膜生物反應器在污水處理技術中的新應用

單秀華，高書香，褚會麗，王 晶

(承德石油高等?？茖W校石油工程系，河北 承德 067000)

據統計，全國廢水排放總量在逐年增加，而城市污水處理率卻較低。日趨嚴重的水污染不僅降低了水體的使用功能，進一步加劇了水資源短缺的矛盾，而且嚴重威脅到城市居民的飲水安全和健康。城市污水主要包括工業廢水和生活污水，污水中會有大量的難降解有機物，增加了污水的處理難度，影響著污水處理技術的選擇。膜生物反應器法是近年來發展較快的較有效的一種污水處理方法［1-3］，其出水水質優質穩定、剩余污泥產量少，能有效降低污水中的氨氮及難降解有機物含量［4］，但高昂的膜制造成本和膜污染制約了膜技術的應用。為滿足日益嚴格的污水排放標準，特別是零排放標準，發展了另一種新型的污水處理工藝-活性炭膜生物反應器(GAC-MBR)污水處理技術，該技術對難降解有機物處理具有顯著的效果，由沙特阿美公司運用西門子水處理技術(SWT)研究試驗完成。

1 膜生物反應器(MBR)污水處理技術

膜生物反應器(membrane bioreactor，MBR)在污水處理領域的應用越來越引起人們的廣泛關注，MBR是高效膜分離技術和傳統活性污泥法的結合，是一種新型的污水處理技術。它與傳統污水處理法相比具有許多特殊優點，出水水質優質穩定、占地面積小、剩余污泥產量少等［5］。該技術幾乎能將所有的微生物截留在生物反應器中，這使反應器中的生物污泥濃度提高，理論上污泥泥齡可以無限長，使出水的有機污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，對難降解的工業廢水也非常有效。

1.1 國外研究現狀

1969年美國的Smith等人首次報道了將活性污泥法與超濾膜組件相結合用于處理城市污水的工藝研究［6］;1996年Ueda等人開展了應用一體式膜分離活性污泥處理城市污水的生產性研究;Livingston等人使用萃取膜生物反應器成功進行了一氯硝基苯化工廢水處理研究等。本世紀初，人們對膜生物反應器的研究方興未艾，使得該項技術正在逐漸趨于成熟。目前在世界范圍內，實際運行的MBR系統已經超過500套，約66%的工程在日本，其余主要在北美和歐洲。這些工程中98%以上是膜分離工藝與好氧生物反應器相結合，約55%是膜浸式MBR，其余則是外置式MBR。

1.2 國內研究現狀

我國對膜生物反應器污水處理技術的研究較晚，但發展迅速。2002年膜生物反應器的研發又被列為“863”重大科技項目，推進膜生物反應器在污水處理及回用中的應用［7］。MBR在中國已經成功應用于食品、石化、印染、啤酒、煙草等工業廢水的處理，建設了數個萬噸級的MBR工業廢水處理工程。張西旺等在研究一體式膜生物反應器處理高氨氮小區生活污水的中試中發現，通過增設泥水回流和缺氧區，可將氨氮去除率從60%提高到95%以上;周建仁等在研究膜生物反應器處理高濃度生活污水的實驗中發現，在進水COD為1 250～13 500 mg/L時，去除率可高達94.1% ～95.6%，BOD5的去除率可達98%以上。自2005年以來，新建大中型MBR的處理量年增長率均高于100%。根據預測，中國今后5年內MBR技術產業將以50%～100%的年增長率高速發展，大大高于國際平均增長率。

近幾年來，MBR作為一種新型高效的污水處理方法，通過與不同的污水處理流程相結合，處理工藝得到了很大拓展［8］。例如:MBR與序批式反應器(SBR)相結合的工藝;MBR與升流式厭氧慮床(AUBF)相結合工藝;MBR與高效生物反應器(HCR)相結合工藝等。

2.3 膜生物反應器的技術特點

目前膜生物反應器已應用于美國、德國、法國和日本等十多個國家，規模從6 m3/d至13 000 m3/d不等。近兩年在中小型污水處理方面應用越來越多，大有取代近10年來占據主導地位的生物接觸氧化工藝的趨勢。

