摘要：隨著全球范圍 經(jīng)濟 的快速 發(fā)展 和人口的膨脹，水資源短缺已成為全球人類共同面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。為解決困擾人類發(fā)展的水資源短缺 問題 ，開發(fā)新的可利用水源是世界各國普遍關注的課題。世界上不少缺水國家把污水再生利用作為解決水資源短缺的重要戰(zhàn)略之一。這不僅可以消除污水對水環(huán)境的污染，而且可以減少新鮮水的使用，緩解需水和供水之間的矛盾，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展提供新的水源，取得顯著的環(huán)境、經(jīng)濟和 社會 效益。開展新型高效污水處理與回用技術(shù)的 研究 對于推進污水資源化的進程具有十分重要的意義。

關鍵詞：膜-生物反應器 污水處理 回用技術(shù) 研究 應用

1.前言

隨著全球范圍經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的膨脹，水資源短缺已成為全球人類共同面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。為解決困擾人類發(fā)展的水資源短缺問題，開發(fā)新的可利用水源是世界各國普遍關注的課題。世界上不少缺水國家把污水再生利用作為解決水資源短缺的重要戰(zhàn)略之一。這不僅可以消除污水對水環(huán)境的污染，而且可以減少新鮮水的使用，緩解需水和供水之間的矛盾，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展提供新的水源，取得顯著的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益。開展新型高效污水處理與回用技術(shù)的研究對于推進污水資源化的進程具有十分重要的意義。

膜-生物反應器是近年新開發(fā)的污水處理與回用技術(shù)。該技術(shù)由于具有諸多傳統(tǒng)污水處理工藝所無法比擬的優(yōu)點，在世界范圍受到普遍關注。本文將對近年來膜-生物反應器污水處理與回用技術(shù)的研究與應用進行介紹。

2.膜-生物反應器的技術(shù)原理與特點

在膜-生物反應器中，由于用膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥工藝中的二沉池，可以進行高效的固液分離，克服了傳統(tǒng)活性污泥工藝中出水水質(zhì)不夠穩(wěn)定、污泥容易膨脹等不足，從而具有下列優(yōu)點[1]：

(1)能高效地進行固液分離，出水水質(zhì)良好且穩(wěn)定，可以直接回用;

(2)由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反應器內(nèi)，實現(xiàn)反應器水力停留時間(HRT)和污泥齡(SRT)的完全分離，使運行控制更加靈活穩(wěn)定;

(3)生物反應器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負荷高，占地面積省;

(4)有利于增殖緩慢的微生物如硝化細菌的截留和生長，系統(tǒng)硝化效率得以提高。也可增長一些難降解有機物在系統(tǒng)中的水力停留時間，有效地將分解難降解有機物的微生物滯留在反應器內(nèi)，有利于難降解有機物降解效率的提高;

(5)膜-生物反應器一般都在高容積負荷、低污泥負荷下運行，剩余污泥產(chǎn)量低，降低了污泥處理費用;

(6)易于實現(xiàn)自動控制，操作管理方便。

但膜-生物反應器也存在一些不足：(1)在運行過程中，膜易受到污染，產(chǎn)水量降低，給操作管理也帶來不便。這是 目前 廣大研究者致力改進的問題;(2)膜的制造成本較高。但隨著膜制造技術(shù)的不斷進步，其成本可望降低。

3.膜-生物反應器的發(fā)展概述[2,3]

膜-生物反應器的最早研究可以追溯到上世紀60年代末期的美國。1969年Smith等報道采用超濾膜來替代傳統(tǒng)活性污泥工藝中的二沉池，用于處理城市污水。在另一早期的報道中，Hardt等采用死端過濾的超濾膜與10L的好氧反應器組合處理人工配制的污水，獲得了COD去除率達98%的處理效果，污泥濃度與傳統(tǒng)活性污泥法相比，有大幅度增加。美國的Dorr-Oliver公司在1966年前后也開始了膜-生物反應器的研究，開發(fā)了MST(Membrane Sewage Treatment)的工藝。這一時期，研究的重點在于開發(fā)適合高濃度活性污泥的膜分離裝置。但由于受當時的膜生產(chǎn)技術(shù)所限，膜的使用壽命短、通量小，加之當時對處理排放出水水質(zhì)要求不嚴，使這項技術(shù)在相當長一段時間僅停留在實驗室研究規(guī)模，未能投入實際應用。

