2.2.7　膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器（MBR）是高效膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)活性污泥法的結(jié)合，幾乎能將所有的微生物截留在生物反應(yīng)器中，這使反應(yīng)器中的生物污泥濃度提高，理論上污泥泥齡可以無限長(zhǎng)，使出水的有機(jī)污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，對(duì)難降解的工業(yè)廢水也非常有效。

目前，膜工藝被廣泛用于城市用水的凈化以及生活污水和工業(yè)廢水的處理。膜工藝與傳統(tǒng)生物處理工藝相比具有出水水質(zhì)好、占地面積小、維修簡(jiǎn)便和操作靈活等特點(diǎn)。這些工藝的發(fā)展動(dòng)力源于日益嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)對(duì)小型、高效的水處理工藝的需求，用于廢水處理的膜反應(yīng)器是其中一項(xiàng)很有發(fā)展前景的工藝。該工藝通過膜技術(shù)來強(qiáng)化生物反應(yīng)器的功能。

2.2.7.1　膜生物反應(yīng)器的歷史

膜與生物處理工藝結(jié)合的膜生物反應(yīng)器研究迄今已有40年了，其商業(yè)應(yīng)用也有30年的歷史。

1969年，美國(guó)的Smith首次報(bào)道了美國(guó)Dorr-Oliver公司把活性污泥和超濾工藝結(jié)合處理城市污水的方法。該工藝最引人矚目的地方是用膜分離技術(shù)代替了常規(guī)的活性污泥二沉池，用膜分離技術(shù)作為處理單元中富集生物的手段，而不是采用常規(guī)的回流循環(huán)來增加曝氣池中微生物的濃度。它是用一個(gè)外部循環(huán)的板框式組件來實(shí)現(xiàn)膜過濾的，在生活污水的處理中獲得了極佳的處理效果（出水BOD<1mg/L，COD 20～30mg/L），是常規(guī)好氧系統(tǒng)的23倍；膜通量為7.5L/（m²·h），COD去除率為98%。Dorr-Oliver公司在20世紀(jì)60年代還開發(fā)了另一種膜處理工藝MST（membrane sewage treatment）。在該系統(tǒng)中，污水進(jìn)入懸浮生長(zhǎng)的生物反應(yīng)器中，并通過超濾膜組件的抽吸作用連續(xù)進(jìn)水。膜組件為板框式，進(jìn)出口壓力分別為345kPa和172kPa，膜通量為16.9L/（m²·h）。盡管這些工藝取得了良好的出水水質(zhì)，但由于當(dāng)時(shí)膜技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后，膜材料種類少，價(jià)格昂貴，使用壽命短，限制了該工藝的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，污水膜生物反應(yīng)器仍然處于研究階段。

1970年，美國(guó)的Dorr-Oliver公司和日本的Sanki Engineering有限責(zé)任公司達(dá)成協(xié)議，使得該工藝首次進(jìn)入日本市場(chǎng)。20世紀(jì)80年代以后，隨著膜制造技術(shù)的發(fā)展、膜分離工藝的完善、膜清洗方法的改進(jìn)和污水廠出水水質(zhì)要求的提高，MBR開始在污水處理行業(yè)得到應(yīng)用。1989年，日本政府聯(lián)合許多大公司共同投資進(jìn)行了為期6年的“90年代水復(fù)興計(jì)劃”科研項(xiàng)目，其目的是尋求滿足中長(zhǎng)期水量需求、解決水污染問題和從污染物中獲取能量。特別是開發(fā)一種膜技術(shù)與生物反應(yīng)器相結(jié)合來處理工業(yè)和城市污水，省能省地，出水水質(zhì)好，適用于污水回用的工藝。項(xiàng)目耗資118億日元。Kubota作為其中的公司之一，研制了平板式浸沒MBR。到1993年，已經(jīng)報(bào)道有39套外置式MBR系統(tǒng)用于日本的衛(wèi)生和工業(yè)領(lǐng)域。今天，日本已經(jīng)有數(shù)家公司提供成套產(chǎn)品，應(yīng)用于家庭污水處理和回用以及廢水中COD較高的工業(yè)領(lǐng)域，例如飲料行業(yè)等。