該工藝是以膜分離技術替代傳統二級生物處理工藝中的二沉池。除上文所提到的優點外也存在一些不足［9］，主要表現在以下幾個方面:1)膜造價高，使膜生物反應器的基建投資高于傳統污水處理工藝;2)膜污染容易出現，給操作管理帶來不便;3)能耗高，在用于處理污水的MBR中通常都維持較高的殘余固體污泥濃度，這易導致氧傳遞率的降低，運行能耗變大，水溫升高，污泥活性下降等問題。

為進一步提高MBR工藝污水處理效率，降低在污水處理過程中的膜污染率等問題，國外研制了MBR污水處理技術的改進技術:活性炭-膜生物反應器(PAC-MBR)技術和粒狀活性炭-膜生物反應器(GAC-MBR)污水處理技術［10］。

2 PAC-MBR污水處理技術

PAC-MBR集物理吸附、生物降解以及膜分離于一體，PAC因具有巨大的比表面積和發達的內部孔隙，能較好地吸附有機物，適合微生物的附著、固定和生長，提高了系統抗沖擊負荷的能力和處理過程的穩定性，再結合膜的過濾截留以及表面生物氧化作用，可使出水水質得到大大改善［11］。PAC-MBR技術是在膜過濾單元中實現活性炭的吸附和生物降解作用，同時因MBR中PAC的添加，使得MBR中亞硝酸鹽氧化菌迅速恢復活性并大量繁殖，最終將氨氮完全轉化為NO－3，MBR中的微生物代謝產物SMP含量增高［12］。該技術因為PAC的添加使得去除難降解有機物能力提高了三倍以上，活性炭的膜生物修復作用能大大降低因去除有機物所消耗的費用。然而大多數的研究都集中在粉狀活性炭的吸附和對化合物的生物降解上。PAC-MBR技術也存在著不足，在PAC-MBR技術的應用過程中，存在生物膜的磨損以及膜表面滲透率降低的現象，膜污染在一定程度上制約了該技術的推廣應用［13］。針對PAC-MBR技術在處理污水方面存在的問題，沙特阿拉伯石油公司提出了一種新的污水處理方法，即粒狀活性炭-膜生物反應器(GAC-MBR)污水處理技術。

3 GAC-MBR污水處理技術

粒狀活性炭-膜生物反應器(GAC-MBR)污水處理技術在去除難降解化合物的同時，可使膜磨損及滲透率都有極大的降低［5］，同時活性炭的生物修復作用會更加有效地降低在去除難降解化合物方面的費用。

GAC-MBR污水處理工藝實驗裝置簡圖如圖1所示。膜生物反應器由生物反應器、浸沒式膜組件和液位控制器組成。其中生物反應器的有效容積為10 L，反應器中裝有1個膜組件，所用膜片為孔徑 0.1 μm的 PVDF膜，有效膜面積為0.10 m2。通過液位控制器的高、中、低液位來控制反應器的進水，抽水泵抽吸出水，采用錯流微孔曝氣，DO 控制在 3.0 ～4.0 mg/L。

污水供給罐中的原油污水由抽水泵泵入到生物反應器中的曝氣罐中，GAC在加入罐之前要先進行清洗，以除去其表面的細雜質顆粒，然后人工手動加入曝氣罐中。泵吸入液進入安裝有槽楔式篩網的膜操作系統(MOS)，這個篩網可以將GAC隔離在曝氣罐內，在MOS罐中，污水的pH由安裝在曝氣罐中的pH計來控制［14］(10%的硫磺酸和10%的氫氧化鈉來用作酸和堿)。

在常規操作中，MBR交替在過濾模式和松弛模式中間。在過濾模式中，排水管上的泄水閥關閉，濾液泵就會在中空纖維膜上抽吸出真空;在松弛模式中，濾液泵關閉，在排水管道上的泄液閥打開，排掉膜纖維上的真空;可編程控制器控制著西門子所使用體系中的松弛和過濾比。

