水处理新技术——膜生物反应器技术

近年来，随着我国经济的快速发展、人口的增加以及人们生活水平的提高，工农业及生活用水量不断增加，与之相伴的污水排放量也与日俱增，由水污染和水资源短缺引发的水资源危机日益严重，已严重制约我国社会和经济的可持续发展。开展污水处理和水再生利用是解决水资源危机的有效对策之一。膜分离技术由于具有高效稳定、过程简单、易于控制等特点，在水处理中的应用受到广泛关注。其与生物反应器有机结合形成的膜生物反应器（membrane bioreactor, MBR）技术，由于具有出水水质优良稳定、装置占地面积小、剩余污泥产量低等优点，被誉为21世纪最有发展前途的水处理新技术，在全球范围受到广泛关注。

 

MBR的研究始于20世纪60年代后期的美国。40多年来，在众多科研人员和工程技术人员持续不懈的努力下，MBR无论是在基础研究还是工程应用方面都取得了长足进步，越来越广泛地应用于各类污水处理与回用领域。我国有关MBR的研究始于20世纪90年代后期，与国外研究相比，虽然起步较晚，但得到了十分迅速的发展和推广应用。截至2011年底，据不完全统计，我国的MBR总处理能力已超过200万吨/日，成为世界上MBR研究和推广应用最为活跃的国家之一。

膜分离技术分类

膜分离是指以具有选择透过功能的薄膜为分离介质，通过在膜两侧施加一种或多种推动力，使原料中的某些组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物分离和产物提取、纯化、浓缩等的目的。原料中的溶质透过膜的现象一般叫做渗析；溶剂透过膜的现象叫做渗透。

膜分离过程有多种，不同的分离过程所采用的膜及施加的推动力也不同。根据推动力的不同，膜分离过程主要有下列几种：

（1）基于压力差：如微滤（microfiltration, MF）、超滤（ultrafiltration, UF）、纳滤（nanofiltration, NF）与反渗透（reverse osmosis, RO）。当在膜两侧施加一定的压力差时，混合液中的一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被截留下来，从而达到分离的目的。这四种膜分离过程的主要区别在于被分离物质的大小和所采用膜的结构和性能不同。微滤的分离范围为0.05～10mm，压力差为0.015～0.1MPa；超滤的分离范围为0.001～0.05mm，压力差为0.1～1MPa；反渗透常用于截留溶液中的盐或其它小分子物质，压力差与溶液中的溶质浓度有关，一般在2～10MPa；纳滤介于反渗透和超滤之间，脱盐率及操作压力通常比反渗透低，一般用于分离溶液中相对分子质量为几百至几千的物质。

（2）基于浓度差：如扩散渗析（dialysis），是指利用离子交换膜将浓度不同的进料液和接受液隔开，在浓度差的推动力作用下，溶质从浓度高的一侧透过膜向浓度低的一侧扩散，当膜两侧的浓度达到平衡时，渗析过程停止进行。扩散渗析主要于工业废水酸、碱回收，回收率可达70-90%，但不能将它们浓缩。

（3）基于电位差：如电渗析（electrodialysis, ED），是指在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），使溶液中的溶质与水分离的一种膜分离过程。电渗析主要用于脱盐，如苦咸水淡化、纯净水制备等，还可以利用电极反应，用于工业废水酸碱和金属的回收。

（4）基于渗透压：如正渗透（forwardosmosis，FO），利用比盐水渗透压更高的溶液作为驱动液，使水自发地从盐水侧透过半渗透膜达到驱动液侧，结合易于循环使用的驱动液，可用于海水脱盐。由于FO膜对水中的无机、有机物质均有良好的截留效果，正渗透还可用于污/废水净化。此外，由于在正渗透过程中不使用外加压力，因此可有效降低膜污染。

膜分离技术特点

与传统分离技术相比，膜分离技术具有以下特点：

（1）在膜分离过程中不发生相变，与其它方法相比，能耗较低；

（2）一般在常温下进行，特别适于对热敏感物质的处理，并且不消耗热能；

（3）一般不需要投加其它物质，不带入二次污染物质，不改变分离物质的性质，并节省原材料和化学药品；

（4）在膜分离过程中，分离和浓缩同时进行，可回收有价值的物质；

（5）分离装置简单，操作容易，运行稳定，易于实现自动化控制。

因此，膜分离技术除广泛用于海水和苦咸水淡化、纯水生产外，在饮用水净化、城市污水处理与利用以及各种工业废水处理与回收利用等领域的应用也得到广泛关注。

膜技术在水处理领域中的应用

膜技术在给水领域中的应用

膜分离技术应用于给水领域具有以下优点：

（1）出水水质稳定，受进水水质波动的影响小；

（2）出水生物稳定性好。由于膜可以完全截留微生物，保证了出水的卫生安全性，起到了消毒作用，与传统灭活病源菌的消毒方法（如氯消毒等）相比，提高了出水的生物稳定性；

（3）能够减少混凝剂和消毒剂投加量，减少消毒副产物的产生。目前消毒工艺仍以氯消毒为主，进入水体中的氯可能会与水中的一些有机物反应，生成三卤甲烷等消毒副产物，对人体健康造成不良影响。由于膜过滤能够截留水中的微生物，从而降低消毒加氯量；同时膜过滤可去除部分或全部有机物，这两方面的作用能够减少消毒副产物的产生。

膜技术应用于给水处理领域，分膜直接过滤和膜组合工艺两种形式。

膜直接过滤工艺

在膜直接过滤工艺中，RO广泛用于海水及苦盐水的淡化、纯水和超纯水的制备。NF常用于软化和去除有机物。一般来说，NF对有机物的去除率很高：对BOD和COD的去除率可达80%以上，截留分子量为300-400/500的NF膜对三卤甲烷生成潜力（trihalomethanes formationpotential, THMFP）的去除率可达90%。NF对盐度的去除率为50-70%，对二价离子和硬度的去除率达90%，因此适合处理低浊度、高硬度的原水。

