[摘要]綜合論述了膜生物反應器的分類、結構、特點，介紹了近年來各國學者應用膜生物反應器去除廢水中有機物、氮、磷等污染物所取得的研究成果、面臨的問題以及膜生物系統在實際廢水處理中的應用。簡要闡述了膜污染的成因、機理及其對策，并指出了現階段限制膜生物技術在我國發展的原因，展望了未來膜生物技術在我國廣闊的發展前景。
[關鍵詞]膜生物反應器;廢水處理;活性污泥;膜污染
20世紀60年代，美國學者最先將活性污泥工藝與膜分離技術結合并應用于廢水處理中有機污染物的去除，膜生物反應器(membranebioreactor,MBR)}’}能夠有效地延長污泥固體停留時間，增加污泥濃度，隨即引起了水處理領域學者的廣泛關注。現在，全世界已經有超過1000,個MBR在運行中，并且還有很多正在興建當中。其中大部分在日本，其余的分散在北美及歐洲。98%以上的MBR系統為好氧系統，大約55%的MBR為一體式，而其余為分置式MBR系統。筆者擬通過對MBR的結構、功能以及近年來研究成果及存在問題的論述，為MBR在我國的廣泛應用拋磚引玉。
1 MBR分類、結構及其特點
根據膜組件在MBR中的作用可將MBR反應器分為三種類型:分離MBR、無泡曝氣MBR和萃取MBR，其中又以分離MBR的應用最廣〔3J。在分離MBR中，根據膜組件的設置位置，又可分為分置式和一體式兩類。分置式MBR的膜組件設置在生物反應器外，兩者通過回流泵及管線相連;一體式MBR的膜組件設置在生物反應器內。分置式MBR有利于膜的清洗與更換，但回流泵的高速旋轉會影響微生物的活性;一體式MBR占地省，造價及運行成本低，膜污染緩慢，但膜的化學清洗困難,概括起來，MBR系統較之傳統的活性污泥系統有以下五個特點:
(1)膜組件能夠有效的分離懸浮固體，因此可以最大限度地將活性污泥截留在生物反應器內。傳統活性污泥法的MLSS最高在5g/L左右，而MBR系統的MLSS最高可達到20g/L左右，從而可以帶來比傳統法更高的有機物去除率。
(2)傳統法污泥濃度低，污泥產量高，剩余污泥的處置費用占到廢水處理總成本的50%左右(S)oMBR系統在低F/M條件下運行，污泥產率遠低于傳統法，從而使剩余污泥的處置費用大幅度降低，進而降低廢水的整體處理成本。
(3)污泥停留時間的大幅度延長，可使硝化及亞硝化菌等世代時間較長的微生物有效的保留在生物反應器內，從而使MBR系統具有比傳統法更好的脫氮除磷的能力。
(4)由于膜生物反應器所需體積減小且無需設置二次沉淀池，MBR系統的占地面積較之傳統法大大縮小，在一些土地使用緊張的地區較之傳統法建設可行性高。
(5)與傳統法比較，膜污染一直是MBR系統中一個難以克服的問題。它使膜的阻力增加，透水率逐漸下降，嚴重影響了MBR系統的處理效果，成為了限制MBR系統廣泛應用的一個主要障礙。
2 MBR系統在水處理中的應用及研究成果
2.1 MBR系統對污染物的去除能力及控制條件
各國學者對MBR系統的研究發現，MBR系統對廢水中的有機物、氮、磷等污染物都有良好的去除能力。D.D.Sun等使用一套浸沒式的管狀陶瓷膜生物反應器處理COD為2400mg/L的高濃度有機廢水，在溫度為25’:C,SRT為200d,HRT為1d，氧利用速率(SOUR，以MLVSS計)維持在100一200m歲(g-h)時，出水COD為40mg/L,COD去除率達到98.33%;當HRT分別延長到3d和6d，而SOUR降低到20-30mg/(g"h)時，此時生物凈化過程已經受到嚴重破壞，但出水COD分別為175m歲L和150m歲L,COD去除率仍然高達92.71%和93.75%。經研究發現，當生物凈化過程受到破壞時，管狀陶瓷膜組件的過濾作用是維持高的COD去除率的重要原因。E.J.Hwang和D.D.Sun等研究了不同的污泥濃度和曝氣強度下MBR過濾系統的最佳操作條件。在50kPa的壓力下，污泥質量濃度為1400mg/L時，MBR系統的濾速為30L/(m2"h);當污泥質量濃度升高到2800mg/L和5600m酬L時，系統濾速分別下降到18L/(MZ.h)和10L/(m2-h)，可見要想獲得高濾速，則必須降低污泥濃度。在壓力為50kPa，污泥質量濃度為5600mg/L的條件下，將曝氣強度從2L/min提高到4L/min，濾速從10L/(m2.h)提高到了13L/(m2"h)，顯然高的曝氣強度有利于濾速的提高。研究還發現，在高的污泥濃度下，當壓力達到80kPa時，濾速達到臨界值，此時提高壓力濾速基本不變化;而在低的污泥濃度下，隨著壓力的提高，濾速則可以突破臨界值。由此也可以看出，如果為了防止膜的污染而需要將濾速控制在臨界值以下，僅僅依靠降低曝氣強度是不夠的，還必須提高污泥的濃度。
