MBR 技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用和研究進展

劉建軍，呂 鳳，韓豐澤，馬 乾

（1.北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206；2.武漢紡織大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430000）

隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，生活垃圾逐年增加，大量排放導(dǎo)致水質(zhì)不斷惡化。各國努力控制污水排放標準，升級超載污水處理技術(shù)以滿足越來越嚴格的地方水質(zhì)標準。膜生物反應(yīng)器（MBR）具有污染物去除效率高、出水質(zhì)量高、剩余污泥產(chǎn)量低和占地面積小等良好特點，在污水處理應(yīng)用中占比逐漸增大［1-6］。MBR 在國內(nèi)的研究和商業(yè)應(yīng)用取得了明顯的進展。

1 MBR 概述

MBR 是一種類似于微濾和懸浮生長生物反應(yīng)器組合的膜工藝［7］（圖1），被廣泛用于市政廢水和工業(yè)廢水處理。與常規(guī)活性污泥工藝相比，MBR 工藝具有出水質(zhì)量高、占地面積小、多余污泥產(chǎn)生量較少等優(yōu)點；但由于能耗高、膜污染，極大地限制MBR 的發(fā)展，隨著能源消耗和膜材料的優(yōu)化，使這項技術(shù)成為更現(xiàn)實可行的選擇。

圖1 現(xiàn)場規(guī)模的MBR 系統(tǒng)

MBR 工藝反硝化效果不佳，結(jié)垢和運行成本昂貴等阻礙MBR 在實際工藝中的進一步應(yīng)用［8］，MBR膜的能耗較傳統(tǒng)工藝高，在藥劑的使用上也比傳統(tǒng)工藝多［9］。從運行成本和持續(xù)性方面來看，MBR 在實際工藝中并不十分受歡迎。陳軍［10］發(fā)現(xiàn)常規(guī)分離式MBR 運行能耗為3~4 kWh/m3，淹沒式MBR 運行能耗為0.6~2.0 kWh/m3，要遠高于活性污泥法（0.3~0.4 kWh/m3）。MBR 應(yīng)用網(wǎng)對世界范圍內(nèi)近20年700 余座大型MBR 污水處理廠的應(yīng)用情況進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，MBR 在實際應(yīng)用中使用率不斷下降（圖2），主要是因為運行成本昂貴、膜污染嚴重、膜組件成本較高［11］。

圖2 1996—2017 年MBR 工程應(yīng)用數(shù)量趨勢

MBR 技術(shù)起源于20 世紀60 年代的美國，MBR研究與應(yīng)用可分為3 個階段［12］。

第一階段（1966—1980 年）：美國Dorr-oliver 公司首先將MBR 用于廢水處理研究；1968 年，好氧活性污泥法與超濾膜相結(jié)合的MBR 用于處理城市污水；1969 年美國獲得了分離式MBR 技術(shù)專利。在20 世紀70 年代初期，膜生產(chǎn)技術(shù)的限制阻礙了MBR 的應(yīng)用，直到20 世紀70 年代后期，好氧MBR 才開始在北美大規(guī)模應(yīng)用［13］。

第二階段（1980—1995 年）：20 世紀70 年代末期，因為國土面積小和地面水體徑流距離短，日本的環(huán)境自凈能力差、生態(tài)系統(tǒng)脆弱。MBR 憑借占地面積小和出水水質(zhì)優(yōu)良的優(yōu)勢，在應(yīng)用中有飛速的進展。

第三階段（1995 年以后）：MBR 在歐洲和中國得到發(fā)展，處理對象從生活污水擴展到工業(yè)廢水。MBR 已經(jīng)進入實用化階段。其處理對象從生活污水擴展到高濃度有機廢水和難降解工業(yè)廢水，如制藥廢水、化工廢水、糞便污水等［13］。21 世紀后，隨著膜分離技術(shù)、組裝結(jié)構(gòu)和設(shè)備制造發(fā)展的進步，以及中國對于污水處理排放標準的提高，MBR 工藝在中國得到了非常廣泛的應(yīng)用［14］。

MBR 自1966 年開始發(fā)展到2022 年，已經(jīng)接近60 年，隨著科技和時代的進步，原有的MBR 技術(shù)不斷被科研人員改進并優(yōu)化。MBR 種類也由最初的單一MBR，發(fā)展到與各種技術(shù)相結(jié)合處理能力更加高效的綜合工藝。新型MBR 的研發(fā)應(yīng)當繼續(xù)進行，還需同步探究膜污染的機理。

