MBR 膜技術(shù)用于污水處理的研究分析

朱萬進(jìn)

（國能徐州發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221166）

0 引言

膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)（MembraneBioreactor，MBR）在1900 年問世，于1960 年迅速發(fā)展并在國外展開應(yīng)用。最早一批被投放在微生物發(fā)酵工業(yè)中使用。隨著我國材料科學(xué)的不斷進(jìn)步和制膜工藝的提升，膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)已經(jīng)被相繼應(yīng)用到食品生產(chǎn)加工、冶金、化工、醫(yī)療廢水處理等多個范疇。膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)實現(xiàn)了對水力滯留時間（HRT）和污泥滯留時間（SRT）的獨立控制。其優(yōu)點是占地面積小、節(jié)能環(huán)保、出水質(zhì)量高、污泥余量小。

1 MBR 膜技術(shù)的概述

MBR 膜技術(shù)又稱作膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)，是一種水處理工藝，工作原理是生物處理單元和經(jīng)膜分離單元結(jié)合的新型水處理技術(shù)[1]。MBR 膜技術(shù)的膜有不同的種類，根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)分類包括平板膜、中空纖維膜、管狀膜等；根據(jù)膜孔分類包括闊微濾膜、反滲透膜、超濾膜、納濾膜等，MBR 膜技術(shù)主要被投放在水資源再利用領(lǐng)域上被使用。

1.1 MBR 膜技術(shù)的工作原理

MBR 膜技術(shù)分為一體式、復(fù)合式和分置式三種類型[2]。

1）一體式MBR 膜技術(shù)，其原理是在生物反應(yīng)器中安裝膜組件，膜生物反應(yīng)器中含有活性污泥，活性污泥能夠去除污水中的污染物，然后泵會發(fā)揮出傳送作用，將其推送至膜進(jìn)行過濾完成水的處理。

2）復(fù)合式MBR 膜技術(shù)，其原理是建立在一體式MBR 膜技術(shù)基礎(chǔ)之上的特殊表現(xiàn)形式，在生物反應(yīng)器中加入特殊的填充物質(zhì)，并使其發(fā)揮填充物的特性，為污水處理增添優(yōu)勢。

3）分置式MBR 膜技術(shù)，是將過濾膜作為獨立體和生物反應(yīng)器分開，生物反應(yīng)器中的混合液體在泵的壓力作用下透過膜，以此達(dá)到水污染的處理效果。

1.2 MBR 膜技術(shù)的工藝特點

MBR 膜技術(shù)中的膜起到至關(guān)重要的作用，膜的作用是過濾生物反應(yīng)器中的活性污泥，攔截有機大分子污染物，使經(jīng)過生物反應(yīng)器處理后的廢水能夠正常排出。膜的原理和傳統(tǒng)工藝的二次沉淀原理極為相似，所以膜的出現(xiàn)成功取締傳統(tǒng)工藝的二次沉淀，使傳統(tǒng)工藝的弊端得到解決。MBR 膜技術(shù)的優(yōu)點：

1）出水水質(zhì)優(yōu)良，此工藝和其他的工藝相比，MBR膜技術(shù)出水的水質(zhì)量是最高的，實現(xiàn)了水資源的重復(fù)利用，這也是當(dāng)今膜生物反應(yīng)器領(lǐng)先的重要原因。

2）污泥余量較少，污水經(jīng)MBR 膜技術(shù)處理和傳統(tǒng)工藝技術(shù)處理相比，MBR 膜技術(shù)處理后的污泥剩余量明顯比傳統(tǒng)工藝技術(shù)處理后的污泥剩余量少，甚至達(dá)到零淤泥排放量，解決了傳統(tǒng)工藝造成的污泥余量過盛的問題，而MBR 膜技術(shù)的可操控性和管理也尤為便捷和簡單，實用性也更強。

3）占地面積小，節(jié)約土地資源。

2 MBR 模技術(shù)的意義

水是一種非常寶貴的自然資源，人類的生活生產(chǎn)離不開水。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國平均每年每人水資源的占有量不足全世界水平均量的1/4，大約只有2 250 m3。中國是人口大國，對水資源需求量較大，我國大約有600 多個城市，在這600 個城市中幾乎大多數(shù)的城市都在面臨著缺水的問題，間接說明我國缺水問題的嚴(yán)重性，平均每年水資源的缺乏量可達(dá)60 億m3，我國每年為補充缺水量將近耗資2 000 億元。正因如此，實現(xiàn)水資源的可重復(fù)利用是必要的。MBR 模生物反應(yīng)器是一種有效的污水處理工藝，經(jīng)過處理后的污水，水質(zhì)量能夠達(dá)到規(guī)定指標(biāo)。MBR 模生物反應(yīng)器也是現(xiàn)階段相對較好的一種污水處理工藝，其具有環(huán)保性、經(jīng)濟性、社會效益性，在污水處理領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注度[3]。

