膜生物反應器(MBR)技術及其工程應用探討

蒲文晶，劉云杰，鐘大輝，程家運

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 煉油廠，吉林 吉林 132021；3.中國石油吉林石化公司，吉林 吉林 132021)

膜生物反應器(MBR)廢水處理技術開發(fā)始于20世紀90年代，世界第一套大型MBR安裝于美國俄亥俄州Mansfield的通用電機廠[1]。近年來MBR技術的應用在世界上維持著每年高于10%的增長率，主要原因是MBR工藝對污染物的處理能力及處理效果是污水處理及回用的理想處理方式[2]。目前，世界上設計運行能力最大的MBR廢水處理工程是位于美國華盛頓州金縣的布賴特沃特污水處理工程[3]，主體工程2011年9月開始運營，設計處理量13.6萬 m3/d，預計到2040年處理量將要達到20.4萬 m3/d。

隨著對水資源利用水平要求的不斷提高，我國已經(jīng)成為世界上MBR工程應用增長最快的國家[4]。特別是自2005年以來，處理能力5 000 m3/d以上的新建大中型MBR項目均保持大于100%的年增長率。

1 MBR污水處理系統(tǒng)的類型和特點

MBR污水處理系統(tǒng)由生物降解與膜過濾兩部分組成。與常規(guī)的活性污泥工藝相比有諸多優(yōu)勢。膜過濾系統(tǒng)有著強大的固液分離能力，即使出現(xiàn)污泥膨脹的情況，也不會影響出水水質；反應器小巧、結構緊湊，因此可靈活地應用于對現(xiàn)有污水處理場的改造和升級；系統(tǒng)剩余污泥產(chǎn)量較少，如果采用內(nèi)置式更不需要污泥回流；能夠實現(xiàn)更好的處理性能，產(chǎn)水質量更高。但是MBR技術同時也存在設施設備費用偏高、膜污染及膜的使用壽命較短等問題。目前一些已實施的MBR工程，膜的壽命已從3a增加到了8a[4]。

MBR污水處理系統(tǒng)目前主要按2種方法進行類型劃分。

按膜組件的形狀劃分為3種類型：一種是以中空纖維柱狀膜組件為核心的類型，它具有膜面積大，占地面積小等特點；一種是以中空纖維簾狀膜組件為核心的類型，它具有膜面積大，易于安裝，清洗方便等特點；另一種是以浸沒平板型簾式膜組件為核心的類型，它具有膜通量大，易于組裝，清洗方便等特點。

按膜組件與生物反應器的組合方式劃分為2種類型：外置式和內(nèi)置式。

傳統(tǒng)的外置式膜生物反應器系統(tǒng)，率先在北美推出，將膜分離裝置與生物反應器分開安裝，膜分離裝置位于生物反應器外部。外置式膜生物反應器運行效率高、衰減慢，可連續(xù)出水，具有運行可靠，膜易于清洗、膜通量大等特點。但為減輕膜污染，要求循環(huán)泵提供較高的膜面錯流速度(2～5 m/s)，因而循環(huán)量大、能耗高，動力費用較高，而且泵高速旋轉的剪切力會使某些微生物菌體失活。外置式膜生物反應器系統(tǒng)膜組件一般在TMP大于210 kPa下操作。

內(nèi)置式生物反應器系統(tǒng)是將膜組件直接浸沒在生物反應容器中，它可以在較低的跨膜壓差下在線運行和操作，通常為(28～56)kPa的TMP，低于0.6 m/s的有效錯流速度，通過真空抽吸泵的抽吸實現(xiàn)污泥與廢水的分離，因此該運行方式具有能耗相對較低，占地緊湊等特點，但膜通量較低，膜比較容易受污染，清洗更換頻繁、操作繁瑣。

內(nèi)置式和外置式MBR的工程應用特性對比見表1[5]。

表1 內(nèi)置式與外置式MBR的工程應用特性對比

如果只是從能耗角度考慮，內(nèi)置式生物反應器系統(tǒng)具有比較明顯的優(yōu)勢，但如果結合膜的清洗、更換和保養(yǎng)等綜合因素進行全面衡量，運行與維護費用二者大致相當。因此，在實際工程中選用哪種形式的MBR，應視具體情況而定：在濃度低、水量大的情況下，如生活污水處理，能耗是工藝運行的主要問題，膜污染是次要的，因此選擇內(nèi)置式MBR比較合適；在濃度高、水量小的情況下，如工業(yè)廢水和垃圾滲濾液的處理，有效降低膜污染是工藝運行的首要問題，因此外置式MBR才是最合適的選擇[5]。

2 膜的污染及控制

2.1 膜污染機理及影響因素

膜污染的問題已成為限制MBR快速發(fā)展的重要因素[4]。

膜污染是指在膜過濾過程中，水中的溶質分子、膠體粒子或顆粒物由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)部的吸附或沉積，致使膜孔道變小或堵塞，膜表面形成凝膠層或濾餅層，造成膜通量降低和/或跨膜壓差TMP升高的現(xiàn)象。

