膜-生物反应器污水处理与回用技术的研究与应用
摘要：随着全球范围 经济 的快速 发展 和人口的膨胀，水资源短缺已成为全球人类共同面临的严峻挑战。为解决困扰人类发展的水资源短缺 问题 ，开发新的可利用水源是世界各国普遍关注的课题。世界上不少缺水国家把污水再生利用作为解决水资源短缺的重要战略之一。这不仅可以消除污水对水环境的污染，而且可以减少新鲜水的使用，缓解需水和供水之间的矛盾，给工农业生产的发展提供新的水源，取得显著的环境、经济和 社会 效益。开展新型高效污水处理与回用技术的 研究 对于推进污水资源化的进程具有十分重要的意义。
关键词：膜-生物反应器 污水处理 回用技术 研究 应用
1.前言
随着全球范围经济的快速发展和人口的膨胀，水资源短缺已成为全球人类共同面临的严峻挑战。为解决困扰人类发展的水资源短缺问题，开发新的可利用水源是世界各国普遍关注的课题。世界上不少缺水国家把污水再生利用作为解决水资源短缺的重要战略之一。这不仅可以消除污水对水环境的污染，而且可以减少新鲜水的使用，缓解需水和供水之间的矛盾，给工农业生产的发展提供新的水源，取得显著的环境、经济和社会效益。开展新型高效污水处理与回用技术的研究对于推进污水资源化的进程具有十分重要的意义。
膜-生物反应器是近年新开发的污水处理与回用技术。该技术由于具有诸多传统污水处理工艺所无法比拟的优点，在世界范围受到普遍关注。本文将对近年来膜-生物反应器污水处理与回用技术的研究与应用进行介绍。
2.膜-生物反应器的技术原理与特点
在膜-生物反应器中，由于用膜组件代替传统活性污泥工艺中的二沉池，可以进行高效的固液分离，克服了传统活性污泥工艺中出水水质不够稳定、污泥容易膨胀等不足，从而具有下列优点[1]：
(1)能高效地进行固液分离，出水水质良好且稳定，可以直接回用;
(2)由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离，使运行控制更加灵活稳定;
(3)生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积省;
(4)有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留和生长，系统硝化效率得以提高。也可增长一些难降解有机物在系统中的水力停留时间，有效地将分解难降解有机物的微生物滞留在反应器内，有利于难降解有机物降解效率的提高;
(5)膜-生物反应器一般都在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低，降低了污泥处理费用;
(6)易于实现自动控制，操作管理方便。
但膜-生物反应器也存在一些不足：(1)在运行过程中，膜易受到污染，产水量降低，给操作管理也带来不便。这是 目前 广大研究者致力改进的问题;(2)膜的制造成本较高。但随着膜制造技术的不断进步，其成本可望降低。
3.膜-生物反应器的发展概述[2,3]
膜-生物反应器的最早研究可以追溯到上世纪60年代末期的美国。1969年Smith等报道采用超滤膜来替代传统活性污泥工艺中的二沉池，用于处理城市污水。在另一早期的报道中，Hardt等采用死端过滤的超滤膜与10L的好氧反应器组合处理人工配制的污水，获得了COD去除率达98%的处理效果，污泥浓度与传统活性污泥法相比，有大幅度增加。美国的Dorr-Oliver公司在1966年前后也开始了膜-生物反应器的研究，开发了MST(Membrane Sewage Treatment)的工艺。这一时期，研究的重点在于开发适合高浓度活性污泥的膜分离装置。但由于受当时的膜生产技术所限，膜的使用寿命短、通量小，加之当时对处理排放出水水质要求不严，使这项技术在相当长一段时间仅停留在实验室研究规模，未能投入实际应用。
70年代末期，日本由于污水再生利用的需要，膜-生物反应器的研究工作有了较快的进展。自1983年到1987年日本有13家公司使用好氧膜-生物反应器处理大楼污水，处理水作为中水回用。1985日本建设省牵头组织了 “水综合再生利用系统90年代计划”，其 内容 涉及到新型膜材料的开发、膜分离装置的构造设计和膜-生物反应器运行系统的研究。通过产、学、研的结合，把膜-生物反应器的研究在处理对象、规模和深度上都大大推进了一步。这一阶段的膜-生物反应器的型式主要是分置式。
另一方面，加拿大Zenon公司推出了该公司的分置式膜-生物反应器，用于生活污水的好氧处理。从80年代后期到90年代初，Zenon公司继续Dorr-Oliver公司的早期研究，以开发用于处理 工业 废水的系统并获得了成功。Zenon公司的商业化产品，ZenoGem于1982年投入使用。
有关膜技术与厌氧反应器的组合使用在80年代初也受到关注。1982年Dorr-Oliver公司开发了MARS工艺(Membrane Anaerobic Reactor System)用于处理高浓度有机工业废水。同时80年代初，在英国也开发了类同的工艺。该工艺在南非进一步发展成为ADUF工艺(Anaerobic Digester Ultrafiltration Process)。
80年代末以后，国际上对膜-生物反应器的研究更是方兴未艾，研究内容更加全面，深度和广度不断加强。在传统分置式膜-生物反应器的基础上，提出了运行能耗低、占地更为紧凑的一体式膜-生物反应器[4]。有关膜-生物反应器运行条件的优化和膜污染机理及其控制对策方面的研究也十分活跃。这为膜-生物反应器的广泛推广应用奠定了基础。目前，膜-生物反应器在日本、美国、法国、英国、荷兰、德国、南非、澳大利亚等国已得到相当多的应用。主要应用对象包括：生活污水的处理与回用、粪便污水处理、有机工业废水处理等。
