MBR 膜技術用于污水處理的研究分析

朱萬進

（國能徐州發電有限公司，江蘇 徐州 221166）

0 引言

膜生物反應器處理技術（MembraneBioreactor，MBR）在1900 年問世，于1960 年迅速發展并在國外展開應用。最早一批被投放在微生物發酵工業中使用。隨著我國材料科學的不斷進步和制膜工藝的提升，膜生物反應器處理技術已經被相繼應用到食品生產加工、冶金、化工、醫療廢水處理等多個范疇。膜生物反應器處理技術實現了對水力滯留時間（HRT）和污泥滯留時間（SRT）的獨立控制。其優點是占地面積小、節能環保、出水質量高、污泥余量小。

1 MBR 膜技術的概述

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

1.1 MBR 膜技術的工作原理

MBR 膜技術分為一體式、復合式和分置式三種類型[2]。

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

2）復合式MBR 膜技術，其原理是建立在一體式MBR 膜技術基礎之上的特殊表現形式，在生物反應器中加入特殊的填充物質，并使其發揮填充物的特性，為污水處理增添優勢。

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

1.2 MBR 膜技術的工藝特點

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

1）出水水質優良，此工藝和其他的工藝相比，MBR膜技術出水的水質量是最高的，實現了水資源的重復利用，這也是當今膜生物反應器領先的重要原因。

2）污泥余量較少，污水經MBR 膜技術處理和傳統工藝技術處理相比，MBR 膜技術處理后的污泥剩余量明顯比傳統工藝技術處理后的污泥剩余量少，甚至達到零淤泥排放量，解決了傳統工藝造成的污泥余量過盛的問題，而MBR 膜技術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，節約土地資源。

2 MBR 模技術的意義

水是一種非常寶貴的自然資源，人類的生活生產離不開水。據相關統計數據顯示，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重性，平均每年水資源的缺乏量可達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，實現水資源的可重復利用是必要的。MBR 模生物反應器是一種有效的污水處理工藝，經過處理后的污水，水質量能夠達到規定指標。MBR 模生物反應器也是現階段相對較好的一種污水處理工藝，其具有環保性、經濟性、社會效益性，在污水處理領域受到廣泛的關注度[3]。

3 MBR 膜技術的分類

3.1 反滲透膜技術

反滲透其實是過濾的一個步驟，反滲透膜技術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，即將壓力轉換為推動力然后進行擠壓作用。但反滲透膜技術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、維修養護方便、設備運行耗能較低、結構合理科學，是一種比較環保健康的水處理膜技術。

3.2 滲透蒸發膜技術

滲透蒸發膜技術即液體通過滲透作用和蒸發作用后再分離的原理，滲透蒸發膜技術的特點是設備運行費用和投資資金偏低，但發展前景和發展空間還有待進一步提升。

3.3 超濾膜技術

濾過膜技術能夠對固體物質和液體物質的濃度進性高效分離，同時還能辨別分解物質的等級。超濾膜技術的特點是其自身性能比較高端，能同時對大分子物質和固體物質實現有效濃縮和分離。超濾膜技術是當今最為實用的一種技術，和其他膜技術相比，耗能和運行資金方面有一定經濟性，在污水處理領域中應用廣泛。

3.4 微濾膜技術

微濾膜技術表面孔隙較多，膜的厚度略微單薄，運行機制是將推動力轉化為靜壓差，物質分離在網狀過濾介質中進行。微濾膜技術特點是精確度高、膜孔直徑大小勻稱、過濾分離速率快、介質完好。微濾膜技術在飲食領域、生物制藥領域應用比較普遍。其能夠達到高效去除菌群、去除顆粒物質、凈化和濃縮。

4 MBR 膜技術處理污水工藝具體體現

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節。工藝組成是厭氧池和缺氧池共同構成交替反應池，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。在設備具體運行過程中，會順次產生缺氧環境和厭氧環境，對污水實行同時脫氮處除磷、硝化作用、生化需氧量（BOD）消除等環節。此外好氧反應器在連續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用比較常見，在所有污水處理工藝中占據一定優勢。

4.2 A2/O+MBR 膜技術工藝

A2/O+MBR 膜技術工藝是將A2/O 技術和MBR 膜技術進行融合，取其兩者精華，摒棄兩者糟粕，二者結合的污水處理方式能夠有效配合，實現污水的高效率轉化。A2/O+MBR 膜技術工藝的優點是降低水的留存時間，與此同時，能夠同步進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也能做到有效去除，在污水處理領域有重要的應用意義。

4.3 PAC-MBR 膜技術工藝

PAC-MBR 膜技術工藝是指將PAC 放置在MBR膜技術設備污染混合液中。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可通過該工藝進行吸附，例如：細微膠體、溶解性有機物質、胞外聚合物等物質，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 膜技術工藝中的膜過濾阻力和膜被污染的程度會降低，實質上是膜通量的增加來達到污水的成效。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同關系，作用過后會生成生物活性炭，在有機感染物處理環節中，PAC 會重新生成利用性，依次加長膜清洗周期。

4.4 進水、回流工藝

4.4.1 進水

脫氮除磷一直都是污水處理的重難點，為進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行合理規劃，對即將進入的污水進行有效管控。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的污水在有效范圍之內。

4.4.2 回流

回流環節的處理受多方面因素的影響，例如：MBR 膜技術工藝的特點和應用規定、污泥回流和硝化液規范化使用。

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，合理設定設備參數，實現對MBR 膜池消化液回流環節的把控，防止出現直接回流現象。