20世紀(jì)70年代早期，美國(guó)密歇根州的Thetford系統(tǒng)公司（現(xiàn)為Zenon環(huán)境公司的一部分）推出了自己的外置式膜分離系統(tǒng)Cyclc-Let工藝用于住宅污水的處理。該系統(tǒng)采用兩級(jí)污泥好氧-缺氧流程，外置管式超濾膜來處理污水，出水經(jīng)過UV消毒后用于沖廁。1974～1982年間，Thetford系統(tǒng)公司共安裝了27套Cyclc-Let工藝產(chǎn)品。1982年，Dorr-Oiliver公司應(yīng)用膜厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)（MARS）來處理高濃度食品廢水。該工藝采用外部循環(huán)超濾膜，總負(fù)荷8kg COD/（m³·d），COD去除率達(dá)到99%。與此同時(shí)，英國(guó)采用超濾膜和微濾膜研制了兩套污水處理系統(tǒng)，其概念在南非得以進(jìn)一步發(fā)展而形成厭氧消化超濾工藝（ADUF）。ADUF系統(tǒng)采用管式超濾聚砜膜，穩(wěn)定狀態(tài)膜通量為37.3L/（m²·h），固體濃度為50g TSS/L。1994年，Thetford系統(tǒng)公司與Zenon環(huán)境公司合并為Zenon市政系統(tǒng)公司。在20世紀(jì)80年代末和90年代初，Zenon環(huán)境公司繼續(xù)了美國(guó)的Dorr-Oliver公司早期在工業(yè)污水領(lǐng)域的研究工作，研制成功Zenon-ZeeWeed第一系列工藝。特別是形成ZW-145（膜面積13.5m²）、ZW-150（膜面積13.9m²）、ZW-500（膜面積46m²）、12件組合ZW-150（膜面積可達(dá)63m²）、8件組合ZW-500（膜面積可達(dá)146m²）等系列產(chǎn)品，大大推動(dòng)了MBR技術(shù)的市場(chǎng)化進(jìn)程。

國(guó)內(nèi)外MBR的研究大致可分為以下幾個(gè)方面。

①探索不同生物處理工藝與膜分離單元的組合形式，生物反應(yīng)處理工藝從活性污泥法擴(kuò)展到接觸氧化法、生物膜法、活性污泥與生物膜相結(jié)合的復(fù)合式工藝、兩相厭氧工藝等。

②影響處理效果與膜污染的因素、機(jī)理及數(shù)學(xué)模型的研究，探求合適的操作條件與工藝參數(shù)，盡可能減輕膜污染，提高膜組件的處理能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。

③擴(kuò)大MBR的應(yīng)用范圍，MBR的研究對(duì)象從生活污水?dāng)U展到高濃度有機(jī)廢水（如食品廢水、啤酒廢水）與難降解工業(yè)廢水（如石化廢水、印染廢水等），但以生活污水的處理為主。

另外，也有少數(shù)研究者采用硅橡膠膜生物反應(yīng)器對(duì)廢水中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）進(jìn)行生物處理的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。

2.2.7.2　膜反應(yīng)器工藝

（1）膜生物反應(yīng)器的工藝特點(diǎn)

膜生物反應(yīng)器工藝主要有以下特點(diǎn)：

①污染物去除效率高，不僅對(duì)懸浮物去除效率高，且可以去除細(xì)菌、病毒等，設(shè)備占地小；

②膜分離可使微生物完全截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器水力停留時(shí)間和污泥泥齡的完全分離，使運(yùn)行控制更加靈活、穩(wěn)定；

③生物反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度高，耐沖擊負(fù)荷；

④有益于增殖緩慢的微生物，如硝化細(xì)菌的截留和生長(zhǎng)，系統(tǒng)硝化效率得以提高，同時(shí)可提高難降解有機(jī)物的降解效率；

⑤傳質(zhì)效率高，氧轉(zhuǎn)化效率高達(dá)26%～60%；

⑥污泥產(chǎn)生量低；

⑦出水水質(zhì)好，出水可直接回用；

⑧易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作管理方便。

（2）分類

水處理中的膜生物反應(yīng)器由生物反應(yīng)器與微濾、超濾、納濾或反滲透膜系統(tǒng)組成，因而可分為微濾膜生物反應(yīng)器、超濾膜生物反應(yīng)器等。

