膜生物反應器在城市污水處理中的應用探討

容志勇 黃茂林 劉剛

摘要：膜生物反應器是將膜分離技術與活性污泥法相結合的高效污水處理技術。本文綜述了膜生物反應器的發(fā)展歷程、典型應用案例現狀及存在的問題、MBR工藝今后在污水處理中應用前景，為MBR工藝今后的進一步研究和應用提供參考。

關鍵詞：膜生物反應器;污水處理;膜過濾

膜生物反應器（Member bioreactor，MBR）是將膜分離技術與活性污泥法相結合的高效污水處理技術，增大污泥中的特效菌來加快生化反應速率，提高污水處理效果，其具有SRT短、污泥產量少、出水水質高等優(yōu)點。在傳統(tǒng)的活性污泥法等生物處理污水的技術中，泥水分離是通過重力作用而在二沉池中完成的，其分離效果的好壞受到活性污泥沉降性能的影響，沉降性越好，泥水分離效率越高，而MBR工藝的主要特點是由膜過濾取代傳統(tǒng)生化處理技術中二沉池。作為一種新型、高效、集約型的水處理技術，MBR工藝越來越受到各國水處理研究者的青睞。

1膜生物反應器的發(fā)展歷程

MBR在污水處理領域的應用研究始于20世紀60年代，美國的Dorr-Oliver公司首先將MBR用于廢水處理的研究，將膜分離技術與活性污泥生物處理技術相結合，構建了膜生物反應器（Membrane Bioreactor，MBR），利用超濾膜與活性污泥生物反應器的協(xié)同作用來處理生活污水，該工藝具有反應器內活性污泥濃度高、活性污泥產量低、出水水質好、污水處理廠占地少等優(yōu)點。

20世紀70年代，膜污水處理工藝首次進入日本市場，從而邁出了MBR污水處理商業(yè)化的重要一步，但此時由于受到膜材料、膜制備技術的制約，MBR工藝發(fā)展緩慢。

20世紀90年代末，在國內外新型膜材料研發(fā)與制造裝備業(yè)的推動下，膜生物反應器的相關科學技術研究逐漸成為熱點，國外已經進入實用階段，且規(guī)模也在不斷擴大。

我國對MBR工藝的大規(guī)模研究始于90年代末期，MBR在我國水處理方面的應用研究首先從分離式MBR開始的，中國的膜產業(yè)經過近20多年來的發(fā)展，正逐漸走向成熟。隨著我國水資源的短缺和水污染問題的加劇，我國的MBR研究正高速發(fā)展，MBR工藝的深入研究對保障我國水質安全，緩解水資源危機，保護人居環(huán)境，提高城鎮(zhèn)居民的生活品質，實現經濟的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

根據生物反應池與膜組件不同的結合方式，MBR反應器分為分離式和一體式兩種不同的形式。分離式是指膜組件與生物反應器分開設置，壓力驅動靠加壓泵，其優(yōu)點是運行穩(wěn)定，管理簡單，膜的清洗、更換更為便捷。一體式MBR是將膜組件直接放于生物反應器內，利用真空泵的負壓抽吸得到出水濾液，其的優(yōu)點是抽吸壓力低、電耗低。

2膜生物反應器的應用案例

2.1京溪污水處理廠

京溪污水處理廠位于廣東廣州市，設計規(guī)模為10萬噸/日，于2010年9月正式建成投入運行，污水處理廠進水以城市生活污水為主，出水滿足一級A標準并滿足直接作為沙河涌景觀補水的水質要求，采取的污水處理主體工藝為一體式的MBR生化池，共2座，每座包括：厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和膜區(qū)四部分，膜過濾采用0.05um的中空纖維超濾膜，出水利用負壓泵抽吸出水，為進一步保證出水的安全可靠，膜出水設置管式紫外線消毒器。

該污水處理廠運行8年多來，出水水質100%達標，在膜過濾的作用下，污水中絕大部分細菌（0.2-50um）和部分病毒，出水基本達到了糞大腸菌≤1000個/L的排放標準，MBR出水SS接近于零，透光性很好，污水處理廠建成后極大地改善了廣州市周圍水體環(huán)境，對治理水污染，保護當地流域水質和生態(tài)平衡具有十分重要的作用。

2.2長沙市某污水處理廠

該污水處理廠1992年開工建設，1994年正式建成投產，污水處理廠建成后運行穩(wěn)定、良好。但隨著長沙市城區(qū)的快速建設發(fā)展，污水處理廠周邊有新建了大量的商業(yè)、住宅去，處理污水時產生的臭氣和噪聲自然散發(fā)至空氣中，嚴重影響著周邊居民的生活。