70年代末期，日本由于污水再生利用的需要，膜-生物反應器的研究工作有了較快的進展。自1983年到1987年日本有13家公司使用好氧膜-生物反應器處理大樓污水，處理水作為中水回用。1985日本建設省牽頭組織了 “水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計劃”，其 內(nèi)容 涉及到新型膜材料的開發(fā)、膜分離裝置的構(gòu)造設計和膜-生物反應器運行系統(tǒng)的研究。通過產(chǎn)、學、研的結(jié)合，把膜-生物反應器的研究在處理對象、規(guī)模和深度上都大大推進了一步。這一階段的膜-生物反應器的型式主要是分置式。

另一方面，加拿大Zenon公司推出了該公司的分置式膜-生物反應器，用于生活污水的好氧處理。從80年代后期到90年代初，Zenon公司繼續(xù)Dorr-Oliver公司的早期研究，以開發(fā)用于處理 工業(yè) 廢水的系統(tǒng)并獲得了成功。Zenon公司的商業(yè)化產(chǎn)品，ZenoGem于1982年投入使用。

有關膜技術(shù)與厭氧反應器的組合使用在80年代初也受到關注。1982年Dorr-Oliver公司開發(fā)了MARS工藝(Membrane Anaerobic Reactor System)用于處理高濃度有機工業(yè)廢水。同時80年代初，在英國也開發(fā)了類同的工藝。該工藝在南非進一步發(fā)展成為ADUF工藝(Anaerobic Digester Ultrafiltration Process)。

80年代末以后，國際上對膜-生物反應器的研究更是方興未艾，研究內(nèi)容更加全面，深度和廣度不斷加強。在傳統(tǒng)分置式膜-生物反應器的基礎上，提出了運行能耗低、占地更為緊湊的一體式膜-生物反應器[4]。有關膜-生物反應器運行條件的優(yōu)化和膜污染機理及其控制對策方面的研究也十分活躍。這為膜-生物反應器的廣泛推廣應用奠定了基礎。目前，膜-生物反應器在日本、美國、法國、英國、荷蘭、德國、南非、澳大利亞等國已得到相當多的應用。主要應用對象包括：生活污水的處理與回用、糞便污水處理、有機工業(yè)廢水處理等。

我國對膜-生物反應器的研究始于上世紀90年代初。最早開始研究的有清華大學、 中國 科學 院生態(tài)環(huán)境研究中心、天津大學、同濟大學等。近年，由于該項技術(shù)所具有的巨大吸引力和潛在的應用前景，受到了更多研究者的青睞。許多大學、研究所、環(huán)保公司也加入到了此項技術(shù)的研究開發(fā)中。從國內(nèi)專業(yè)雜志發(fā)表的論文篇數(shù)來看，近幾年增加很快，從1998年的9篇增加到2002年的60余篇。目前國內(nèi)從事膜-生物反應器開發(fā)應用的公司也有十余家。

4. 膜-生物反應器對污染物的處理效果

4.1 有機污染物處理效果

許多研究者都證實膜-生物反應器能夠有效地去除有機污染物并獲得良好的出水水質(zhì)。早在上世紀80年代日本的三井石化公司采用好氧膜-生物反應器處理大樓生活污水，在進水BOD5為330～710mg/L時，出水BOD5僅為1～5mg/L，BOD去除率可達99%以上。膜出水可以作為樓房中水道用水、草地噴水和汽車沖洗水等使用，達到了污水再生利用的目的。邢傳宏[5]采用分置式好氧膜-生物反應器對城市污水的處理進行了試驗研究。在該系統(tǒng)中，采用管狀陶瓷膜，切割分子量為3000,000。系統(tǒng)表現(xiàn)出穩(wěn)定的有機物去除率，即使進水COD在100-800mg/L，NH4+-N在10-40mg/L大幅度變化的情況下，COD和NH4+-N去除率分別可達96%和95%以上，出水COD均小于20mg/L。其它水質(zhì)監(jiān)測指標及與建設部雜用水水質(zhì)標準的比較見表1。

表1 MBR處理城市污水出水與建設部雜用水標準(CJ25.1-89)的比較

項 目	膜出水	雜用水標準
		廁所沖洗、城市綠化	掃除、洗車
COD(mg/L) 懸浮物(mg/L) 氨氮(mg/L) 總大腸菌數(shù)(個/L) pH 色度（度） 濁度（NTU） 嗅	<20 無 <1 未檢出 8.2 <2.5 <2 無不快感	50 10 20 3 6.5－9.0 30 10 無不快感	50 5 10 3 6.5－9.0 30 5 無不快感

