膜生物反應器除磷研究進展

王 赟，謝光炎，賓麗英

(廣東工業大學環境與科學學院，廣東廣州 510006)

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膜生物反應器除磷研究進展

王 赟，謝光炎*，賓麗英

(廣東工業大學環境與科學學院，廣東廣州 510006)

從膜生物反應器(Membrane bioreactor，MBR)研究背景、MBR除磷研究現狀以及MBR在應用中存在的問題等方面綜述了近年來MBR除磷的研究進展。

膜生物反應器；磷；研究進展

近年來，化肥、農藥和含磷洗滌劑大量使用，水體中磷污染日益加劇。磷是引起富營養化的重要因素之一。治理富營養化水體是一個世界性難題。利用生物技術和生物控制的方法來控制水體污染是當前研究的熱點之一[1]。膜生物反應器(Membrane bioreactor，簡稱MBR)是一種膜生物反應器，是膜分離和生物處理技術相結合的、高效率的污水處理技術[2]。 MBR最初的研究始于20世紀60年代的美國。 20世紀70年代以后，日本由于污水回收利用的需要，MBR研究工作取得飛速進步[3]。膜生物反應器目前的研究已經相當成熟，并得到廣泛應用。筆者從膜生物反應器(MBR)的分類、特點、膜污染以及MBR除磷現狀及其在應用中存在的問題等方面對近年來MBR除磷研究進展進行了綜述。

1　膜生物反應器(MBR)

1.1MBR的分類MBR根據機理可分為3大類型：膜曝氣生物反應器(MABR)、萃取膜生物反應器(EMBR)、膜分離生物反應器(MBR)[4]。目前，國內膜曝氣生物反應器和萃取膜生物反應器的應用較少，工程應用較多的是膜分離生物反應器[5]。早期的MBR大多為完全好氧式活性污泥反應器，為強化脫氮除磷效果，研究人員通過在好氧反應器前增加前置反硝化反應器來達到脫氮除磷的目的，形成了好氧和缺氧/厭氧系統。與傳統的活性污泥法一樣，增加前置/后置反硝化反應器后，在去除有機污染物的同時，能強化對氮和磷的去除效果。但是，這些MBR系統由于反應器增多，導致水力停留時間較長、反應流程長，不能更好地發揮出膜生物反應器緊湊、水力停留時間短的技術優勢[6]。

1.2MBR的特點MBR具有以下特點[7]：①出水水質優良且穩定；②裝置更加緊湊，占地面積小；③有利于增殖緩慢的硝化細菌等的截留、生長和繁殖，系統硝化效率高。通過改變運行方式有脫氮除磷功能；④實現反應器水力停留時間(HRT)和污泥齡(SRT)的完全分離，運行控制更加靈活穩定；⑤便于維護管理。MBR省去了沉降池，污泥濃度容易控制。總而言之，MBR具有許多其他污水處理方法所不具備的優點，出水水質可滿足目前最嚴格的污水排放或回用標準。

1.3MBR膜污染MBR工藝中膜污染的最大根源來自胞外聚合物(Extracellular polymeric substance，EPS)在膜表面的吸附[8]。以EPS為媒介，菌落能夠穩定聚集在一起，種群之間能夠更好地發揮代謝的協同性。EPS的黏附作用可以促進生物反應池的污泥顆粒化，增加污泥的沉降性，但會給膜分離系統帶來吸附性膜污染。影響EPS組成和工藝參數有食物與微生物比(F/M值)、溶解氧濃度和基質的性質等[9]。處于內源呼吸狀態的微生物的胞外聚合物中蛋白質含量較高，說明碳水化合物更容易被微生物所降解。污泥停留時間越長，其疏水性也越強。這是由于延長污泥停留時間時、微生物更多地處于內源呼吸狀態，蛋白質比例的增加提高了污泥的疏水性。結合熱力學分析可知，延長生物反應池的污泥停留時間可以有效減輕吸附性污染的潛在趨勢[10]。

2　MBR除磷研究現狀

2.1生物除磷聚磷菌是一類可以超出其生理需要，從外界吸收過量的可溶性磷酸鹽的微生物。1993年，荷蘭Delft大學的Kuba在試驗中首次發現缺氧環境中的有些細菌能吸收大量過量的磷，為反硝化除磷菌[11]。在有氧條件下某些細菌也能吸收大量的磷，為好氧聚磷菌。進一步研究表明，不動桿菌屬、氣單胞菌屬、假單胞菌屬等都具有吸收過量的磷在水中的能力，并且不動桿菌是磷的主要吸收者[12]。

所有生物除磷工藝皆為活性污泥法的修改[13]。在現有活性污泥的基礎上，通過提供一種厭氧階段選擇能夠吸收和儲存多余的磷的微生物，以減少出水中的磷含量。當廢水進入厭氧區，在產酸菌的發酵作用下其中的有機物轉化為乙酸[14]。聚磷細菌在厭氧條件下將積累在體內的多聚磷酸鹽分解，釋放能量。同時，聚磷菌通過使用此能量吸收乙酸、H+和電子，以PHB的形式存儲在體內，這就是聚磷菌厭氧釋磷現象。進入好氧區后，聚磷菌可以將存儲的PHB有氧分解，釋放出大量的能量。該能量為聚磷菌的生長和繁殖提供條件。同時，當環境中可溶性磷存在的條件下，聚磷菌利用該能量對磷酸鹽進行主動吸收，并以聚磷酸鹽的形式儲存在體內，這就是聚磷菌好氧吸磷現象。厭氧和好氧交替的系統就像是聚磷細菌的“選擇器”，使聚磷菌得以富集[15]。