UF膜主要用于去除细菌、病毒、胶体和大分子有机物，能够截留水中的天然有机物（natural organic matter, NOM）。截留分子量<1000的UF可用来去除色度，其对色度的去除率高达95%，对THMFP的去除率可达80%。MF膜主要用于高浊度、低色度水的净化，可以去除悬浮物质、胶体和细菌等。

综上所述，高压RO和NF膜对污染物质的去除比较彻底，可有效地去除水中的细菌、病毒和有机污染物，但RO和NF膜成本较高，操作压力高，预处理要求也较高，膜易污染。低压MF和UF膜通量大，操作压力低，预处理要求低，成本低，但对小分子有机污染物的去除不够理想。可以将MF或UF膜与其它物理、化学、生物水处理技术相结合，形成膜组合工艺，来提高水中特定污染物质的去除效果。

膜组合工艺

将MF或UF膜与其它工艺组合，可以形成膜组合工艺。用于饮用水净化的膜组合工艺主要有以下几种类型：

（1）混凝®（沉淀）®膜分离®净化水

（2）活性炭吸附®膜分离®净化水

（3）曝气生物滤池®膜分离®净化水

（4）臭氧®曝气生物滤池®膜分离®净化水

（5）膜生物反应器（投加粉末活性炭）®净化水

这些膜组合工艺可以强化对水中溶解性有机物、嗅味物质等的去除。比如采用在线混凝-超滤组合工艺处理微污染地表水，COD_Mn的平均去除率达到33%，水质优于直接超滤工艺（崔俊华等，2011）；采用曝气生物滤池-超滤组合工艺处理含嗅味物质的原水，可以使水中的致嗅物质2-Methylisoborneol和Geosmin降低到我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）规定的浓度限值以下（杨宁宁，2011）。

膜技术在废水领域中的应用

应用于废水领域的膜工艺主要包括：膜与生物处理组合工艺—膜生物反应器（membrane bioreactor, MBR）、二级处理出水膜过滤工艺、膜与物化方法组会工艺等。

膜生物反应器工艺

膜生物反应器工艺是膜分离与生物处理的组合工艺，是用膜组件代替传统活性污泥法中的二沉池，起到分离活性污泥混合液中的固体微生物和大分子溶解性物质的作用，通过膜的分离过滤，得到系统处理出水（黄霞和文湘华，2012）。根据膜组件的设置位置，MBR可分为外置式（分置式）和浸没式（一体式）两类，基本构型如图1.1所示。

与其它污水处理工艺相比，MBR具有以下优点：

（1）出水水质好且稳定，可以直接回用；

（2）生物反应器内能维持高浓度的微生物量，使处理装置容积负荷提高，占地面积大幅度减小；

（3）膜的截留可以延长增殖速度缓慢的微生物如硝化细菌在反应器中的停留时间，有利于提高系统硝化效率。同时，还可以延长一些降解难降解有机物的微生物在系统中的停留时间，有利于提高难降解有机物的降解效率；

（4）剩余污泥产量低，污泥处理费用少；

（5）易于实现自动控制，操作管理方便。

但是，MBR也存在一些不足。主要表现在以下几个方面：

（1）膜造价较高，使得MBR的基建投资较高；

（2）容易出现膜污染，给操作管理带来不便，使运行费用提高。

二级出水膜过滤工艺

污水经二级生物处理后出水中仍然残留一定浓度的颗粒性物质和溶解性物质（朱洪涛，2009）。一般以0.45 µm作为溶解性物质和颗粒性物质的界限。颗粒性物质包括细菌、各类无机性颗粒物质等；溶解性物质包括微生物代谢产物等有机物、病毒和无机离子等。二级出水的水质一般不能满足再生水水质标准的要求。当污水需要再生回用时，微滤或超滤膜可用于二级出水的深度处理，可有效去除颗粒性物质和部分大分子的溶解性有机物。

膜与物化方法组合工艺

膜与物化方法组合废水处理工艺主要有以下几种类型：

（1）混凝®膜分离®处理水

（2）吸附®膜分离®处理水

（3）臭氧催化氧化®膜分离®处理水

（4）光催化氧化®膜分离®处理水

在这些组合工艺中，由于膜对细小的颗粒物有良好的分离效果，吸附剂和催化剂可以采用粉末状的，这样可以促进反应器中的传质，提高处理效果。同时，膜分离可以有效截留粉末吸附剂和催化剂，防止流失。例如，孟耀斌（2001）提出了一种悬浮床光催化氧化-膜分离反应器，有效解决了粉末半导体光催化剂的流失问题，与固定化光催化反应器相比，污染物去除负荷高达6倍以上。

本文由安静摘编自黄霞、文湘华著《膜法水处理工艺膜污染机理与控制技术》第一章，内容有删减。

978-7-03-046535-1

《膜法水处理工艺膜污染机理与控制技术》全面介绍膜法水处理工艺，重点介绍膜生物反应器中的膜污染机理与控制技术。全书共6章，第1章主要介绍膜技术分类与特点、膜技术在水处理领域中的应用、膜污染的概念与分类、膜污染模型以及膜材料与膜污染表征方法，为本书其他章节的基础。第2~6 章分别介绍膜生物反应器膜污染过程特征、膜生物反应器混合液特性与膜污染潜势、膜生物反应器膜污染控制技术及其机理、二级出水臭氧-微滤工艺膜污染及其控制机理以及膜法给水处理工艺膜污染特征与清洗。

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