在膜-生物反應器中污染物去除率很高的原因在于：(1)膜的分離作用維持了高濃度的生物量，促進了生物降解作用;(2)膜分離本身對懸浮物COD和大分子溶解性有機物也有進一步的截留效果。對于COD的去除，由膜截留作用的貢獻率在10-20%左右。

膜-生物反應器良好及穩(wěn)定的出水水質(zhì)還有賴于膜表面形成的凝膠層的分離截留作用。很多研究者發(fā)現(xiàn)膜-生物反應器在運行一小段時間后，一些大分子的微生物產(chǎn)物便會附著于膜的表面形成一層動態(tài)過濾膜，也稱為凝膠層。這層凝膠層也能起到過濾膜的作用，且由于其截留作用大于膜本身，從而有助于提高出水水質(zhì)[6]。

有關操作條件對膜-生物反應器處理效果的 影響 也有許多報道。研究表明，變化HRT(從2h 變化到24h)和SRT(從5d到1300d(基本上不排泥))，對污染物的去除沒有明顯影響。

表2列出了好氧膜-生物反應器處理城市和工業(yè)廢水的效果和運行條件。

表2好氧膜-生物反應器處理城市和工業(yè)廢水的效果和運行條件

項 目	城市（生活）廢水	工業(yè)廢水
進水COD(mg/L) COD去除率(%) 污泥濃度(g/L) 容積負荷(kg-COD/(m3d)) 污泥負荷(kg-COD/(kg-VSSd)) 污泥產(chǎn)率(kg-MLSS/kg-COD) 水力停留時間(h) 污泥齡(d)	44.2-800 90-98 10-20, 最高50 1.2-5.78 0.03-0.55 0-0.34 2-24 5-µ	1333-68000 90-99.8 20-40，大部分>40 0.25-16 0.012-2.72 0.05-0.35 14-389 6.2-600

4.2 氮磷去除效果

在膜-生物反應器中，由于膜分離對硝化細菌的高效截留作用，生物反應器內(nèi)可以維持高濃度的硝化細菌。因此通常膜-生物反應器可以獲得非常高的硝化效果，氨氮去除率可以達到95%以上。通過調(diào)整適當?shù)牟僮鞣绞?，?生物反應器中也能獲得很好的TN去除率。如Suwa利用間歇曝氣，在分置式膜-生物反應器中獲得了0.0074 g-N /g-VSS d-1的反硝化效果。Chiemchaisri采用同樣的運行方式，脫氮率達92.6%。有研究認為，在膜-生物反應器內(nèi)控制DO的條件下，可以發(fā)生同步硝化/反硝化反應。

關于膜-生物反應器對磷的去除也有相當報道，去除范圍在11.9%到75%不等。單獨的同化作用似乎不能解釋膜-生物反應器中磷的全部去除。其機理有待于進一步研究。通過與化學除磷法相結(jié)合，可以保證系統(tǒng)出水達到相應的標準值以下。

4.3 難降解有機物處理效果

采用膜-生物反應器處理含難降解有機物廢水，可以強化系統(tǒng)對難降解有機物的處理效果，提高系統(tǒng)對沖擊負荷的承受能力。桂萍[7]以喹啉和EDTA兩種難降解有機物為對象，在實驗室小試的基礎上采用膜-生物反應器進行了試驗研究，并在同等條件下與普通活性污泥法進行了對比。結(jié)果表明，膜-生物反應器較普通活性污泥法，對難降解有機物的去除效率和去除負荷更高，抗進水有毒物沖擊負荷能力更強，運行更為穩(wěn)定。劉超翔[8]開展了厭氧/好氧膜-生物反應器處理毛染廢水的中試研究，獲得了比傳統(tǒng)工藝更好的處理效果，處理出水可以達到中水回用標準。此外，也有研究報道采用膜-生物反應器處理制藥廢水、石化廢水等，取得了良好的效果。

5.膜-生物反應器的 應用 現(xiàn)狀

5.1 在國外應用情況

表3 列出了國外一些國家近年來MBR的應用情況[13]。在日本運行(包括在建)的膜-生物反應器占全球的60%以上。在膜-生物反應器的應用中，98%以上是好氧膜-生物反應器，其中55%以上是一體式膜-生物反應器。