研究表明，聚磷菌和發酵產酸菌對除磷起著決定性的作用。聚磷菌既能存儲PHB，又能存貯聚磷酸鹽。它通常只能使用低分子量的脂肪酸，不能直接使用和分解大分子有機物。發酵產酸菌能夠降解大分子有機物，使之成為聚磷菌可利用的小分子有機物，因此發酵產酸菌的作用不可忽視[16]。

2.2MBR對磷的去除特性

2.2.1MBR的生物法除磷[17]。生物除磷主要是通過聚磷菌超量地從外界環境中吸收磷，以聚磷酸鹽的形式儲存在體內，形成高磷污泥，通過排出剩余污泥，從而達到從污水中除磷的效果。對于MBR，污泥齡通常較長，不利于磷的去除。除磷是MBR工藝中的難點。以缺氧-好氧方式運行的MBR工藝研究較多，具有較高的除磷效率。從大多數MBR運行結果來看，出水的磷濃度很難降到1.0 mg/L以下。很多MBR工藝采用投加絮凝劑進行除磷，并取得較好的效果。

2.2.2MBR的化學法除磷[18]。在MBR工藝中，較高的污泥齡不利于磷的去除。一般情況下，只采用生物法除磷，出水的磷濃度很難達到標準。因此，在MBR工藝中采用化學除磷法。通過投加絮凝劑以共沉淀的方式來提高對磷的去除效果。試驗表明，在MBR工藝中投加鋁鹽比投加鐵鹽好。因為磷酸鋁溶解度最低時的pH為6.5，而磷酸鐵溶解度最低時的pH為5.5。同時，鐵鹽易造成膜污染。此外，當進水TP濃度較高時，建議采用前置化學除磷，當進水TP濃度較低時采用在MBR中協同化學除磷。

2.3MBR除磷工藝

2.3.1A/O程序MBR除磷工藝[19]。通過限制曝氣方式，大多采用單池曝氣。在時間序列上實現缺氧-好氧的組合，并控制每一步的時間比例，可以得到良好的除磷效果。若在A/O程序MBR除磷工藝的反應器中加入懸浮填料，可以提高脫氮除磷的效率，且去除效果穩定。

2.3.2A/O MBR除磷工藝[20]。A/O MBR除磷工藝是在空間上實現缺氧-好氧的組合。硝化和反硝化在2個反應器中進行，能夠實現連續操作。許多A/O MBR工藝脫氮效果較好，但除磷效果較差。為此，研究人員開發了序批式A/O MBR除磷工藝。序批式A/O MBR除磷工藝采用好氧區污泥間歇回流方式，使缺/厭氧反應器內交替形成缺氧和厭氧的環境。通過開啟、關閉回流液，在同一反應器內實現時間序列上的缺氧和厭氧環境，提高了除磷效率。

2.3.3A2/O MBR除磷工藝[21]。A2/O MBR除磷工藝能實現同步除碳和脫氮除磷。通過A2/O MBR除磷工藝，活性污泥由好氧區向缺氧區和厭氧區回流，同時通過排泥來強化工藝對氮和磷的去除效果。耦合A2/O工藝可以進一步拓展MBR的應用范疇，使其在城市污水處理中得到更廣泛應用。

2.4MBR的工業化經過幾十年的發展，MBR已成為城市污水、工業廢水處理和回用的一種具有競爭力的工藝。我國MBR的應用研究起步較晚，但發展迅速，多個大型MBR污水處理工程相繼投入運行。此外， 在我國MBR已經被成功用于食品、石化、印染、啤酒、煙草等工業廢水的處理[22]。我國部分MBR工程應用實例見表1[23]。

表1　MBR工程應用實例

3　MBR在應用中存在的問題

目前，MBR在應用中存在以下問題：①污泥齡長，不利于除磷，出水中TP容易超標[24]。若想獲得良好的除磷效率，需要首先明白磷在MBR中的分布及其遷移轉化的規律。②膜污染導致高費用和高能耗[25]。膜污染在很大程度上決定了膜的更換頻率及膜壽命，增加投資費用。另外，膜污染導致膜通量下降，能耗增大，這是造成膜生物反應器高能耗的主要原因之一。③膜材料、膜組件及工程設計非標準化[26]。膜產品的型號不同，無法實現各廠商之間膜產品的更換。沒有統一、綜合的設計手冊和規范，設計人員缺乏設計依據。④MBR對運行人員和維護人員的經驗和素質要求高[27]。由于缺乏專門的管理者、操作者和工程師等技術人才，未能充分發揮MBR本身的優勢。

4　小結與展望

MBR作為一項迅速發展的新型污水處理技術，具有許多其他污水處理技術無可比擬的優點，其必將成為水處理領域中最具發展潛力的高新技術之一。與傳統工藝相比，MBR工藝的脫氮除磷研究還不是很成熟，并且許多研究只停留在實驗室階段。因此，今后MBR研究的重點應放在脫氮除磷的微生物學機理研究、強化脫氮除磷的MBR組合新工藝以及膜污染防治等方面。

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Research Progress of Phosphorus Removal in Membrane Bioreactor

WANG Yun, XIE Guang-yan*, BIN Li-ying

(School of Environmental Science, Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006)

The research progress of phosphorus removal in membrane bioreactor(MBR) in recent years were elaborated from aspects of MBR research background, research status of phosphorus removalin MBR and existing problems in application.

Membrane bioreactor; Phosphorus; Research progress

國家自然科學基金項目(21476050)。

王赟(1990- )，男，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向：水污染控制。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導師，從事環境污染控制研究。

2016-06-17

X 703.1

A

0517-6611(2016)21-020-02