據(jù)膜系統(tǒng)與生物反應(yīng)器組合的方式和位置，膜生物反應(yīng)器又可分為分置式（循環(huán)式）膜生物反應(yīng)器和一體式（浸沒式）膜生物反應(yīng)器兩種。

1）分置式膜生物反應(yīng)器（RMBR）　生化后反應(yīng)器中的廢水經(jīng)加壓泵送入膜組件，透過液可回用于市政等；濃縮液再返回反應(yīng)器，進(jìn)一步生化降解或部分經(jīng)循環(huán)泵加壓后再返回膜組件中。

分置式膜生物反應(yīng)器的特點(diǎn)是膜組件自成體系，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，膜通量較大，有易于清洗、更換及增設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。但泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力對(duì)某些微生物細(xì)菌體會(huì)產(chǎn)生失活現(xiàn)象，而且一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積，由循環(huán)泵提供的水流流速都很高，為此動(dòng)力消耗較大。

2）一體式膜生物反應(yīng)器（SMBR）　膜組件直接浸泡于反應(yīng)器中，反應(yīng)器下方有曝氣裝置，使空壓機(jī)送來的空氣形成上浮的微氣泡，在曝氣的同時(shí)，又使膜表面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，利于膜表面除污，透過液在抽吸泵的負(fù)壓下流出膜組件。

一體式膜生物反應(yīng)器不使用循環(huán)泵，可避免微生物菌體受到剪切力而失活。其最大特點(diǎn)是運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)用低，但其膜通量相對(duì)較低，易發(fā)生膜污染。通常膜部分的拆洗、清洗較困難，不過中空纖維式膜組件由于體積小、組裝靈活，可分組設(shè)置成若干框架結(jié)構(gòu)，便于從曝氣池中拿出，克服了不易拆裝、清洗的缺點(diǎn)。

（3）膜生物反應(yīng)器運(yùn)行的影響因素

膜生物反應(yīng)器由膜分離單元與生物處理單元組成，因此影響其穩(wěn)定運(yùn)行的因素不但包括常規(guī)生物動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如容積負(fù)荷、污泥濃度、污泥負(fù)荷等），還包括膜分離的相關(guān)參數(shù)、膜的固有性質(zhì)（如膜材料、膜孔徑、荷電性等）、濾液的性質(zhì)、操作方式、反應(yīng)器的水利條件等。其中生物動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要影響MBR的處理效果，膜分離參數(shù)主要影響MBR的處理能力。

1）影響MBR穩(wěn)定運(yùn)行的生物動(dòng)力學(xué)參數(shù)

①有機(jī)負(fù)荷。研究表明：好氧MBR出水受容積負(fù)荷與水力停留時(shí)間（HRT）的影響較小，而厭氧MBR出水受沖擊負(fù)荷與BRT的影響較大。李紅兵用MBR處理生活污水，在水力停留時(shí)間為1.5h、5.8h，COD容積負(fù)荷在高負(fù)荷［5.76kg/（m³·d）］與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下［0.8～1kg/（m³·d）］，處理效果基本相同，系統(tǒng)對(duì)COD去除率都達(dá)到90%以上。吳志超采用好氧MBR處理巴西基酸生產(chǎn)廢水發(fā)現(xiàn)：COD容積負(fù)荷分別為1.2kg/（m³·d）、2.4kg/（m³·d）、4.8kg/（m³·d）時(shí)，出水COD濃度變化不大，且HRT對(duì)出水水質(zhì)無明顯的影響。而何義亮用厭氧MBR處理高濃度食品廢水卻發(fā)現(xiàn)：當(dāng)COD容積負(fù)荷從2kg/（m³·d）升高到4.5kg/（m³·d），COD去除率從90%下降至70%。且HRT對(duì)處理效果有重要影響，對(duì)這些研究的比較發(fā)現(xiàn)：在好氧MBR中，污泥濃度隨容積負(fù)荷的增加迅速升高，有機(jī)物去除速率加快，污泥負(fù)荷基本保持不變，從而抑制出水水質(zhì)的惡化，而在厭氧MBR中，污泥濃度升高緩慢，因此厭氧MBR出水水質(zhì)易受容積負(fù)荷的影響。

