城市污水膜生物反應(yīng)器處理新技術(shù)

中煤國(guó)際工程集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院 王澤宇

中煤國(guó)際工程集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院 張 利

沈陽(yáng)華維工程有限公司 解英麗

城市污水膜生物反應(yīng)器處理新技術(shù)

中煤國(guó)際工程集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院 王澤宇

中煤國(guó)際工程集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院 張 利

沈陽(yáng)華維工程有限公司 解英麗

膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor，MBR）污水處理的研究始于上世紀(jì)90年代，因?yàn)镸BR具有出水水質(zhì)良好、污泥量少、易于運(yùn)行調(diào)控、節(jié)省空間等特點(diǎn)，逐漸在城市污水處理中得到應(yīng)用。

一、MBR工藝類(lèi)型

按其膜組件的設(shè)置位置可分為一體式（淹沒(méi)式）和分置式（錯(cuò)流式）。一體式MBR優(yōu)點(diǎn)是省去了循環(huán)泵而降低了能耗，同時(shí)節(jié)省了大量空間。分置式MBR優(yōu)點(diǎn)是膜組件清洗和拆卸容易，更適合于成分復(fù)雜、易發(fā)生膜污染、需要頻繁清洗膜組件的污水處理。

按膜的用途不同，MBR工藝類(lèi)型可分為固液分離MBR、無(wú)泡曝氣MBR和萃取MBR。與固液分離MBR相比，無(wú)泡曝氣或萃取MBR工藝可在一些特殊污水處理領(lǐng)域發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

二、MBR工藝的新發(fā)展

針對(duì)傳統(tǒng)好氧活性污泥MBR生物反應(yīng)器其懸浮污泥濃度過(guò)高，導(dǎo)致膜污染速率快、脫氮除磷效果不理想、曝氣能耗較高等主要問(wèn)題，又開(kāi)發(fā)出了一些新型MBR工藝，從而提高了污染物去除率和運(yùn)行穩(wěn)定性。

1. 復(fù)合MBR工藝。它是將生物膜法或生物接解氧化法與活性污泥法結(jié)合而構(gòu)成的復(fù)合生物反應(yīng)器（Hybrid Bioreactor，HBR）與膜分離技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用工藝。在HBR-MBR工藝中，有生物膜和懸浮活性污泥兩種形式的微生物共存，二者發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，共同承擔(dān)去除污染物的作用，使得出水水質(zhì)得以提升，出水氨氮濃度低于活性污泥MBR，同時(shí)抗沖擊負(fù)荷的能力得到增強(qiáng)。因生物載體的介入而形成的生物膜具有多層結(jié)構(gòu)，從外至內(nèi)因氧傳遞阻力的增加而形成氧濃度梯度，進(jìn)而構(gòu)成外層以好氧為主而內(nèi)層以缺氧或厭氧為主的微環(huán)境，有利于提高系統(tǒng)的生物脫氮除磷能力。另外，復(fù)合生物反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)多樣化，生物的食物鏈長(zhǎng)，可有效改善污泥性狀，提高其處理能力。與傳統(tǒng)高濃度的活性污泥工藝相比，HBR—MBR工藝由于總生物量中懸浮污泥濃度的減少而有利于減緩膜污染，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。但如果懸浮污泥濃度過(guò)低，溶解性有機(jī)物對(duì)膜污染的作用增加，反而會(huì)加劇膜污染。

2. 厭氧MBR工藝。厭氧MBR即厭氧生物處理與膜分離相結(jié)合的工藝。各類(lèi)厭氧反應(yīng)器都可以與膜分離組合使用，如完全混合厭氧反應(yīng)器、上流式厭氧污泥床（UASB）、膨脹污泥顆粒床（EGSB）。膜分離的使用，可以不需設(shè)計(jì)嚴(yán)格的三相分離器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物污泥及大分子物質(zhì)的有效截留，因此，可以彌補(bǔ)厭氧反應(yīng)器由于三相分離器設(shè)計(jì)或運(yùn)行不當(dāng)帶來(lái)的生物流失和對(duì)懸浮性有機(jī)物處理不理想的缺陷。厭氧MBR中高污泥濃度環(huán)境以及顆粒狀大分子難降解有機(jī)物長(zhǎng)時(shí)間地被滯留在反應(yīng)器內(nèi)，促進(jìn)了污染物的生物降解。除與單相厭氧反應(yīng)器組合以外，膜也可以與兩相厭氧反應(yīng)器組合，即產(chǎn)酸反應(yīng)器+膜分離+產(chǎn)甲烷反應(yīng)器。在兩相厭氧MBR中，膜的加入不僅有利于產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的分相，使產(chǎn)酸反應(yīng)器的酸化率明顯提高，而且可使兩相厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性增加。