3 MBR 膜技術(shù)的分類

3.1 反滲透膜技術(shù)

反滲透其實是過濾的一個步驟，反滲透膜技術(shù)的作用是將液體溶劑通過壓力加壓到膜的另一面，所以，滲透需要一定的物理壓力支持，即將壓力轉(zhuǎn)換為推動力然后進(jìn)行擠壓作用。但反滲透膜技術(shù)的原有壓力有一定限度，這就要求在溶液分離過程中，液體的壓力不可以超過反滲透的壓力。反滲透膜技術(shù)的特點是沒有污染、運行操作簡單便捷、有一定可選擇性、維修養(yǎng)護方便、設(shè)備運行耗能較低、結(jié)構(gòu)合理科學(xué)，是一種比較環(huán)保健康的水處理膜技術(shù)。

3.2 滲透蒸發(fā)膜技術(shù)

滲透蒸發(fā)膜技術(shù)即液體通過滲透作用和蒸發(fā)作用后再分離的原理，滲透蒸發(fā)膜技術(shù)的特點是設(shè)備運行費用和投資資金偏低，但發(fā)展前景和發(fā)展空間還有待進(jìn)一步提升。

3.3 超濾膜技術(shù)

濾過膜技術(shù)能夠?qū)腆w物質(zhì)和液體物質(zhì)的濃度進(jìn)性高效分離，同時還能辨別分解物質(zhì)的等級。超濾膜技術(shù)的特點是其自身性能比較高端，能同時對大分子物質(zhì)和固體物質(zhì)實現(xiàn)有效濃縮和分離。超濾膜技術(shù)是當(dāng)今最為實用的一種技術(shù)，和其他膜技術(shù)相比，耗能和運行資金方面有一定經(jīng)濟性，在污水處理領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

3.4 微濾膜技術(shù)

微濾膜技術(shù)表面孔隙較多，膜的厚度略微單薄，運行機制是將推動力轉(zhuǎn)化為靜壓差，物質(zhì)分離在網(wǎng)狀過濾介質(zhì)中進(jìn)行。微濾膜技術(shù)特點是精確度高、膜孔直徑大小勻稱、過濾分離速率快、介質(zhì)完好。微濾膜技術(shù)在飲食領(lǐng)域、生物制藥領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍。其能夠達(dá)到高效去除菌群、去除顆粒物質(zhì)、凈化和濃縮。

4 MBR 膜技術(shù)處理污水工藝具體體現(xiàn)

4.1 厭氧、缺氧交替工藝

厭氧和缺氧交替工藝在污水處理中的優(yōu)勢在于其能夠加強生活污水里氮、磷的處理效果，強化脫氮除磷工藝環(huán)節(jié)。工藝組成是厭氧池和缺氧池共同構(gòu)成交替反應(yīng)池，將含有好氧池的濾過單元放入池中。好氧池的底面作用是改變回流污泥的流動方向，能夠起到污水治理的效果。在設(shè)備具體運行過程中，會順次產(chǎn)生缺氧環(huán)境和厭氧環(huán)境，對污水實行同時脫氮處除磷、硝化作用、生化需氧量（BOD）消除等環(huán)節(jié)。此外好氧反應(yīng)器在連續(xù)曝氣過程中能降低膜污染，還能有效提高清洗的范圍。厭氧和缺氧交替工藝的應(yīng)用比較常見，在所有污水處理工藝中占據(jù)一定優(yōu)勢。

4.2 A2/O+MBR 膜技術(shù)工藝

A2/O+MBR 膜技術(shù)工藝是將A2/O 技術(shù)和MBR 膜技術(shù)進(jìn)行融合，取其兩者精華，摒棄兩者糟粕，二者結(jié)合的污水處理方式能夠有效配合，實現(xiàn)污水的高效率轉(zhuǎn)化。A2/O+MBR 膜技術(shù)工藝的優(yōu)點是降低水的留存時間，與此同時，能夠同步進(jìn)行硝化作用以及反硝化作用。盡管C/N 水平較低，也不會影響污水處理效果，而對脫氮除磷的作用效率很高，其次對各種污染物質(zhì)也能做到有效去除，在污水處理領(lǐng)域有重要的應(yīng)用意義。