K.Kubin等研究了多段硝化MBR系統對有機物，特別是氮的去除規律。工藝流程如圖1所示。
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在進水NH,‘一N質量濃度平均為44.1mg/L時，出水的NH,+一N質量濃度在0.01mg/L左右，幾乎不能被檢出。研究發現，多段硝化的MBR系統氮的去除率略要好于一段硝化，而有內回流的MBR系統出水的NH,+一N質量濃度在0.07mg/L左右，去除率要低于沒有內回流的MBR系統德國的C.Adam等研究了同時具有脫氮除磷能力的MBR系統對廢水中氮、磷及有機物的去除規律，工藝流程如圖2所示。運行穩定后的各項參數如下:
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污泥齡為15d;回流比R，為100%,R:為400%;容積負荷為1.30k歲(m3-d);有機負荷為0.22k歲(kg"d);污泥產量為0.09kg/d。研究人員將該工藝與傳統的活性污泥工藝作了對比:在進水COD,NH,+-N,P分別為998mg/L,41mg/L,10.5mg/L時，活性污泥法出水相應指標為56mg/L,2mg/L,0.22mg/L;而MBR系統出水相應指標為36mg/L,0.49mg/L,0.1mg/L，大大優于傳統法。
Z.Ujang等研究了兩段式間歇曝氣MBR系統在不同的曝氣頻率下對有機物及氮、磷的去除效果。實驗采用日本Yuasa集團生產的聚烯烴膜材料，孔徑為0.2[Lm，運行穩定后，HRT為24h，污泥齡為25d，污泥質量濃度為2500-3800mg/L，內回流比為100%。實驗通過間歇曝氣在兩段反應器內形成好氧一厭氧環境的循環交替，并在第二段反應器內放置膜組件進行分離，從而實現COD,氮、磷的同時去除。實驗分別在三個不同的曝氣周期下對比MBR系統對污染物的去除能力，試驗數據見表1
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由表1可見，不同的曝氣周期對COD和氮的去除率基本無影響，而在第二段反應器中保持較長時間的厭氧狀態則對磷的去除可以起到一定的積極作用nl}0
2.2MBR系統在處理實際廢水中的應用
多年來，國內外許多學者成功的使用MBR系統處理了很多實際廢水。沈樹寶等使用仿生膜生物反應器處理高濃度有機農藥廢水，當進水COD。為650mgL時，出水COD,為100mgL，達到了國家污水綜合排放一級標準(GB8978-1988),CODS去除率為80%以上，出水濁度小于10度，CN一小于0.5mg/L。仿生膜穩定膜通量為115.2L/(m2-h)，高于一般無機膜的膜通量，且不需清洗，運行費用低。馮久鴻采用MBR一BAF工藝處理采油污水，采油污水中污染物質、油、BODS,氨氮去除率能夠達到約90%;膜生物反應器中COD容積負荷達到1.97kg/(m3-d)時，MBR一BAF系統COD平均去除率仍保持在70%以上。孫振龍等用一體式平片膜生物反應器處理抗生素廢水，膜的截留作用使反應器活性污泥的質量濃度達15g/L,CODS去除率達到86%。
JaN.P.Dan等用酵母菌膜生物反應器處理高鹽度廢水，在NaCl質量濃度為32g/L的高鹽度條件下，系統對COD為5000m酬L的高濃度廢水中COD,BOD的去除率分別達到了76%和85%(151。荷蘭從2000年1月開始，在Beverwijk污水處理廠將MBR技術大規模運用于城市污水處理的研究，第一階段截止到2001年12月，處理水量為10m’/h;第二階段截止到2003年12月，處理水量為750m3/h;目前第二階段的研究工作已經成功完成，預期在2006年1月之前能夠將處理能力為2500-10000m3/h的大規模MBR城市污水處理廠投人運行[(2)0