3. 好氧顆粒污泥MBR工藝。好氧顆粒污泥是在好氧條件下自發(fā)形成的細(xì)胞固定化顆粒，因其具有良好的沉降性能、較高的生物量和在高容積負(fù)荷下降解高濃度有機(jī)廢水的良好生物活性，可以形成具有同步硝化反硝化能力的微環(huán)境等特點(diǎn)而備受關(guān)注。在好氧顆粒污泥MBR工藝中，好氧顆粒污泥濃度可維持在14~16g·L-1，較高的污泥濃度和顆粒污泥內(nèi)部缺氧、厭氧環(huán)境的存在，使MBR中硝化和反硝化過(guò)程并存。在HRT為 6 h，溶解氧濃度為4~6 mg·L-1， COD的容積負(fù)荷為7.24kg·m-3·d-1的條件下，COD的去除率可達(dá)96%以上；當(dāng)氨氮容積負(fù)荷為0.17kg·m-3·d-1時(shí)，氨氮去除率可達(dá)60%。顆粒污泥既可以利用外源溶解性基質(zhì)又可以利用細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存物質(zhì)為碳源進(jìn)行反硝化。在運(yùn)行過(guò)程中好氧顆粒污泥的生物活性略有降低，但由于顆粒污泥中菌體結(jié)合緊密，對(duì)環(huán)境表現(xiàn)出良好的承受能力，從而使其生物活性變化幅度并不顯著。

4.投加基因工程菌MBR工藝?；蚬こ叹℅enetically engineered microorganism，GEM）是指運(yùn)用生物工程技術(shù)把某種降解菌的基因片段通過(guò)轉(zhuǎn)基因工程轉(zhuǎn)入菌株，培養(yǎng)出具有特定降解功能的高效特種菌。將GEM投加于MBR工藝中，膜對(duì)GEM的高效截留作用，有利于保持GEM的種群優(yōu)勢(shì)，改善生物強(qiáng)化穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)對(duì)污水中難降解有機(jī)物的去除效果。同時(shí)，GEM強(qiáng)化的MBR對(duì)COD和氨氮也有良好的去除效果，COD和氨氮平均出水濃度分別為65 mg·L-1和1 mg·L-1，其相應(yīng)的平均去除率為71%和97%。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，膜出水中GEM流失密度很小，大幅度降低了由GEM流失可能帶來(lái)的環(huán)境污染。

三、工藝的改進(jìn)和應(yīng)用發(fā)展

1. 工藝的改進(jìn)。

（1）進(jìn)一步降低MBR運(yùn)行能耗。浸沒(méi)式MBR與傳統(tǒng)的外置式MBR相比，在能耗方面已有明顯降低，但仍高于傳統(tǒng)的活性污泥工藝。通過(guò)研發(fā)更為高效的反應(yīng)器和膜組件，發(fā)展新型氣水錯(cuò)流技術(shù)，進(jìn)一步降低能耗，使MBR技術(shù)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）提升膜材料和膜組件性能。目前在中國(guó)市場(chǎng)上應(yīng)用較多的還是國(guó)外膜材料和膜組件。國(guó)產(chǎn)膜材料和膜組件在價(jià)格上有優(yōu)勢(shì)，但性能方面還有待提高，應(yīng)考慮開(kāi)發(fā)壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度好、抗污染、價(jià)格低的膜材料。

（3）膜污染及其控制技術(shù)。這是要不斷深入研究的課題，尤其是針對(duì)成分復(fù)雜的工業(yè)廢水。利用分子生物學(xué)、顯微可視化方法等深入研究膜污染機(jī)理，探索更為有效和簡(jiǎn)便的方法控制和減緩膜污染的發(fā)生。

（4）MBR工藝的整體優(yōu)化。從污染物處理效果和膜污染控制雙重角度優(yōu)化MBR整體工藝，保證MBR的處理效果和穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 工藝的應(yīng)用發(fā)展。

（1）城市污水資源化?？紤]運(yùn)用MBR工藝生產(chǎn)高質(zhì)量的再生水，使城市污水資源化利用。為了保證再生水的安全性，MBR對(duì)新型化學(xué)物質(zhì)的去除應(yīng)得到更多重視；同時(shí)MBR處理城市污水的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和指南需要盡快建立。

（2）工業(yè)廢水處理與回用。在工業(yè)廢水處理中，應(yīng)注意組合工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如MBR+物化工藝，高效菌種+MBR處理難降解有機(jī)廢水等。由于工業(yè)廢水成分的復(fù)雜性，應(yīng)予以膜污染控制特別重視。

（3）飲用水源水凈化。如微污染水源水凈化、地下水脫氮等，都將是今后MBR應(yīng)用的領(lǐng)域。