MBR系統(tǒng)的膜污染一般表現(xiàn)為：主要是由小分子物質造成的膜孔堵塞，大分子物質由于濃差極化附著在膜表面造成的膜表面凝膠層，在過濾過程中污泥層吸附在膜表面造成的污泥濾餅層及廢水中的毛發(fā)、纖維類物質纏繞在膜絲上造成的漂浮物纏繞。

膜污染的影響因素有很多[6]。如混合液的特性、膜材料、水力條件、生物反應條件、廢水成分、操作條件等。MBR系統(tǒng)的膜通量隨污泥濃度的增加而減小，當反應器內(nèi)的污泥濃度達到8～18 g/L時，膜極易被污染[4]。

高的鹽度也可能加速膜污染。當廢水中ρ(氯離子)>15 000 mg/L時，膜通量加速下降[7]。

2.2 膜污染的控制

2.2.1 強化預處理系統(tǒng)

MBR的膜組件一般采用微濾或超濾膜，膜孔徑通常(0.001～0.4)μm，膜組件是整個處理工藝的核心部分，強化預處理工藝，是保證處理效果和膜使用壽命的關鍵。預處理的方式應是傳統(tǒng)預處理和保護膜的預處理方法的有機結合[6]。

某礦區(qū)生活污水處理裝置采用MBR，預處理系統(tǒng)包括自動機械格柵和毛發(fā)聚集器。自動格柵柵條間隔(5～6 )mm，可將大塊雜質攔截，毛發(fā)聚集器過濾孔徑2 mm，可清除污水中的大部分毛發(fā)絲[8]。

煙草廢水中含有大量的白膠、煙絲、油類等物質，采用MBR處理煙草廢水時，一般先通過混凝沉淀或氣浮方法進行預處理，減小了后續(xù)工藝的運行負荷[6]。

某市政污水廠采用MBR工藝處理，預處理系統(tǒng)包括20 mm粗格柵—6 mm網(wǎng)孔型階梯細格柵—曝氣沉砂池—3 mm轉鼓式濾孔型超細格柵—0.75 mm 轉鼓式格網(wǎng)型精細膜格柵，且3 mm 轉鼓式濾孔型超細格柵和0.75 mm 轉鼓式格網(wǎng)型精細膜格柵同步設置了高、中壓沖洗系統(tǒng)以解決表面堵塞及沖洗頻繁的問題[9]。

2.2.2 膜的親水處理及運行條件控制

膜組件在投入運行前，一般需通過化學改性劑對膜進行親水處理，處理過程常借助于膜反沖洗系統(tǒng)。這一過程可以強化膜的抗污染能力。

MBR污水處理系統(tǒng)運行時，膜組件系統(tǒng)按真空泵抽吸8 min—停機2 min空曝氣的頻率工作。膜表面在上升氣流、水流的共同沖刷作用下不斷更新，避免了因長時間工作污染物在膜吸附壓作用下沉積，同時也可使沉積在膜表面的污染物脫離膜表面，有利于降低膜污染[10]。

2.2.3 清洗

化學清洗是控制膜污染的主要方法之一。膜的化學清洗有維護性清洗和恢復性清洗2種方式。在跨膜阻力到達設定值時，可以通過向膜組件反向輸入化學藥劑對膜進行清洗，這屬于是維護性清洗，其周期一般為1次/(1～2)周。當維護性清洗不能有效降低TMP時，需要對膜組件進行恢復性清洗?；謴托郧逑纯梢栽谀こ刂羞M行，也可以在單獨設置的清洗池中進行，其周期一般為1次/(6～12)個月。一般采用在清洗池中(離線)清洗方法[5]。

某礦區(qū)MBR生活污水處理工程，采用2套在線清洗系統(tǒng)和1套離線清洗系統(tǒng)進行膜的化學清洗操作。在線清洗系統(tǒng)包括貯液桶、攪拌機、自吸泵及加藥管道。系統(tǒng)通過按一定操作程序，把藥液反向注入膜組件內(nèi)，實現(xiàn)在線清洗。在MBR池上方設置起重裝置，用于膜組件的提升及膜片拆卸。拆下的膜片放入離線清洗系統(tǒng)(清洗池)內(nèi)進行浸沒清洗[8]。

無錫城北污水處理廠MBR系統(tǒng)，設置了清水沖洗池、酸洗池(一般采用檸檬酸)和堿洗池(一般采用次氯酸鈉)3個獨立的膜離線清洗池。離線清洗池中增設曝氣管。膜組件在進行離線恢復性清洗時，先在清水池中通過曝氣去除大部分污泥，再依次放入酸洗池、堿洗池中，在進行化學藥劑浸泡的同時進行曝氣[9]。