2 MBR 工藝及其研究進展

2.1 MBR 工藝的組成

MBR 主要由生物反應(yīng)器和膜組件組成。生物反應(yīng)器主要降解有機物質(zhì)，膜組件是MBR 的核心構(gòu)件，根據(jù)兩者的結(jié)合方式有較多分類方式。按膜組件類型分為螺旋卷式、板框式、圓管式、中空纖維式和毛細管式5 種類型；按膜組件在反應(yīng)器中的作用，膜反應(yīng)器分為3 類，曝氣式MBR、膜分離MBR、萃取式MBR；按照膜系統(tǒng)的組成可分為微濾MBR、超濾MBR、納濾MBR、滲透汽化MBR 等；按需氧方式可分為厭氧和好氧2 大類。厭氧MBR 針對高難度有機廢水的處理，好氧MBR 針對城市和生活污水的處理；按膜組件和生物反應(yīng)器的相對位置可分為分置式和一體式［15］。新型MBR 有厭氧氨氧化MBR［16］、振動MBR（VMBR）［17，18］、空氣噴射MBR（ASMBR）［18］、自成型動態(tài)膜MBR（SFD-MBR）［19］、緩壓滲透MBR（PRO-MBR）［20］、微生物燃料電池MBR（MFC-MBR）［21］、一體式厭氧膜MBR 反滲透氯化工藝、移動床MBR（MB-MBR）、缺氧-好氧MBR（A/O-MBR）［22］等。

2.2 新型MBR 工藝研究進展

2.2.1 厭氧氨氧化MBR 厭氧氨氧化是氨（NH4+）在厭氧條件下氧化為氮氣并且將提供的亞硝酸鹽（NO2-）作為還原劑的過程［23］。與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，厭氧氨氧化可以減少60%的曝氣量，減少100%的外源電子供體，減少90%的污泥產(chǎn)量［24］。然而，厭氧氨氧化菌（AnAOB）的生長速度較慢（倍增時間為10~14 d），這極大限制了厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用［25，26］。

Jiang 等［16］設(shè)計了一個圓柱形厭氧氨氧化MBR，在運行了174 d（前74 d 為啟動器，后100 d 為正式運行期）后發(fā)現(xiàn)，在厭氧氨氧化MBR 的正式運行過程中，氨氮和亞硝酸氮的平均去除率均超過95%，微生物群落中浮霉狀菌從0.05%增加到27.42%，變形菌門從73.92%急劇下降到30.19%，也證明了AnAOB的富集，體現(xiàn)了該裝置優(yōu)秀的脫氮性能。

2.2.2 振動MBR 振動MBR 工作原理是膜組件不斷在MBR 內(nèi)按一定頻率振動產(chǎn)生剪切力，提高除污效率并且減少膜污染發(fā)生的頻率。振動剪切強化處理膜組件首先由埃默里維爾的新邏輯研究公司開發(fā)，起源于1992 年阿曼多提出的動態(tài)分離概念。Low 等［27］進一步證明，膜振動在廢水處理和回收過程中使用成本較低。膜振動、往復(fù)運動或旋轉(zhuǎn)已被證明是MBR 應(yīng)用中更加節(jié)能的技術(shù)，因為其比能量可完全應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)電機，產(chǎn)生剪切應(yīng)力。Wang 等［18］建立了一種新型振動平板陶瓷膜生物反應(yīng)器（VM?BR），與ASMBR 在相同條件下運行，研究不同剪切速率對處理性能、污垢控制和比能量需求的影響。結(jié)果表明，VMBR 在3 個階段均延緩了跨膜壓差（TMP）增加，有效地控制膜污染，VMBR 比ASMBR的污染率低約為70%?；旌弦旱牧６确植硷@示，VMBR 中的膠體和生物聚合物簇顯著減少，相較于ASMBR，VMBR 延緩膜污染的能力更強。VMBR 技術(shù)大多數(shù)僅停留在實驗室規(guī)模且研究較少，該技術(shù)并沒有廣泛應(yīng)用于市面上。因此，仍需對VMBR 中濾餅層特征進行分析，研究VMBR 在不同的剪切力條件下的除污能力，探索內(nèi)部污染機理。