我国对膜-生物反应器的研究始于上世纪90年代初。最早开始研究的有清华大学、 中国 科学 院生态环境研究中心、天津大学、同济大学等。近年，由于该项技术所具有的巨大吸引力和潜在的应用前景，受到了更多研究者的青睐。许多大学、研究所、环保公司也加入到了此项技术的研究开发中。从国内专业杂志发表的论文篇数来看，近几年增加很快，从1998年的9篇增加到2002年的60余篇。目前国内从事膜-生物反应器开发应用的公司也有十余家。
4. 膜-生物反应器对污染物的处理效果
4.1 有机污染物处理效果
许多研究者都证实膜-生物反应器能够有效地去除有机污染物并获得良好的出水水质。早在上世纪80年代日本的三井石化公司采用好氧膜-生物反应器处理大楼生活污水，在进水BOD5为330～710mg/L时，出水BOD5仅为1～5mg/L，BOD去除率可达99%以上。膜出水可以作为楼房中水道用水、草地喷水和汽车冲洗水等使用，达到了污水再生利用的目的。邢传宏[5]采用分置式好氧膜-生物反应器对城市污水的处理进行了试验研究。在该系统中，采用管状陶瓷膜，切割分子量为3000,000。系统表现出稳定的有机物去除率，即使进水COD在100-800mg/L，NH4+-N在10-40mg/L大幅度变化的情况下，COD和NH4+-N去除率分别可达96%和95%以上，出水COD均小于20mg/L。其它水质监测指标及与建设部杂用水水质标准的比较见表1。
表1 MBR处理城市污水出水与建设部杂用水标准(CJ25.1-89)的比较
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项 目 |
膜出水 |
杂用水标准 |
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厕所冲洗、城市绿化 |
扫除、洗车 |
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COD(mg/L) 悬浮物(mg/L) 氨氮(mg/L) 总大肠菌数(个/L) pH 色度（度） 浊度（NTU） 嗅 |
<20 无 <1 未检出 8.2 <2.5 <2 无不快感 |
50 10 20 3 6.5－9.0 30 10 无不快感 |
50 5 10 3 6.5－9.0 30 5 无不快感 |
在膜-生物反应器中污染物去除率很高的原因在于：(1)膜的分离作用维持了高浓度的生物量，促进了生物降解作用;(2)膜分离本身对悬浮物COD和大分子溶解性有机物也有进一步的截留效果。对于COD的去除，由膜截留作用的贡献率在10-20%左右。
膜-生物反应器良好及稳定的出水水质还有赖于膜表面形成的凝胶层的分离截留作用。很多研究者发现膜-生物反应器在运行一小段时间后，一些大分子的微生物产物便会附着于膜的表面形成一层动态过滤膜，也称为凝胶层。这层凝胶层也能起到过滤膜的作用，且由于其截留作用大于膜本身，从而有助于提高出水水质[6]。
有关操作条件对膜-生物反应器处理效果的 影响 也有许多报道。研究表明，变化HRT(从2h 变化到24h)和SRT(从5d到1300d(基本上不排泥))，对污染物的去除没有明显影响。
表2列出了好氧膜-生物反应器处理城市和工业废水的效果和运行条件。
表2好氧膜-生物反应器处理城市和工业废水的效果和运行条件
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项 目 |
城市（生活）废水 |
工业废水 |
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进水COD(mg/L) COD去除率(%) 污泥浓度(g/L) 容积负荷(kg-COD/(m3d)) 污泥负荷(kg-COD/(kg-VSSd)) 污泥产率(kg-MLSS/kg-COD) 水力停留时间(h) 污泥龄(d) |
44.2-800 90-98 10-20, 最高50 1.2-5.78 0.03-0.55 0-0.34 2-24 5-µ |
1333-68000 90-99.8 20-40，大部分>40 0.25-16 0.012-2.72 0.05-0.35 14-389 6.2-600 |
4.2 氮磷去除效果
在膜-生物反应器中，由于膜分离对硝化细菌的高效截留作用，生物反应器内可以维持高浓度的硝化细菌。因此通常膜-生物反应器可以获得非常高的硝化效果，氨氮去除率可以达到95%以上。通过调整适当的操作方式，膜-生物反应器中也能获得很好的TN去除率。如Suwa利用间歇曝气，在分置式膜-生物反应器中获得了0.0074 g-N /g-VSS d-1的反硝化效果。Chiemchaisri采用同样的运行方式，脱氮率达92.6%。有研究认为，在膜-生物反应器内控制DO的条件下，可以发生同步硝化/反硝化反应。
关于膜-生物反应器对磷的去除也有相当报道，去除范围在11.9%到75%不等。单独的同化作用似乎不能解释膜-生物反应器中磷的全部去除。其机理有待于进一步研究。通过与化学除磷法相结合，可以保证系统出水达到相应的标准值以下。
4.3 难降解有机物处理效果
采用膜-生物反应器处理含难降解有机物废水，可以强化系统对难降解有机物的处理效果，提高系统对冲击负荷的承受能力。桂萍[7]以喹啉和EDTA两种难降解有机物为对象，在实验室小试的基础上采用膜-生物反应器进行了试验研究，并在同等条件下与普通活性污泥法进行了对比。结果表明，膜-生物反应器较普通活性污泥法，对难降解有机物的去除效率和去除负荷更高，抗进水有毒物冲击负荷能力更强，运行更为稳定。刘超翔[8]开展了厌氧/好氧膜-生物反应器处理毛染废水的中试研究，获得了比传统工艺更好的处理效果，处理出水可以达到中水回用标准。此外，也有研究报道采用膜-生物反应器处理制药废水、石化废水等，取得了良好的效果。