4.3 PAC-MBR 膜技術(shù)工藝

PAC-MBR 膜技術(shù)工藝是指將PAC 放置在MBR膜技術(shù)設(shè)備污染混合液中。通常情況下的污水處理，是以PAC 顆粒作為污泥絮體的框架。絮凝混合液中的物質(zhì)可通過該工藝進(jìn)行吸附，例如：細(xì)微膠體、溶解性有機物質(zhì)、胞外聚合物等物質(zhì)，可加大污泥顆粒的直徑，抗壓性也會隨之增加[4]。同時膜面沉積層孔隙率會有顯著的上升，密壓性會隨之而降低。最終，PAC-MBR 膜技術(shù)工藝中的膜過濾阻力和膜被污染的程度會降低，實質(zhì)上是膜通量的增加來達(dá)到污水的成效。PAC 污泥絮體的吸附作用與生物降解作用之間有何不可分割的協(xié)同關(guān)系，作用過后會生成生物活性炭，在有機感染物處理環(huán)節(jié)中，PAC 會重新生成利用性，依次加長膜清洗周期。

4.4 進(jìn)水、回流工藝

4.4.1 進(jìn)水

脫氮除磷一直都是污水處理的重難點，為進(jìn)一步加強污水廠脫氮除磷的成果，污水處理廠對污水來源途徑進(jìn)行合理規(guī)劃，對即將進(jìn)入的污水進(jìn)行有效管控。需要格外注意的是，要控制好污水的比例，保證厭氧池以及缺氧池內(nèi)的污水在有效范圍之內(nèi)。

4.4.2 回流

回流環(huán)節(jié)的處理受多方面因素的影響，例如：MBR 膜技術(shù)工藝的特點和應(yīng)用規(guī)定、污泥回流和硝化液規(guī)范化使用。

三段回流方式是MBR 膜工藝中的一種，主要是加大混合液中的氧氣水平，合理設(shè)定設(shè)備參數(shù)，實現(xiàn)對MBR 膜池消化液回流環(huán)節(jié)的把控，防止出現(xiàn)直接回流現(xiàn)象。

4.5 好氧區(qū)和優(yōu)化措施

在整個MBR 膜技術(shù)工藝流程中，回流和進(jìn)水程序的方法需要做進(jìn)一步的優(yōu)化，實現(xiàn)有效發(fā)揮污水處理過程中混合液回流提升和系統(tǒng)功能的提升[5]。通常情況下，大多數(shù)MBR 膜技術(shù)工藝提升系統(tǒng)需要利用水泵的功能，把污水從好氧池內(nèi)提升到構(gòu)建的膜池里，由于混合液具有一定重力，利用重力將污水引入構(gòu)建好的生物池中。生物池中的污水會在MBR 膜技術(shù)工藝中的提升系統(tǒng)中實現(xiàn)進(jìn)一步的自動化調(diào)整，該步驟的目的是防止生物池深度過低，將好氧池中的污水直接引入相應(yīng)的膜池[6]。該過程的優(yōu)點是對出水水質(zhì)有一定保證。另外，還需格外關(guān)注MBR 膜技術(shù)工藝中的好氧池，如果將混合液DO 的濃度高度作為基準(zhǔn)點，則溶液融合的速度會有顯著的提升，使混合液能夠懸浮，并且紊流狀態(tài)相對較好。

4.6 設(shè)備參數(shù)設(shè)定以及MBR 膜技術(shù)處理工藝的運行維護

4.6.1 設(shè)備參數(shù)設(shè)定

MBR 膜技術(shù)工藝設(shè)備的運行，調(diào)配參數(shù)是污水處理的重要步驟，參數(shù)的設(shè)定直接影響污水的處理情況。污水來源不同，參數(shù)的設(shè)定也不同，要根據(jù)污水的特點設(shè)定合理的、科學(xué)的設(shè)備運行參數(shù)。例如污水中淤泥負(fù)荷多大或者污泥濃度過高，設(shè)備的參數(shù)需要隨之增大，這樣才能達(dá)到污水有效處理的效果[7]。