4.5 好氧區和優化措施

在整個MBR 膜技術工藝流程中，回流和進水程序的方法需要做進一步的優化，實現有效發揮污水處理過程中混合液回流提升和系統功能的提升[5]。通常情況下，大多數MBR 膜技術工藝提升系統需要利用水泵的功能，把污水從好氧池內提升到構建的膜池里，由于混合液具有一定重力，利用重力將污水引入構建好的生物池中。生物池中的污水會在MBR 膜技術工藝中的提升系統中實現進一步的自動化調整，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的膜池[6]。該過程的優點是對出水水質有一定保證。另外，還需格外關注MBR 膜技術工藝中的好氧池，如果將混合液DO 的濃度高度作為基準點，則溶液融合的速度會有顯著的提升，使混合液能夠懸浮，并且紊流狀態相對較好。

4.6 設備參數設定以及MBR 膜技術處理工藝的運行維護

4.6.1 設備參數設定

MBR 膜技術工藝設備的運行，調配參數是污水處理的重要步驟，參數的設定直接影響污水的處理情況。污水來源不同，參數的設定也不同，要根據污水的特點設定合理的、科學的設備運行參數。例如污水中淤泥負荷多大或者污泥濃度過高，設備的參數需要隨之增大，這樣才能達到污水有效處理的效果[7]。

4.6.2 MBR 膜技術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。離線清洗和在線反洗系統共同作用能夠在一定程度上恢復膜的通透性。

5 MBR 膜技術污水處理的應用

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

5.1 農村生活污水的應用

近年來，農村的經濟發展受到國家高度重視，在國家政策的有效引導下，農村經濟得到了大幅度的提升，但是，農村的環境問題并未引起相應部門的重視，水污染尤為嚴重的問題。生活在農村的村民對污水的排放毫無意識，池塘、小溪等都是農民任意排放污水的地方，長時間的污水積累，水質漸漸發黑，臭氣很大，導致許多蚊蟲滋生，不僅環境臟亂不堪，對農民的身體健康也存在著潛在威脅。農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 一體式反應器等都能夠對農村污水進行有效降解，能夠有效去除水中的氮磷含量和污染物。經A2O-MBR 一體式反應器處理過的污水等級可達國家一級水平。

5.2 城市污水處理

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

5.3 煤化工廢水處理

煤化工在工藝流程運行中會產生大量的廢水，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境下產生的。有平臺提出一套流程優化且降低費用的聯合處理工藝，工藝流程如下：“預處理→厭氧酸化→混凝沉淀→MBR 平板膜生物反應器”，經此工藝處理后出水水質優良，能夠達到排放標準。

焦化廢水是在高溫干餾環境下產生的，其中包含大量的有毒物質。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）將重油類物質通過電解預處理以沉淀的方式去除。

2）混凝工藝負責去除清油和乳化油，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、酚類等物質可通過電解徹底去除。

3）經電解處理后，廢水中的其他污染物通過MBR工藝降解去除。

4）處理過的廢水再經次氯酸鈉消毒方可達到排放的標準。

6 進一步提高MBR 膜技術應用效果的途徑

MBR 膜技術在處理污水中的應用價值很高，但是MBR 膜技術處理污水的成本不容小覷，膜污染和能耗問題限制了MBR 膜技術的應用領域。MBR 膜技術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。有研究結果表明，在物質孔徑和膜的孔徑在極為接近或孔徑大于膜孔的情況下，膜孔極易發生堵塞。解決措施如以下兩點：從材料問題著手，發掘新的膜制作材料，在控制材料制作成本基礎上達到延長膜使用壽命的目的。也可在原材料上進行改進，提高膜的實用性；膜清洗技術，對堵塞的膜進性清潔，讓膜恢復通透性，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 的能耗比活性傳統污泥工藝高出十倍以上，一體式的MBR 于傳統工藝相差不大，但是一體式的MBR 在維持錯流效應上的能耗非常高，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 膜技術對接，或者開發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，MBR 膜技術的應用領域將走進新的里程。

7 MBR 膜技術的發展展望

7.1 拓展石油化工領域范圍應用

近年來，MBR 膜技術已經被投放到市政污水、農村生活污水、工業廢水、煤化工廢水、醫藥廢水等多個領域使用。預測在將來MBR 膜技術還會被應用到石油化工領域，特別是石油化工產業，石油化工產業中的油田淡水供應、污水處理、生產、以及加工程序中的反應、分離、濃縮、純化等環節，都可以運用MBR 膜技術進行處理。所以MBR 膜技術的發展和應用前景還是比較可觀的。

7.2 MBR 膜技術科技水平提升

根據近幾年的社會發展形勢來看，社會各界對科技的研究投入比較大，各種新型技術不斷興起，在污水處理領域也不例外。目前在MBR 膜技術的水處理工藝尚存在一些問題，可利用當下的高科技技術和MBR 膜技術進行有機結合。比如在MBR 膜技術上建立計算機網絡，增加信息處理技術，對設備運行的各項數據及設備參數進行統計整合，使MBR 膜技術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 結語

我國的水污染處理目前在MBR 膜技術的推動下已經得到了很大改善，MBR 膜技術擁有很多優勢，在處理水污染上取得了一定價值，雖然MBR 膜技術的優勢遠遠超過傳統水處理工藝，由于膜的使用成本和能耗問題使MBR 膜技術的應用范圍正在縮減。所以要維持MBR 膜技術的可持續發展，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 膜技術將發揮最大應用價值，帶動水處理技術走向新紀元，從而解決污水處理的難題。