為解決污水處理廠現狀存在的系列問題，2014年開始對污水處理廠進行改造，實現出水水質從一級B標準提升至一級A標準，并對臭氣和噪音進行封閉式收集處理。通過將現二沉池改造為MBR池，與原有的改良型氧化溝構建形成一體化MBR處理工藝，膜過濾采用0.1um的平板膜，膜出水利用負壓泵抽吸出水。

該污水處理廠至2016年改造以來，污水廠處理后的水質優(yōu)于一級A標準，部分指標達到IV類水標準，出水可用公園道路灑水、綠化用水和景觀湖泊補給用水。污水處理廠建成后極大地改善了長沙市芙蓉區(qū)周圍水體環(huán)境，對保護當地流域水質和生態(tài)平衡具有十分重要的作用。

3膜生物反應器存在的問題

隨著近年來城市污水處理中MBR工藝的更多應用，運行中發(fā)現，MBR工藝系統(tǒng)仍然存在的一些瓶頸問題，需在今后MBR工藝研究、設計、運行中予以解決，主要有如下。

3.1處理能力降低的風險

MBR工藝的末端為膜過濾，而膜過濾具有過濾的通用屬性，過濾是在恒定通量下進行，為了實現膜過濾的持續(xù)運行、盡量減少沖洗周期，故要求MBR不能超過極限通量，否則會很容易產生膜污染、膜污染的最終結果是導致產水率下降、膜的反洗周期縮短、膜實際有效運行時間的減少。

因此，目前國內運行的很多MBR工藝污水處理廠，受原水水質、運行管理等各方面的影響，在實際運行過程中隨著時間的積累，其MBR工藝末端膜過濾的處理能力不斷下降，故很難達到常規(guī)污水處理工藝所實現的超產的要求。有相關報導認為，如果進入MBR反應器的峰值流量超過平均流量的1.5—2倍時，就需額外設置流量調節(jié)池，或者考慮備用大量的膜組件以確保最終出水水質的達標。

3.2投資與運行成本高

投資成本高。膜組件是MBR處理系統(tǒng)中主要組成部分，同時也是技術含量最高及價值最大的部分，據分析，國內MBR投資成本在2000—2500元/m3，是傳統(tǒng)活性污泥法項目建設成本的1.5倍左右。與此同時，MBR需要更多更先進的設備以滿足其自動化的運行要求，故增加了投入成本。

運行成本高。無論是浸沒式MBR工藝還是分置式MBR，需加大曝氣強度并設置出水負壓抽吸泵，從而造成污水處理系統(tǒng)能耗上升，運行電費及設備維護費用的增加，且膜組件壽命有限，根據國內的使用經驗，膜組件使用達到5年后即需更逐步更換膜組件。

3.3預處理與自控系統(tǒng)設計不足而產生的風險

MBR工藝中的泥水混合物進入到再進入膜反應器單元前需要經過膜前預處理，故在MBR系統(tǒng)設計時均需要在膜反應器前端設置膜格柵，但目前國內外對MBR系統(tǒng)中膜格柵的參數要求并未進行深入的研究，導致國內部分MBR污水處理廠的運行管理中經常出現預處理與膜處理不協(xié)調不匹配的問題。

MBR工藝自動化程度比傳統(tǒng)活性污泥工藝高很多，為保證膜反應器的最終出水水質，膜組件需定期清洗、組裝甚至是更換，設備縱多、設備聯(lián)動運行管理復雜，對污水處理廠的PLC控制系統(tǒng)需要更多更高的要求。

4膜生物反應器在城市污水處理中的應用展望

未來，隨著水資源的短缺矛盾的進一步凸顯和水污染防治要求的進一步提高，且國內外對MBR工藝研究的不斷深入，憑借其獨特的優(yōu)勢，MBR工藝在中水、污水處理回用等方面的廣應用必將受到高度重視。

同時，面對近年來國家大力提出的《水十條》戰(zhàn)略要求，污水排放和回用標準、規(guī)范將會日益嚴格，很多現有城市污水處理廠的改擴建要求在不增大占地面積的前提下增大處理水量、提升出水水質。雖然MBR工藝的投資及運行成本略高于以往活性污泥法，且易發(fā)生膜污染問題，但其占地少，有機物去除率高，還能夠強化脫氮除磷，符合我國城市污水處理廠提標改造、強化脫氮除磷的要求。因此，MBR工藝在水廠改擴建項目中發(fā)展前景較好。