4.6.2 MBR 膜技術(shù)處理工藝的運行維護

膜組件的通透性直接影響出水能力，膜組件的通透性降低，出水量就會減少。所以，所以在日常的運行維護方面，要注重膜組件的清洗和保養(yǎng)。離線清洗和在線反洗系統(tǒng)共同作用能夠在一定程度上恢復(fù)膜的通透性。

5 MBR 膜技術(shù)污水處理的應(yīng)用

MBR 膜技術(shù)在污水的處理中應(yīng)用范圍很廣泛，本次主要闡述應(yīng)用農(nóng)村生活污水、城市污水以及煤化工污水的處理。

5.1 農(nóng)村生活污水的應(yīng)用

近年來，農(nóng)村的經(jīng)濟發(fā)展受到國家高度重視，在國家政策的有效引導(dǎo)下，農(nóng)村經(jīng)濟得到了大幅度的提升，但是，農(nóng)村的環(huán)境問題并未引起相應(yīng)部門的重視，水污染尤為嚴(yán)重的問題。生活在農(nóng)村的村民對污水的排放毫無意識，池塘、小溪等都是農(nóng)民任意排放污水的地方，長時間的污水積累，水質(zhì)漸漸發(fā)黑，臭氣很大，導(dǎo)致許多蚊蟲滋生，不僅環(huán)境臟亂不堪，對農(nóng)民的身體健康也存在著潛在威脅。農(nóng)村生活污水具有氨氮和溶解磷含量較高的特點，所以在污水處理技術(shù)的選擇上非常廣泛，例如：厭氧池、好氧池、MBR 池的A2O-MBR 一體式反應(yīng)器等都能夠?qū)r(nóng)村污水進(jìn)行有效降解，能夠有效去除水中的氮磷含量和污染物。經(jīng)A2O-MBR 一體式反應(yīng)器處理過的污水等級可達(dá)國家一級水平。

5.2 城市污水處理

城市污水一般經(jīng)管道匯集到城市污水處理廠進(jìn)行處理，大量且集中的污水可選擇厭氧膜生物反應(yīng)器，這種反應(yīng)器完全取代了傳統(tǒng)的二沉池，消除了污泥大量堆積的顧慮。在城市城市污水的處理上，厭氧膜生物反應(yīng)器還有很多優(yōu)勢，例如：該反應(yīng)器大小無限制，對硬件無硬核要求，對城市建設(shè)的需求性達(dá)到較高的滿足性；該反應(yīng)器在工作中不需要向反應(yīng)器曝氣，使建設(shè)和運行費用得到控制，符合節(jié)能環(huán)保的需求；該反應(yīng)器在工作中可產(chǎn)生沼氣，充分實現(xiàn)了資源的可重復(fù)利用；對高濃度積液廢水和餐飲的含油性廢水也能達(dá)到非常好的處理結(jié)果。

5.3 煤化工廢水處理

煤化工在工藝流程運行中會產(chǎn)生大量的廢水，廢水中含有大量的無機污染物和有機污染物，蘭炭廢水和焦化廢水就是常見的兩種煤化工廢水，其成分極其復(fù)雜，處理起來難度非常大，至今仍是污水處理中的難題。針對以上兩種廢水可采取以下措施。

蘭炭廢水是在中低溫干餾環(huán)境下產(chǎn)生的。有平臺提出一套流程優(yōu)化且降低費用的聯(lián)合處理工藝，工藝流程如下：“預(yù)處理→厭氧酸化→混凝沉淀→MBR 平板膜生物反應(yīng)器”，經(jīng)此工藝處理后出水水質(zhì)優(yōu)良，能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

焦化廢水是在高溫干餾環(huán)境下產(chǎn)生的，其中包含大量的有毒物質(zhì)。目前針對焦化碳水的處理采取“電解+MBR 工藝”。其工藝原理如下：

1）將重油類物質(zhì)通過電解預(yù)處理以沉淀的方式去除。

2）混凝工藝負(fù)責(zé)去除清油和乳化油，但混凝工藝清除乳化油不徹底，常常會有少部分的殘留，殘留的部分和大量的氰化物、酚類等物質(zhì)可通過電解徹底去除。