在GAC-MBR的工藝流程中，同樣依靠活性炭的高吸附能力，能高效率地去除難降解有機物［15］。在曝氣作用下GAC在反應器中不停地運動，與膜表面產生摩擦，這在很大程度上抑制了膜表面沉積層的快速形成，在某些情況下，即使沉積層在膜表面部分形成，也會在活性炭的摩擦下慢慢變薄，甚至脫落。在曝氣和膜操作系統過程之間的篩率/分離系統可以起到阻止粒狀炭接觸膜，從而降低表面磨損，并保持膜的高滲透率，生物膜的生物修復作用能大大地降低在去除難降解有機化合物方面的成本。活性炭和生物膜的結合將會使得在處理難降解有機化合物污水方面更加經濟有效，經試驗研究，GAC-MBR比PAC-MBR有較好的膜通量，且過濾阻力較低，GAC-MBR可大大減緩膜污染，延長膜的過濾周期。

GAC-MBR工藝技術可滿足日益嚴格的污水排放標準，特別是零排放標準，目前該技術已進行了中試放大試驗，并取得了較好的效果。

4 結論

1)MBR具有傳統生物反應器所無法比擬的優點，目前已在水處理領域得到了較為廣泛的應用，但高昂的膜制造成本及膜污染問題的存在一定程度上限制了大規模應用。

2)對高含量難降解有機化合物的廢水處理，PAC-MBR是一個可靠的水處理體系。但PAC-MBR體系中的膜會由于與PAC的接觸產生嚴重的腐蝕并且會失去滲透性，膜的預期壽命降低，增加了污水處理經濟成本。

3)GAC-MBR與PAC-MBR相比表現出更好的去除難處理有機物的能力，能夠處理得到應用于各種設備的排出液，且GAC-MBR不發生PAC-MBR中出現的表面磨損，大大降低了在污水處理方面的使用費用。

［1］李鳳華，張翼，王法高，等.離子液體對油田污水處理效果的研究［J］.應用化工，2010，3(39):411－413.

［2］呂志鳳，王宗賢，何方，等.聚合物驅采油污水中乳化活性物質對污水處理的影響［J］.石油學報(石油加工)，2009，25(2):189－194.

［3］王彪.ASP三元復合驅采出水穩定性研究及處理技術探索［D］.濟南:山東大學，2010.

［4］張東明，張昺林，王婉如，等.兩種處理方法對生活污水處理效果的比較研究［J］.應用化工，2012，4(41):596－601.

［5］Choi JG，Bae TH，Kim JH，et al.The behavior of membrane fouling initiation on the crossflow membrane bioreactor system［J］.Membr Sci，2002(203):103 －113.

［6］劉陽，張捍民.活性污泥中微生物胞外聚合物(EPS)影響膜污染機理研究［J］.高?；瘜W工程學報，2008，2(22):333－338.

［7］周亞琴.MBR污水處理工藝研究［J］.延安大學學報(自然科學版)，2009，28(4):83－88.

［8］元新艷，沈恒根，孫磊，等.兩級序批式膜生物反應器處理生活污水的研究［J］.中國給水排水，2010，26(15):95－98.

［9］張嶄穎，劉志強，苗群.MBR處理工藝的新發展［J］.環境科學導刊，2007，26(2):41－43.

［10］Shin J，Lee S，Jung J，et a1.Enhanced COD and nitrogen removals for the treatment of swine wastewater by combining submerged membrane bioreactor(MBR)and anaerobic upflow bed filter(AUBF)reactor［J］.Process Biochemistry，2005，40(12):3769－3776.

［11］朱亮，朱鳳春，許旭昌，等.MBR/PAC組合工藝處理污水廠尾水的中試研究［J］.中國給水排水，2009，25(5):59－62.

［12］謝曉慧，吳成強，郭召海，等.PAC-MBR處理垃圾滲濾液的硝化性能研究［J］.環境污染治理技術與設備，2006，7(2):75－78.

［13］胡婧逸，鄧慧萍，張玉先，等.PAC/MBR處理微污染地表水的中試研究［J］.中國給水排水，2010，26(15):23－27.

［14］William G.Conner，Saudi Aramco.Ecological Advantages of Carbon Enhanced MBRs Treating Oily Wastewater［J］.SPE 126318，2010:12 －14.

［15］洪俊明，尹娟.顆粒活性炭對膜生物反應器脫氮性能的影響［J］.中國環境科學，2012，32(1):75－80.