2.2.3 自成型動態(tài)膜生物反應(yīng)器（SFD-MBR）動態(tài)膜生物反應(yīng)器（DMBR）用廉價的微網(wǎng)材料替代MBR中的濾膜，利用污水在通過基材時截留下來的污泥顆粒形成生物膜來起到凈化進水和過濾作用的一種新型污水處理工藝［28］。DMBR 通常采用淹沒式動態(tài)膜生物反應(yīng)器（圖3）。

圖3 動態(tài)膜生物反應(yīng)器

在DMBR 基礎(chǔ)上又發(fā)展出新型DMBR，農(nóng)產(chǎn)品向食品的工業(yè)轉(zhuǎn)化包括各種加工過程，并產(chǎn)生具有重復(fù)使用價值的廢水。超濾MBR 的聚合物膜的性能很大程度上取決于污染現(xiàn)象的預(yù)防和解決，為解決這一局限，使用微濾網(wǎng)取代超濾膜的SFD-MBR技術(shù)被提出［29］。Vergine 等［19］處理罐頭和酒廠廢水，建立兩臺小型SFD-MBR，在好氧條件下運行87 d。結(jié)果顯示，有機物去除率始終高于90%，并且觀察到活性污泥特性會影響過濾性能，尤其是毛細抽吸時間（閾值為11 s），該參數(shù)可以作為SFD-MBR 過濾性能的早期預(yù)警。SFD-MBR 對有機物去除效果良好，對活性污泥截留效果良好，有潛力成為廣泛處理酒廠和罐頭廠廢水的新型MBR 工藝。

2.2.4 工程緩壓滲透膜生物反應(yīng)器（PRO-MBR）滲透膜生物反應(yīng)器（OMBR）因其出水質(zhì)量高和抗污染性強，在廢水處理和回用方面受到越來越多的關(guān)注。然而，高能耗限制了OMBR 的廣泛應(yīng)用。為解決 這 一 問 題，Liu 等［20］提 出 了 一 種 新 型 的PROMBR，以提高其經(jīng)濟可行性。與傳統(tǒng)的FO-MBR 相比，PRO-MBR 具有優(yōu)良的污染物去除性能，并可以回收大量能量（4.1 kWh/100（m2·d））。與FO-MBR相比，水回收的比能耗降低了10.02%。

PRO-MBR 工藝作為一種新型的前置膜生物反應(yīng)器，相較于傳統(tǒng)的前置膜生物反應(yīng)器有較強的污染物去除能力和水通量性能，并可以產(chǎn)生大量的能量（4.1 kWh/100（m2·d）），比能耗也降低了10.02%。但該工藝受到嚴重且復(fù)雜的膜污染，膜污染導(dǎo)致的通量下降也限制了PRO-MBR 的發(fā)電性能。該技術(shù)在廢水處理和回收中的應(yīng)用值得進一步研究，且應(yīng)著重于膜污染的研究。

3 膜工藝的主要問題

膜工藝被廣泛應(yīng)用于實際污水處理中，并取得了良好的水處理效果。但在應(yīng)用過程中也暴露出明顯的缺點，例如能耗高、抗沖擊負荷能力不強。全規(guī)模MBR 工藝的平均建設(shè)投資和運營費用是傳統(tǒng)活性污泥工藝的1.7 倍［30］。城市污水的MBR 裝置的平均總資本投資為3 800元/（m3·d），相比之下，2012年，中國城市污水處理廠平均成本為2 200元/（m3·d）［30］。膜通量限制降低，如果需要維持膜通量，則需要更大的壓力，因此膜污染或膜孔堵塞導(dǎo)致更高的能耗［31］。此外，為了避免在罐膜中出現(xiàn)的嚴重的膜污染，必須使用相對較高的溶解氧，該特征進一步加劇了高能耗。

3.1 膜工藝的高能耗

隨著水質(zhì)標準的提高、制膜成本的降低和膜性能的改善，MBR 污水處理工藝受到廣泛關(guān)注，然而高昂的能耗支出卻極大阻礙了其發(fā)展和應(yīng)用。何曉衛(wèi)［32］以昆明某污水廠開展MBR 工藝節(jié)能技術(shù)的研究，得出以下結(jié)論。①MBR 工藝污水處理廠能耗較高，其中88.1%來源于電耗，而電耗的63.0%用于鼓風曝氣；②多點進水能降耗，多點進水能提高后置缺氧池反硝化的效果，多點進水位置為厭氧池、缺氧池和好氧池，進水比例為4∶4∶2 時出水效果較好。孫劍宇［33］將膜池曝氣系統(tǒng)工程改造成脈沖曝氣模式，在不加劇膜污染的前提下，脈沖曝氣可以降低膜池曝氣量31%，平均噸水能耗降低0.11 kWh/m3，確定了該MBR 工程最佳曝氣條件（平均SAD 值）為33 m3/（m2·h）。Wang 等［34］對中國東太湖流域全規(guī)模MBR 工藝的廢水特性和能耗性能進行研究，發(fā)現(xiàn)全尺寸MBR 工藝在2014 年平均單位能耗（SEC）為0.58 kWh/m3，2018 年SEC 值大幅下降（全尺寸MBR工藝的SEC 為0.52 kWh/m3，CAS 規(guī)格的SEC 為0.46 kWh/m3），主要降低能耗的方式為調(diào)節(jié)吸水泵和曝氣方式。