李紅兵、顧平對(duì)MBR處理生活污水的研究表明：沖擊負(fù)荷對(duì)有機(jī)物的去除沒有顯著的影響，但NH₃-N受沖擊負(fù)荷影響明顯，出水NH₃-N的惡化程度與沖擊負(fù)荷的大小成正比。這一現(xiàn)象可能是由于膜的攔截作用對(duì)NH₃-N的去除并無貢獻(xiàn)。因此，MBR對(duì)氮的去除效果易受生物反應(yīng)器處理效果的影響。顧平的研究還發(fā)現(xiàn)：在沖擊負(fù)荷條件下，膜通量衰減幅度是正常COD負(fù)荷的數(shù)十倍。通過分析沖擊負(fù)荷期間進(jìn)水COD和MLSS間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)MLSS的變化規(guī)律與最大膜通量的降低有類似之處，COD沖擊負(fù)荷使反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度迅速增加，混合液的黏度增加，從而使液-固分離困難；同對(duì)，處于增長(zhǎng)期的污泥活性高，有大量細(xì)胞外聚合物存在，增加了膜過濾阻力，導(dǎo)致膜最大出水量降低。

②污泥濃度。污泥濃度是MBR系統(tǒng)的重要參數(shù)，不僅影響有機(jī)物的去除能力，還對(duì)膜通量產(chǎn)生影響。許多研究都表明污泥濃度與溶解性生物產(chǎn)物是影響膜通量的重要參數(shù)。這些研究成果表明：一定條件下污泥濃度越高，膜通量越低。顧平在一體式MBR處理生活污水的研究中卻發(fā)現(xiàn)：當(dāng)曝氣強(qiáng)度足夠大（氣水比近似100∶1）、MLSS由10g/L變化到35g/L時(shí)，MLSS與膜通量沒有明顯的相關(guān)性；但如果降低曝氣強(qiáng)度，MLSS對(duì)膜通量可能產(chǎn)生一定的影響。

污泥濃度對(duì)膜通量的影響程度與曝氣強(qiáng)度、膜面循環(huán)流速、水力學(xué)條件等密切相關(guān)。桂萍應(yīng)用正交試驗(yàn)的方法對(duì)一體式MBR中膜污染速度與污泥濃度、曝氣量和膜通量的關(guān)系進(jìn)行考察，研究結(jié)果表明：不同污泥濃度均存在一個(gè)污泥在膜表面大量沉積的臨界膜通量，當(dāng)膜通量小于臨界通量時(shí)，膜污染主要由溶解性有機(jī)物在膜面的沉積引起；當(dāng)膜通量大于臨界膜通量時(shí)，膜污染主要由懸浮污泥在膜面的沉積引起；在污泥濃度較低時(shí)，曝氣強(qiáng)度對(duì)膜的污染影響不大，在中、高污泥濃度條件下，增加曝氣強(qiáng)度有利于減緩膜污染。臨界膜通量J與污泥濃度MLSS和曝氣強(qiáng)度Q_A有如下關(guān)系：

Q_A/J=8.34e^0.07MLSS　　（2-5）

但該試驗(yàn)中各變量的取值范圍較窄。劉銳在桂萍試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用均勻設(shè)計(jì)法，擴(kuò)大各變量的取值范圍，以膜過濾阻力上升速率K作為膜污染發(fā)展速度的表征指數(shù)，建立了膜污染發(fā)展速度模型：

