一方面，阻力分布试验也表明，由于浓差极化和膜污染产生的阻力，复合式MBR 大约是膜自身阻力的35．23 倍，改进式MBR 仅是膜自身阻力的6．36 倍，说明复合式MBR 更易引起膜污染。
马春明等[13]采用中试规模的膜生物反应器(MBR) 系统对某造纸厂的造纸废水进行了处理，研究了MBR 处理造纸废水的效果，并与造纸厂原有污水处理系统进行了对比。实验结果表明，在同样的进水条件下，MBR 出水水质明显好于原有系统二沉池出水水质。在污泥浓度9 000 mg /L、水力停留时间22 h 的条件下，MBR 出水COD 平均66．4 mg /L、COD 去除率达94．6%，色度平均55．9 C．U．，膜对色度的截留率高达62．7%，且基本不含SS，浊度小于0．2 NTU， SDI 小于3，而且完全满足反渗透系统进水要求。
2．3 MBR 在垃圾渗滤液处理中的应用
目前，我国的城市生活垃圾普遍采用一般的卫生填埋辅以渗滤液循环的方式进行处理。初期产生有机物浓度较高的渗滤液经几次喷洒回灌后，COD 得到大部分的去除，渗滤液也达到稳定化而排出。此种方式简单易行而且投资较小，可以认为是我国目前最为实用的渗滤液前处理方法。但循环稳定后仍有一定量的渗滤液无法处理而排出，其中多是以腐殖质的形式存在的难生物降解有机物，必须进行进一步的深度处理才能实现无害化排放。采用膜生物反应器工艺，处理这种可生化性较差的垃圾渗滤液，通过膜组件可以将一定大小的分子及细菌、微生物等截留在反应器中以增强生物降解能力，实现垃圾渗滤液的深度处理。同时，膜生物反应器作为一种后续的处理方式将更容易实现。
闫志明等[14]进行了上流式厌氧污泥复合床(UASCB) 和一体式膜生物反应器(SMBR) 串联工艺处理垃圾渗滤液兼顾脱氮和去除有机物的研究。发现最佳条件下系统稳定运行参数为: 厌氧反应器COD 去除率44．6%，COD 去除负荷为11．3 kg /m3·d; 膜生物反应器COD 去除率46．7%，COD 去除负荷为0．31 kg /m3·d，反硝化负荷为0．055 kg /m3·d，硝化负荷0．058 kg /m3·d。在此条件下系统出水达到(GB 16889-1997 ) 二级标准。
董春松等[15]进行新型管式动态膜生物反应器及处理垃圾渗滤液的研究表明，动态膜生物反应器运行稳定，在重力自流出水下运行近80 d，过滤压差为2 900 Pa 的情况下，膜通量维持在3．75L/(m2·h) 左右，在膜组件的结构参数改进之后，膜通量有较大提高，在过滤压差为1 450 Pa 下能较长时间稳定在6 L/(m2·h) 。还考察了动态膜的过滤性能和系统处理效果，系统出水浊度在110 NTU 以下，对COD、BOD5和氨氮的平均去除效率分别超过71%、96%和98%，动态膜对混合液上清液COD 有19．34% 的截留作用。
崔喜勤等[16]运用MBR 处理城市垃圾渗滤液，在水力停留时间为25 ～112 h，COD 和氨氮容积负荷分别为0．32 ～2．22 kg/m3·d 和0．14 ～ 0．50 kg /m3·d 的条件下，MBR 对COD 和氨氮的去除率分别为81．2% ～ 88．2%和99%以上。
陈少华等[17]应用一种新型气升式重力出流膜生物反应器(MBR) 处理垃圾渗滤液。试验结果表明，当BOD5负荷小于1．71 kg /m3·d 时，BOD5去除率大于99%，出水BOD5小于35 mg /L; 当氨氮负荷为016 ～ 0．24 kg /m3·d，且溶解氧(DO) 控制在2．3 ～ 2．8 mg /L 时，出水氨氮小于15 mg /L，但溶解性化学需氧量(SCOD) 的去除率相对较低(70% ～ 96%) 。
2．4 MBR 在其它难降解废水处理中的应用
鲁南等[18]采用一体式膜生物反应器处理抗生素废水。原水试验中，在废水pH 8．0 左右、DO 2．5 mg /L、温度30 ℃、COD 体积负荷0．957 kg /(m3·d) 条件下，出水COD、NH3-N 质量浓度平均值分别达到26．53 mg /L 和2．84 mg /L。
许宁等[19]采用膜生物反应器处理医院污水。对医院污水进行处理，并定时分析处理前后水中COD、NH3-N、大肠杆菌、浊度，结果表明对COD、NH3-N 去除率均达90% 以上，大肠杆菌的去除率接近100%，出水浊度保持在1 NTU 以下，水质优于GB8978-1996 的一级指标，表明膜生物反应器处理医院污水在技术上是可行的。
樊耀波等[20]采用膜生物反应器进行石油化工污水净化研究。研制了一套实验室规模的好氧分离式膜生物反应器，膜组件为中空纤维超滤膜，生物反应器为活性污泥曝气池。该实验装置对石油化工污水中COD、BOD5、SS、浊度、石油类的去除率分别为78%～ 98%、96% ～ 99%、74% ～ 99%、98% ～ 100%、87%。膜生物反应器出水浊度低，出水水质稳定，宜于回用。膜生物反应器COD 污泥负荷可达0．11 ～ 1．14 kg (COD) /(kg (ML SS) ·d) ; 碳、氮、磷比值以COD∶NH3-N∶P 表示为100∶1．215∶0．16。
白晓慧等[21]采用厌氧膜生物反应器工艺对生产医药中间体酰氯的废水进行了中试。结果表明，膜生物反应器具有抗冲击能力强，处理效果好，占地面积小的优点，适合于处理水量小、浓度高的废水。当原水COD 为7 000 ～ 51 550 mg /L，pH 值为4 ～ 13 时，厌氧池去除效率保持在50% 左右，膜生物反应器处理效率保持在80%以上，COD 等指标可以达到排放标准。
3 膜生物反应器工艺今后的研究方向
虽然膜生物反应器在难降解废水方面得到了应用，但还存在许多课题需要进一步去研究[22]。
(1) 加强膜生物反应器应用过程中膜污染及控制对策的研究。膜生物反应器对污水处理的有效性是勿容置疑的，但如何控制膜污染，维持膜分离的稳定运行是该工艺实现工程化应用的关键。膜污染控制不力将会影响系统的稳定运行。目前有关膜污染的控制和稳定运行条件的研究尚不够深入，应加强有关膜污染和影响因素的研究，探讨控制膜污染的方法，这对于膜生物组合工艺的实际应用是十分重要的。
(2) 加强适应于废水处理的高通量、耐污染、长寿命和低价格的膜材料与组件的开发。膜材料的开发是影响膜生物反应器在实际中广泛应用的关键。目前在膜材料的开发研究方面虽然已经取得了长足的进步，但仍需进一步加强研究，提高膜性能，降低膜价格，以便更好地适应污水处理的需要。
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作者简介: 任永忠(1968-)，男，工程师，学士学位，主要从事油田生产工艺技术管理和研究，研究方向: 原油处理和污水处理技术及应用。
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