膜工藝的高能耗是普遍存在的，目前大多數(shù)工程均采用調(diào)節(jié)曝氣方式來降低能耗，但是為了取得最佳曝氣量要經(jīng)過大量嘗試，膜工藝的高能耗在實際應(yīng)用中十分棘手。

3.2 膜工藝的抗水量沖擊能力

膜工藝應(yīng)用在實際工程中會受到持續(xù)不斷的沖擊，如溫度、污染物濃度、水量、溶解氧、碳源、pH 等，其中水質(zhì)水量的影響最為重要。膜工藝的抗水量沖擊負荷能力較差，由于膜的最大通量往往是一個定值，超過此數(shù)值后，TMP 會急劇增大，導(dǎo)致了嚴重的膜污染，出水水質(zhì)也會變差，因此不能通過更大的流量［35］。王翔宇等［36］發(fā)現(xiàn)MBR 系統(tǒng)在臨界通量下，膜通量越小，膜污染越慢；膜通量在臨界通量以上，膜污染在短時間內(nèi)迅速發(fā)展。膜通量為4.16 L/（m2·h）時，不僅能有效控制膜污染，而且處理化學(xué)需氧量（COD）的效率也較高。當進水量多于活性污泥系統(tǒng)設(shè)計量時，出水水質(zhì)就會變差，超出的水量無法被系統(tǒng)處理，所以在通常情況下，系統(tǒng)實際進水量要低于設(shè)計量。李軍等［37］采用中試規(guī)模的缺氧生物濾池對于污水廠中二沉池的出水進行深度處理，研究不同水力負荷下的脫氮效果。結(jié)果表示，當水力負荷大于等于4.3 m3/（m2·h）時，濾池對TN 去除率可達到90%以上；當水力負荷增加至5.4 m3/（m2·h）時，濾池將TN 降至5 mg/L 以下，平均去除率為84%。葛銅崗等［38］用潛流濕地在較高水力負荷下運行，發(fā)現(xiàn)隨著水力負荷增加，即從0.5 m3/（m2·h）增至2.0 m3/（m2·h）時，人工濕地系統(tǒng)對水體COD、NH3-N、TP 的平均負荷削減量均呈現(xiàn)先快速增加后相對平穩(wěn)又快速降低的趨勢，并得出了系統(tǒng)較佳水力負荷為1.2 m3/（m2·h）。這表明系統(tǒng)的實際水力負荷超過或者低于設(shè)計水力負荷，系統(tǒng)對于污染物的去除能力就會下降。

除了水力負荷之外，水力停留時間（HRT）也是在污水處理過程中的一個重要的設(shè)計參數(shù)。隨著季節(jié)的變化和居民生活飲食習慣的變化，水質(zhì)水量也在不斷變化，如果水量過大則會導(dǎo)致污泥濃度下降，影響硝化細菌的正?；顒?，會造成污染物去除率下降，情況嚴重甚至會造成系統(tǒng)崩潰。