3）經(jīng)電解處理后，廢水中的其他污染物通過MBR工藝降解去除。

4）處理過的廢水再經(jīng)次氯酸鈉消毒方可達(dá)到排放的標(biāo)準(zhǔn)。

6 進(jìn)一步提高M(jìn)BR 膜技術(shù)應(yīng)用效果的途徑

MBR 膜技術(shù)在處理污水中的應(yīng)用價值很高，但是MBR 膜技術(shù)處理污水的成本不容小覷，膜污染和能耗問題限制了MBR 膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。MBR 膜技術(shù)尚有很多改善的空間。

6.1 合理解決膜污染問題

膜的使用壽命受大分子無機物和有機物等影響，這些物質(zhì)會形成沉淀堆積在膜的表面，膜的通透性會降低，逐漸堵塞，降低膜的使用壽命。有研究結(jié)果表明，在物質(zhì)孔徑和膜的孔徑在極為接近或孔徑大于膜孔的情況下，膜孔極易發(fā)生堵塞。解決措施如以下兩點：從材料問題著手，發(fā)掘新的膜制作材料，在控制材料制作成本基礎(chǔ)上達(dá)到延長膜使用壽命的目的。也可在原材料上進(jìn)行改進(jìn)，提高膜的實用性；膜清洗技術(shù)，對堵塞的膜進(jìn)性清潔，讓膜恢復(fù)通透性，在清洗的同時要保證不會對膜造成損壞。微納米氣泡技術(shù)在這一方面有很大的研究空間[8]。

6.2 有效處理能耗問題

不同類型的MBR 工藝在耗能方面具有一定差異性，分置式的耗氧MBR 的能耗比活性傳統(tǒng)污泥工藝高出十倍以上，一體式的MBR 于傳統(tǒng)工藝相差不大，但是一體式的MBR 在維持錯流效應(yīng)上的能耗非常高，綜合相比一體式的MBR 并不比分置式的耗氧MBR 耗能少。尋找其他的工藝和MBR 膜技術(shù)對接，或者開發(fā)新的工藝將能耗降到最低是有效解決能耗問題的辦法[9]。

膜污染和能耗問題改進(jìn)，MBR 膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒆哌M(jìn)新的里程。

7 MBR 膜技術(shù)的發(fā)展展望

7.1 拓展石油化工領(lǐng)域范圍應(yīng)用

近年來，MBR 膜技術(shù)已經(jīng)被投放到市政污水、農(nóng)村生活污水、工業(yè)廢水、煤化工廢水、醫(yī)藥廢水等多個領(lǐng)域使用。預(yù)測在將來MBR 膜技術(shù)還會被應(yīng)用到石油化工領(lǐng)域，特別是石油化工產(chǎn)業(yè)，石油化工產(chǎn)業(yè)中的油田淡水供應(yīng)、污水處理、生產(chǎn)、以及加工程序中的反應(yīng)、分離、濃縮、純化等環(huán)節(jié)，都可以運用MBR 膜技術(shù)進(jìn)行處理。所以MBR 膜技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景還是比較可觀的。

7.2 MBR 膜技術(shù)科技水平提升

根據(jù)近幾年的社會發(fā)展形勢來看，社會各界對科技的研究投入比較大，各種新型技術(shù)不斷興起，在污水處理領(lǐng)域也不例外。目前在MBR 膜技術(shù)的水處理工藝尚存在一些問題，可利用當(dāng)下的高科技技術(shù)和MBR 膜技術(shù)進(jìn)行有機結(jié)合。比如在MBR 膜技術(shù)上建立計算機網(wǎng)絡(luò)，增加信息處理技術(shù)，對設(shè)備運行的各項數(shù)據(jù)及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計整合，使MBR 膜技術(shù)的水處理過程及效果更佳明確和清晰，為水處理工作提供可視性。

8 結(jié)語

我國的水污染處理目前在MBR 膜技術(shù)的推動下已經(jīng)得到了很大改善，MBR 膜技術(shù)擁有很多優(yōu)勢，在處理水污染上取得了一定價值，雖然MBR 膜技術(shù)的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)水處理工藝，由于膜的使用成本和能耗問題使MBR 膜技術(shù)的應(yīng)用范圍正在縮減。所以要維持MBR 膜技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，就要對膜的污染和能耗問題提出解決對策，這兩個難題一旦被攻克，MBR 膜技術(shù)將發(fā)揮最大應(yīng)用價值，帶動水處理技術(shù)走向新紀(jì)元，從而解決污水處理的難題。