表3 MBR的國外應用情況

國家	應用單位	膜供應 廠家	處理規(guī)模 （m3/d）	處理對象
荷蘭	Beberwijk污水處理廠		240	生活污水
荷蘭	Varsseveld污水處理廠		18000	生活污水
英國	Porlock污水處理廠	Kubota	1900	生活污水
英國	Swanage污水處理廠	Kubota	13000	生活污水
英國	Daldowie污水處理廠	Kubota	10800	生活污水
英國	Wraxall污水處理廠	Kubota	290	生活污水
德國	Buechel污水處理廠	Kubota	960	生活污水
德國	Markranstadt污水處理廠	Zenon	6000	生活污水
德國	Erftverband污水處理廠		1500	生活污水
德國	MoonhEim污水處理廠		5000	生活污水
德國	Kaarst污水處理廠		40000	生活污水
愛而蘭	Avonmore公司	Kubota	7100	生活污水
愛而蘭	Minchmalt廠	Kubota	1720	生活污水
比利時	HEIst污水處理廠		30000	生活污水
比利時	Schilde污水處理廠		14000	生活污水
奧地利	Halbenrain污水處理廠		100	垃圾滲濾液
奧地利		Zenon	270	生活污水
瑞士		Zenon	5000	生活污水
以色列	Jerusalem污水處理廠		4000	生活污水
美國	24座污水處理廠	Zenon	7500	城市污水
加拿大	9座污水處理廠	Zenon		城市污水
日本	300余座			小區(qū)污水回用
日本	150余座			工業(yè) 廢水

5.2 在國內(nèi)應用情況

表4為我國的部分應用實例。

表4 MBR在我國的部分應用實例

廢水種類	處理能力 (m3/d)	COD(mg/L)		BOD5(mg/L)		NH4+- N (mg/L)		SS(mg/L)
		進水	出水	進水	出水	進水	出水	進水	出水
黃泔廢水 醫(yī)院 廢水 制藥廢水 大樓廢水 食品廢水 食品廢水	17 25 50 200 500 125	900-12000 48-278 1500-4900 92-108 754 400-1300	<100 <25 <180 23 <80 <20	6805 20 500-1633 27-32	10 0.4 10 8	130-180 10-24 257-394	5 1 15	5000 730 39-47	10 10 3.5

5.3 鋒尚國際公寓膜-生物反應器示范工程運行情況

清華大學環(huán)境 科學 與工程系在國家“十五”攻關的支持下，在海淀區(qū)鋒尚國際公寓建立了處理規(guī)模為240m3/d的膜-生物反應器中水回用工程。 目前 該工程從啟動已運行3個多月，COD，氨氮和LAS的去除效果分別見圖1, 圖2和圖2。運行期間，系統(tǒng)出水平均COD，氨氮, LAS和濁度的濃度分別為17.25mg/L, 0.75 mg/L, 0.16mg/L和0.61mg/L，滿足中水回用標準。目前處理出水用于該住宅區(qū)的綠化用水。

圖1 鋒尚國際公寓膜-生物反應器示范工程COD處理效果

圖2 鋒尚國際公寓膜-生物反應器示范工程氨氮處理效果

圖3 鋒尚國際公寓膜-生物反應器示范工程LAS處理效果

6.結(jié)束語

膜-生物反應器有諸多傳統(tǒng)工藝不及的優(yōu)點，在污水處理和回用中具有廣闊的應用前景?？梢詰玫念I域包括：高層建筑的中水回用、居住小區(qū)生活污水資源化、城市污水資源化以及有機工業(yè)廢水的資源化等。目前我國在膜-生物反應器污水處理與回用方面的應用實例還不太多，規(guī)模也不夠大。今后應通過產(chǎn)、學、研的緊密合作，進一步加強 研究 開發(fā)以推動其產(chǎn)業(yè)化進程。

主要 參考 文獻 ：

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5. Xing, C.-H., Tardieu E., Qian, Y. and Wen, X.-H., Ultrafiltration membrane bioreactor for urban wastewater reclamation, J. Mem. Sci, 177, 73-82(2000).

6. Magara, Y. and Itoh, M., The effect of operational factors on solid/liquid separation by ultra-membrane filtration in a biological denitrification system for collected human excreta treatment plants. Wat. Sci. Tech., 23, 1583-1590(1991).

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9. Magara, Y. and Itoh, M., The effect of operational factors on solid/liquid separation by ultra-membrane filtration in a biological denitrification system for collected human excreta treatment plants. Wat. Sci. Tech., 23, 1583-1590(1991).

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11. 桂萍，黃霞等：膜-生物反應器運行條件對膜過濾特性的 影響 研究，環(huán)境科學，20(3),38-41 (1999)

12. 張傳義, 王 勇, 黃霞等：一體式膜-生物反應器 經(jīng)濟 曝氣量的試驗研究, 膜科學與技術(shù)，已接收。

13. 張穎、顧平、鄧曉欽：膜生物反應器在污水處理中的 應用 進展， 中國 給水排水，18(4), 90-92(2002).