某生活垃圾填埋場滲濾液處理站MBR系統(tǒng)，首先用清水進行MBR膜片的表面沖洗，去除表面附著的活性污泥，再依次經(jīng)過質量分數(shù)0.5%的NaClO溶液1 h的浸泡，質量分數(shù)5%～10%的NaOH溶液將MBR膜片2 h浸泡，殺死附著在膜表面的細菌，去除附著在MBR膜片表面的有機物和膠體物質，最后清水再次沖洗，實現(xiàn)膜組件的清洗過程[11]。

某高校生活污水處理工程MBR系統(tǒng)，使用質量分數(shù)4‰～6‰次氯酸鈉作清洗劑實現(xiàn)在線清洗。清洗周期1次/周。在線清洗期間好氧生物反應池停止曝氣，將清洗劑注入膜組，每次反沖洗90 min。在線化學清洗后膜通量恢復率可達80% 以上。根據(jù)膜污染情況，一段時間后還應采用離線清洗方式對膜組件進行徹底清洗。3年的運行實踐表明，離線清洗周期可維持1次/a。離線化學清洗后膜通量恢復率可達95% 以上[10]。

3 MBR的工程應用的技術經(jīng)濟情況

3.1 用于生活污水的處理

采用倒置A2/O-MBR 處理某礦區(qū)的生活污水，工程設計污水處理能力450 m3/d。出水經(jīng)紫外消毒后的水質達到城鎮(zhèn)污水廠一級A標準，回用于廠區(qū)綠化、沖洗地面等雜用水。處理成本包括人工費0.89元/t，電費0.46 元/t，藥劑費0.05元/t，合計1.4元/t[8]。

湖南省大圍山至瀏陽高速公路服務區(qū)生活污水通過MBR處理后，出水達到回用水標準。MBR工藝的建設成本3 067元/m3，日常運行成本0.74元/m3，MBR工藝占地面積0.46 m2/m3，回用水量為38 325 m3/a，回用水經(jīng)濟效益114 975元/a，是MBR日常運營費用(40 515元/a) 的2.8倍，獲得較高的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益回報[13]。

采用MBR技術處理某高校生活污水，處理能力1 000 m3/d，出水水質優(yōu)于《城市污水再生利用城市雜用水水質》(GB/T18920—2002) 標準。對CODCr和BOD5的去除率達到96% 以上，對濁度、氨氮去除率達到99%以上。項目建設造價6 000元/t。運行成本為0.967 6元/t[10]。

3.2 用于工業(yè)廢水的處理

MBR污水處理技術近幾年在卷煙廠中水回用項目中獲得廣泛應用。卷煙廠廢水屬于難處理廢水，廢水水質波動較大，生化性較差。COD最低值350 mg/L，最高值1 836 mg/L，平均值為1 112 mg/L；BOD的最低值為178 mg/L，最高值為436 mg/L，平均值為300 mg/L，B/C 0.27。徐州卷煙廠、淮陰卷煙廠、內(nèi)蒙古卷煙廠、西昌卷煙廠等全國十多家卷煙廠均采用MBR工藝處理生產(chǎn)廢水，出水一般可直接回用于廠區(qū)綠化、洗車、沖廁，或作為RO 系統(tǒng)水源[6]。

MBR組合工藝近年來在垃圾滲濾液的處理上也獲得廣泛的工程應用，由于進水COD質量濃度的不同，選擇工藝及運行成本也有很大差距。進水濃度最低2 kg/m3，最高達68 kg/m3，運行費用介于9～31元/m3[5]。

東興市衛(wèi)生填埋場改擴建工程滲濾液處理站設計處理量為200 m3/d，采用厭氧-A/O(MBR)組合工藝處理后，出水再經(jīng)超濾-反滲透-活性炭過濾處理，2011年裝置開車后各項水質指標均達到《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889—2008) 的表2標準。一體式MBR動力消耗為0.2～0.4 kW·h/m3，僅約為分置式的1/10[12]。

西部某垃圾焚燒電廠滲濾液處理站采用厭氧復合床反應器-膜生物反應器(UBF-MBR)組合工藝處理垃圾滲濾液，處理規(guī)模300 m3/d。盡管滲濾液中含氮化合物較高，但系統(tǒng)出水氨氮僅為22 mg/L，可達到GB16889—1997中三級標準，系統(tǒng)處理效果良好，項目的運行成本約為30.6元/m3[5]。

4 結束語

MBR污水處理技術的工程應用近年來逐漸從生活污水處理發(fā)展到了工業(yè)廢水處理，綜合處理成本隨著水質的不同而不同。隨著抗污染膜的開發(fā)和膜材料生產(chǎn)成本的降低，MBR污水處理技術將會呈現(xiàn)更廣闊的應用前景。

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