HRT 是指待處理污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間，是MBR 的一個重要參數(shù)同時也是膜工藝的抗沖擊能力的一個重要指標，HRT 過小，污水中污泥停留過短，對污泥中的細菌生長不利，特別是對于硝化細菌來說，HRT 過大保證反應(yīng)器營造了利于硝化細菌生長的環(huán)境，但是增加HRT，反應(yīng)器池容也就增大，建造成本也越高。因此，在最佳HRT 下運行是保證MBR 可以更好運用的關(guān)鍵所在。在實際的應(yīng)用中，要控制HRT 在一個合適的區(qū)間內(nèi)，才能保證去除率的穩(wěn)定。彭小明等［39］研究不同HRT 下氨氮和COD 去除率的變化，其中HRT 分別為2、4、6、8、10 h 的平均去除率分別為92.5%、94.3%、95.4%、94.8%、91.2%。隨著HRT 的增加，COD 去除率有一定增加，在6 h 去除率已基本穩(wěn)定，之后隨著HRT 增長，COD 去除率反而減少。這是因為系統(tǒng)啟動開始，增加HRT 可以提高污泥的含量，微生物數(shù)量增加，但繼續(xù)增加HRT 會造成污泥含量過高，微生物內(nèi)源呼吸加劇，影響污泥的活性，微生物之間因為爭食而大量死亡，進而導(dǎo)致COD 去除率降低。HRT 也會影響微生物代謝行為，Wang 等［34］用浸入式中空纖維MBR 現(xiàn)場試驗，將HRT 設(shè)置成6、8、12 h，TMP 由0 升至0.03 MPa 的時間分別為18、23、27 d，溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）分別為5%、6%和9%。HRT 的延長使得膜組件運行時間縮短，影響污泥活性和微生物代謝，微生物代謝產(chǎn)物SMP 含量也隨之增加，進而加快膜的污染過程。因此，優(yōu)化HRT 可以改善膜污染的程度。

4 MBR 的實際應(yīng)用

MBR 主要用于處理廢水，如工業(yè)污水、城市廢水、市政廢水、醫(yī)院廢水等，MBR 的優(yōu)勢十分明顯，能耗高、抗沖擊負荷能力弱等缺點也同樣不能忽視。孫劍宇［33］通過對膜池曝氣系統(tǒng)工程的改造實現(xiàn)了脈沖曝氣模式，降低了31%的膜池曝氣量，進而降低了成本。目前也出現(xiàn)了一些降低能耗的方法，如厭氧工藝和膜工藝結(jié)合，提取污水中部分能量，進而減少水處理能耗。近年來AnMBR 的應(yīng)用范圍已經(jīng)從處理城市污水擴增到處理食品加工廢水、廢棄活性污泥等高濃度工藝廢水［40，41］，為降低AnMBR 設(shè)備維護成本，開發(fā)出多種復(fù)合式AnMBR 系統(tǒng)［42］，如復(fù)合式折流板厭氧反應(yīng)器處理高濃度感光洗印廢水和啤酒廢水［43，44］，復(fù)合式厭氧反應(yīng)器-SBR 工藝處理人工屠宰廢水［45］。Mccarty 等［46］在AnMBR 處理過程中發(fā)現(xiàn)，廢水中的有機物被生物轉(zhuǎn)化為富含甲烷的沼氣，產(chǎn)生的沼氣可以抵消廢水處理的能源需求。AnMBR 可以避免大量曝氣，通過厭氧消化回收甲烷進一步降低系統(tǒng)能耗［47］。Xu 等［48］通過對MBR 曝氣系統(tǒng)和運行方式進行改進，相比較于常規(guī)MBR 曝氣系統(tǒng)，新型MBR 曝氣系統(tǒng)的氣水比可降低20%左右，反沖洗周期至少可延長1.2 倍以上，新型MBR 能耗可降低14%左右。

MBR 主要是通過優(yōu)化曝氣系統(tǒng)來降低能耗。通過延緩膜污染可以降低能耗，張珂儀［49］通過施加低頻交流電來延緩膜污染，但因為電能成本較高，在實際工程中往往難以使用。膜污染機理十分復(fù)，實際工藝往往更傾向于直接改善曝氣系統(tǒng)。此外，MBR 的發(fā)展仍然面臨重大挑戰(zhàn)，包括城市污水中有機物和營養(yǎng)物含量低、鹽度增加、膜穩(wěn)定性、膜污染和出現(xiàn)抑制物質(zhì)等問題。

5 小結(jié)

MBR 在污水處理過程中占有十分重要的地位。MBR 對于污水的處理主要存在膜污染嚴重、運行能耗大、抗水力負荷能力較弱等問題。MBR 系統(tǒng)在污水處理中具有良好的應(yīng)用前景，但膜污染和成本問題仍是限制其在污水處理應(yīng)用中的主要因素。

隨著MBR 在環(huán)境工程中應(yīng)用的不斷深入，新型MBR 也越來越多被提出，如通過電場來輔助MBR 延緩膜污染、通過振動產(chǎn)生剪切力來控制膜污染等。減少運行期間的能源需求和延緩膜污染將是MBR技術(shù)的研究重點，集成式MBR 有望被大規(guī)模使用。