5.膜-生物反应器的 应用 现状
5.1 在国外应用情况
表3 列出了国外一些国家近年来MBR的应用情况[13]。在日本运行(包括在建)的膜-生物反应器占全球的60%以上。在膜-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。
表3 MBR的国外应用情况
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国家 |
应用单位 |
膜供应 厂家 |
处理规模 |
处理对象 |
|
荷兰 |
Beberwijk污水处理厂 |
240 |
生活污水 |
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荷兰 |
Varsseveld污水处理厂 |
18000 |
生活污水 |
|
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英国 |
Porlock污水处理厂 |
Kubota |
1900 |
生活污水 |
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英国 |
Swanage污水处理厂 |
Kubota |
13000 |
生活污水 |
|
英国 |
Daldowie污水处理厂 |
Kubota |
10800 |
生活污水 |
|
英国 |
Wraxall污水处理厂 |
Kubota |
290 |
生活污水 |
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德国 |
Buechel污水处理厂 |
Kubota |
960 |
生活污水 |
|
德国 |
Markranstadt污水处理厂 |
Zenon |
6000 |
生活污水 |
|
德国 |
Erftverband污水处理厂 |
1500 |
生活污水 |
|
|
德国 |
MoonhEim污水处理厂 |
5000 |
生活污水 |
|
|
德国 |
Kaarst污水处理厂 |
40000 |
生活污水 |
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爱而兰 |
Avonmore公司 |
Kubota |
7100 |
生活污水 |
|
爱而兰 |
Minchmalt厂 |
Kubota |
1720 |
生活污水 |
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比利时 |
HEIst污水处理厂 |
30000 |
生活污水 |
|
|
比利时 |
Schilde污水处理厂 |
14000 |
生活污水 |
|
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奥地利 |
Halbenrain污水处理厂 |
100 |
垃圾渗滤液 |
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|
奥地利 |
Zenon |
270 |
生活污水 |
|
|
瑞士 |
Zenon |
5000 |
生活污水 |
|
|
以色列 |
Jerusalem污水处理厂 |
4000 |
生活污水 |
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美国 |
24座污水处理厂 |
Zenon |
7500 |
城市污水 |
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加拿大 |
9座污水处理厂 |
Zenon |
城市污水 |
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日本 |
300余座 |
小区污水回用 |
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|
日本 |
150余座 |
工业 废水 |
5.2 在国内应用情况
表4为我国的部分应用实例。
表4 MBR在我国的部分应用实例
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废水种类 |
处理能力 (m3/d) |
COD(mg/L) |
BOD5(mg/L) |
NH4+- N (mg/L) |
SS(mg/L) |
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进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
||
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黄泔废水 医院 废水 制药废水 大楼废水 食品废水 食品废水 |
17 25 50 200 500 125 |
900-12000 48-278 1500-4900 92-108 754 400-1300 |
<100 <25 <180 23 <80 <20 |
6805 20 500-1633 27-32 |
10 0.4 10 8 |
130-180 10-24 257-394 |
5 1 15 |