3膜污染及其對策
3.1膜污染成因
膜污染一般是指污水中的污染物(包括微粒、膠體粒子或溶質大分子)與膜表面存在物理化學或機械作用而引起的膜面上的沉淀與積累，以及膜孔內吸附造成的孔徑變小或堵塞，使膜的透水阻力增加，妨礙了膜表面上的溶解與擴散，從而導致膜通量與分離特性的不可逆變化現象，廣義的膜污染還包括由于濃差極化導致凝膠層形成的可逆變化現象〔16)0至今，膜污染的機理仍在進一步的研究中。剪切力導致污泥顆粒破碎(如污泥顆粒大小從95一200mm變為6一10mm)，同時也刺激了胞外物(Extra-cellularpolymericsubstance,EPS)的釋放，這導致了水力阻力的增加，因此，污泥混合懸浮液中的膠體和可溶性物質是膜生物反應器膜污染的主要影響因素。但與上述結論相反，L.Defrance等認為懸浮物、膠體和可溶性物質占膜污染的比例分別是65%,30%和5%，也就是說，懸浮物和膠體是膜污染的主要影響因素〔")oT.Carroll和N.A.Booker認為中空纖維膜污染機理和速率與中空纖維膜絲的長度和直徑有關，如膜絲的軸向特征在膜污染的初始階段是關鍵影響因素，因此，他們調查了中空纖維膜絲長度對膜污染的影響，并建立了一個簡單的模型[(IS)0
3.2膜污染控制對策
對膜污染的控制方法總的來說可分為污染前防治及污染后處理兩大類，具體如下。
(1)選擇熱穩定性、強度、化學穩定性、耐污染性能、產水性能均好且使用壽命長、孔徑適度(一般比要分離的污染物小一個數量級)的膜材料，另外還需考慮膜造價等經濟性評價指標來確定。膜組件安裝時應合理確定膜組件和曝氣池墻體之間的距離、膜組件和空氣擴散管之間的距離以及膜組件和反應器液面、空氣擴散器和曝氣池底之間的距離，以保證在一定曝氣量下獲得較高的液體上升速率，減少污泥層在膜表面的沉積，減緩膜污染。
(2)通過投加活性炭等方法來改善MLSS的可濾性，控制反應器中MLSS的濃度在適當水平，即可獲產得高的生物量，又可改善過濾效果，防治膜污染。
(3)操作條件方面，保持低水通量過濾，合理的間歇操作模式及曝氣強度〔一般氣水比為(40:1)-(100:1)]，可使膜污染速率降低，膜表面沉積污泥脫落速度加快，膜表面的紊動度增加，從而防止膜污染，延長清洗周期。
(4)膜清洗是對污染后膜處理的常規方法，通常包括:空氣反吹沖洗、水反沖洗、空曝氣清洗、化學清洗以及近年來研究較多的超聲波清洗。清洗需定期進行，為了操作方便應盡量采用在線清洗的方式，水反沖、空氣反沖或超聲波清洗等均應采用自動控制方式;必要時還可進行化學清洗，此時應根據不同的污染物類型選用合適的清洗劑;因化學清洗要停止運行，而且比較繁瑣，所以應盡量減少化學清洗的次數。同時可以查看中國污水處理工程網更多技術文檔。
4結語
我國是一個貧水國家，但同時也是全球最大的發展中國家，一項技術能否在我國廣泛運用，其經濟可行性是必須考慮的一個因素。膜生物法作為一個頗具發展前景的污水處理技術，在我國至今沒有被大規模運用的主要原因就在于與傳統法相比，其經濟可行性低，運行及管理費用高，同時這也是限制許多水處理新技術推廣應用的一個主要障礙。若想克服這一障礙，一方面要依賴我國經濟的不斷發展，另一方面，要積極開發新的高效廉價的膜材料。實際應用的膜材料分為有機和無機兩大類，有機膜易污染、堵塞，只能在低溫、低壓下操作。20世紀90年代研制出的耐高溫、耐高壓、孔徑易控制的無機膜已得到廣泛重視，發展迅猛。近年來的研究表明，仿生膜能很好地解決傳統膜許多難以克服的缺點，如果能實現工業化生產，必將大大促進MBR的廣泛應用。環境工程作為一門邊緣學科，必須要有微生物、化學、材料等相關學科的支持才能獲得長足的發展。而在我國，學科之間的合作還開展得遠遠不夠，如能廣泛開展與相關學科的合作，研制出大量新的高效廉價的膜材料，則可為MBR系統的廣泛應用掃清一個主要障礙。
從長遠的角度看來，水危機在未來必將成為限制我國經濟發展的一個制約因素，隨著廢水資源化的迫切需求及排放水質標準的不斷提高，MBR系統占地小、耐沖擊負荷人出水水質好且穩定、易于實現自動控制的優點將逐漸體現出來，相信其在我國大規模應用的日子將不再遙遠。來源：谷騰水網
