膜生物反應器及其耦合工藝的應用研究進展

曹啟浩 林巧 刁銀珠 楊洋 白雪珍 萬立國

【摘 要】本文介紹了膜生物反應器的基本原理、分類及應用現(xiàn)狀，闡述了幾種典型的MBR耦合工藝的研究進展，并對其進一步研究指明方向。

【關鍵詞】膜生物反應器;耦合工藝;生物膜-膜生物反應器;膜電生物反應器

中圖分類號： X703 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）07-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.008

【Abstract】This paper introduces the basic principle， classification and application status of membrane bioreactor， and expounds the research of several typical MBR coupling processes， and points out the direction for further research.

【Key words】Membrane Bioreactor; Coupling process; Biofilm-membrane bioreactor; Membrane bio-electro reactor

0 引言

膜分離技術因其能耗低、操作簡單、運行穩(wěn)定等特點，在水處理領域中備受關注 。將膜分離技術與生物處理有機結(jié)合而成的膜生物反應器（MBR），具有出水水質(zhì)好、占地面積小、剩余污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點，常應用于污水處理領域[1]。自20世紀60年代開始研究以來，MBR技術不斷發(fā)展進步，以適應污水水質(zhì)、水量、排放標準等因素的變化，更好更廣泛地應用于各類污水處理及回用等領域。本文對膜生物反應器及其耦合工藝的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析，并提出了未來研究方向。

1 膜生物反應器

1.1 MBR的基本原理

廣義上，膜生物反應器是生物反應器與膜組件組合工藝的統(tǒng)稱，通過活性污泥中的微生物來降解污水中的有機物質(zhì)，采用膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥法中的二沉池，依靠膜的選擇透過性分離活性污泥混合液中的固體微生物和大分子溶解性物質(zhì)，得到系統(tǒng)處理出水[2-3]。

1.2 MBR的分類

由于膜組件的作用及其所在反應器中的設置位置存在差異，因此MBR的分類方法也不盡相同。

（1）根據(jù)膜組件的作用，可將膜生物反應器分為分離MBR、曝氣MBR、萃取MBR。在實際污水處理應用中，分離MBR最為常見。

（2）根據(jù)膜組件的位置，膜生物反應器又可分為兩種類型：外置式MBR和浸沒式MBR。外置式MBR把膜組件與生物反應器分開放置，其動力消耗較高。而浸沒式MBR，膜組件則置于其內(nèi)部。與外置式MBR相比，浸沒式MBR具有設備簡單、運行費用低等優(yōu)點，但是其操作管理較為復雜。

此外，MBR的分類還可根據(jù)反應器是否需氧、膜組件材質(zhì)、膜孔徑大小等依據(jù)進行分類。

1.3 MBR的應用

MBR的研究最早在上世紀60年代的美國開始，中國對MBR的相關研究直到上世紀90年代末才開始[4]，但發(fā)展趨勢很快，研究范圍和應用廣泛。隨著科學技術不斷發(fā)展，膜技術趨于成熟，MBR適用領域不斷拓展，其處理規(guī)模也在日益增加，從起初處理量不足500m3/d躍升至86.4×104m3/d[5]。

雖然MBR的應用規(guī)模以及適用領域正在不斷拓展，但需要強調(diào)的是，膜成本高及膜污染嚴重等問題仍是制約該技術廣泛應用的主要因素。對此，國內(nèi)外研究者積極研究并提出了有效的膜污染控制策略。例如，F(xiàn)aust等人將MBR控制在極短的SRT與HRT下運行，利用生物絮凝污水中有機物質(zhì)，以避免嚴重的膜污染現(xiàn)象出現(xiàn)[6];周超等人綜述了通過化學法控制膜污染的研究進展[7]。除此之外，將MBR工藝與其他工藝耦合，有望在提升污水處理效率的同時，有效減緩膜污染。

2 耦合MBR的研究進展

2.1 生物膜-膜生物反應器

2.1.1 粉末活性炭-膜生物反應器

粉末活性炭（PAC）因其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)，較強的吸附能力，在污水處理領域應用廣泛。PAC在吸附和去除污水中膠體等物質(zhì)時，微生物也可粘附在其表面生長。PAC與MBR 耦合工藝顯示出對UV254、TOC和氨氮較高的去除率[8]。Wang等人開展了該技術用于處理垃圾滲濾液的研究，結(jié)果表明其對氨氮的去除率高達83%[9]。

盡管PAC可以在一定程度上改善MBR的處理性能，減緩膜污染，但過量的PAC會導致負面影響，加劇膜污染[10]。

2.1.2 移動床-膜生物反應器

移動床-膜生物反應器是另一種具有代表性的生物膜-膜生物反應器。將移動床反應器與MBR 耦合，保留各自工藝的優(yōu)勢以實現(xiàn)污水的高效處理。已有研究證實，移動床-MBR對固體懸浮物的去除效率高達100%[11]。當采用該技術處理印染工業(yè)園區(qū)綜合廢水時，其對COD、氨氮的去除率分別可達80.4%、93.1%[12]。

上述耦合工藝在一定程度上強化了MBR的處理性能，但也存在局限性。例如，生物膜-膜生物反應器隨著溫度的降低，膜污染反而加劇[13]，因此，其并不適合處理溫度梯度較大的污水。

2.2 膜電生物反應器

近年來，一種集電動力學作用、生物作用與膜過濾作用于一體的膜電生物反應器（MBER）引起了國內(nèi)外學者的關注。通過在MBR膜組件兩側(cè)放置電極陽極和陰極，通電后水中產(chǎn)生大量自由基，進而利用自由基強的氧化特性實現(xiàn)污水的凈化處理。

Khalid等人采用圓形MBER進行研究，與傳統(tǒng)MBR相比，MBER對COD、TP的去除效率顯著提高[14]。閆凱麗等人利用缺氧/好氧電化學膜生物反應器進行研究時發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在外加2V電壓時對COD和TN的去除率分別為89.4%、92.2%，相較不加電壓處理時分別提升了1.8%、24.9%[15]。

MBER工藝提高污水處理效率的同時還減輕了膜污染。然而，在實際的應用中電極的制備相對復雜，且電極中含有鋅、鉛等重金屬，易造成二次污染。

3 結(jié)語

MBR及其耦合工藝的研究已經(jīng)取得了一定的進展，并在實際工程中也有所應用，但面對能源耗竭、資源短缺的現(xiàn)狀以及膜污染嚴重、能耗高等弊端，如何利用MBR技術實現(xiàn)低碳資源化處理仍需進一步的研究。

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