5000 730 39-47 |
10 10 3.5 |
5.3 锋尚国际公寓膜-生物反应器示范工程运行情况
清华大学环境 科学 与工程系在国家“十五”攻关的支持下，在海淀区锋尚国际公寓建立了处理规模为240m3/d的膜-生物反应器中水回用工程。 目前 该工程从启动已运行3个多月，COD，氨氮和LAS的去除效果分别见图1, 图2和图2。运行期间，系统出水平均COD，氨氮, LAS和浊度的浓度分别为17.25mg/L, 0.75 mg/L, 0.16mg/L和0.61mg/L，满足中水回用标准。目前处理出水用于该住宅区的绿化用水。
图1 锋尚国际公寓膜-生物反应器示范工程COD处理效果
图2 锋尚国际公寓膜-生物反应器示范工程氨氮处理效果
图3 锋尚国际公寓膜-生物反应器示范工程LAS处理效果
6.结束语
膜-生物反应器有诸多传统工艺不及的优点，在污水处理和回用中具有广阔的应用前景。可以应用的领域包括：高层建筑的中水回用、居住小区生活污水资源化、城市污水资源化以及有机工业废水的资源化等。目前我国在膜-生物反应器污水处理与回用方面的应用实例还不太多，规模也不够大。今后应通过产、学、研的紧密合作，进一步加强 研究 开发以推动其产业化进程。
主要 参考 文献 ：
1. 黄霞等：膜-生物反应器废水处理工艺的 研究 进展，环境 科学 研究，11(1)，40-44(1998)
2. Brindle, K. and Stephenson, T., The application of membrane biological reactors for the treatment of wastewater, Biotechnol. Bioeng., 49(6), 601-610(1996).
3. Stephenson, T., Judd, S., Jefferson, B. and Brindle K. Membrane bioreactor for wastewater treatment. London: IWA Publishing, 2000
4. Yamamoto, K., Hiasa, M., Mahamood, T. and Matsuo, T., Direct solid-liquid separation using hollow fiber membrane in an activated sludge aeration tank. Wat. Sci. Tech., 21, 43-54(1989).
5. Xing, C.-H., Tardieu E., Qian, Y. and Wen, X.-H., Ultrafiltration membrane bioreactor for urban wastewater reclamation, J. Mem. Sci, 177, 73-82(2000).
6. Magara, Y. and Itoh, M., The effect of operational factors on solid/liquid separation by ultra-membrane filtration in a biological denitrification system for collected human excreta treatment plants. Wat. Sci. Tech., 23, 1583-1590(1991).
7. Xia Huang, Ping Gui, Xianghua Wen, Yi Qian: Treatment of refractory organic compound using a membrane bioreactor, 21 Century- International Symposium on Membrane Technology and Environment Protection, p.129-135, Sep. 18-21, BEijing, China
8. 刘超翔、黄霞等：一体式膜-生物反应器处理毛染废水的中试研究，给水排水，28(2),56-59(2002).
9. Magara, Y. and Itoh, M., The effect of operational factors on solid/liquid separation by ultra-membrane filtration in a biological denitrification system for collected human excreta treatment plants. Wat. Sci. Tech., 23, 1583-1590(1991).
10. Kwon, D.Y. and Vigneswaran, S., Influence of particle size and surface charge on critical flux of crossflow microfiltration. Wat. Sci. Tech., 38(4-5), 481-488(1998).
11. 桂萍，黄霞等：膜-生物反应器运行条件对膜过滤特性的 影响 研究，环境科学，20(3),38-41 (1999)
12. 张传义, 王 勇, 黄霞等：一体式膜-生物反应器 经济 曝气量的试验研究, 膜科学与技术，已接收。
13. 张颖、顾平、邓晓钦：膜生物反应器在污水处理中的 应用 进展， 中国 给水排水，18(4), 90-92(2002).
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