K=8.933×10⁷ΔP×MLSS^0.532J^0.376　　（2-6）

由該模型知膜過濾阻力上升速率K隨膜通量J與污泥濃度MLSS的增加而增加，隨膜間液體上升流速U_lr的增加而減小。

2）膜操作參數(shù)　在保證出水水質(zhì)的前提下，膜通量應(yīng)盡可能大，這樣可減少膜的使用面積、降低基建費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用。因此，控制膜污染、保持較高的膜通量，是膜生物反應(yīng)器的重要研究?jī)?nèi)容。

①膜通量或操作壓力。膜生物反應(yīng)器有兩種操作模式：一種是恒定膜通量變操作壓力運(yùn)行；另一種是恒定操作壓力變膜通量運(yùn)行。

當(dāng)采用恒定膜通量的操作方式時(shí)，膜通量的選擇對(duì)于膜的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)于某一特定的膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)，存在臨界的膜通量，當(dāng)實(shí)際采用的膜通量大于該臨界值時(shí)，膜污染加重，膜清洗周期大大縮短。Kwon和Vigneswaran明確提出了臨界膜通量的概念。

Ⅰ.狹義臨界通量被定義為使粒子開始在膜表面沉積的膜通量。當(dāng)膜通量低于此臨界值時(shí)，無粒子沉積。

Ⅱ.廣義臨界通量是使膜過濾阻力不隨時(shí)間明顯升高的最大膜通量。此定義以膜過濾阻力隨時(shí)間發(fā)生明顯升高為準(zhǔn)則，因此即使發(fā)生粒子在膜表面的沉積，但只要膜過濾阻力隨時(shí)間不發(fā)生明顯變化，則認(rèn)為該通量仍小于臨界值。

臨界膜通量的概念近年來得到了廣泛的關(guān)注，許多學(xué)者的研究證明了只有把膜通量選擇在臨界值之下，才能延長(zhǎng)膜的運(yùn)行周期，否則，膜會(huì)因迅速發(fā)生污染而停止運(yùn)行。例如，Defrance和Jaffrin（1999）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)實(shí)際采用的膜通量低于臨界膜通量時(shí)，膜過濾壓力保持平衡且膜污染可逆；反之，膜過濾壓力迅速上升而不能趨于穩(wěn)定，膜污染的可逆性顯著下降。膜污染向不可逆方向發(fā)展的主要原因之一是在膜過濾時(shí)濃差極化層轉(zhuǎn)化成致密的濾餅層；另外，膜通量增加后膜面污染層的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，最終也將造成污泥層和凝膠層的阻力顯著增大。如果實(shí)際采用的膜通量低于臨界膜通量，曝氣量的提高可以顯著去除污泥層，否則，曝氣量的提高對(duì)污泥的去除作用不大。臨界膜通量隨膜面錯(cuò)流流速的增加而呈線性增長(zhǎng)。

同樣，當(dāng)采用恒定操作壓力變膜通量運(yùn)行時(shí)，存在一個(gè)臨界的操作壓力，在高于臨界操作壓力的條件下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致膜迅速污染。臨界操作壓力隨著膜孔徑的增加而減小。

②膜面錯(cuò)流流速。提高膜表面的水流紊動(dòng)程度可以有效減少顆粒物質(zhì)在膜面的沉積，減緩膜污染。但是，膜面錯(cuò)流流速并非越大越好，當(dāng)膜面錯(cuò)流流速達(dá)到一個(gè)臨界值后，其進(jìn)一步增加將不會(huì)對(duì)膜的過濾性能有明顯改善；而且，過大的膜面流速還有可能因打碎活性污泥絮體而使污泥粒徑減小，上清液中溶解性物質(zhì)的濃度增加，從而加劇膜污染。

③溫度。溫度對(duì)膜的過濾分離過程也有影響。Magara和Itdi在不同溫度下進(jìn)行活性污泥的過濾試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，溫度每升高1℃可引起膜通透量增加2%，他認(rèn)為這是由溫度變化引起料液黏度的變化所致。也有研究表明，提高溫度不僅降低了混合液的黏度，還改變了膜面上污泥層的厚度和孔徑，從而改變了膜的通透性能。

④操作方式。針對(duì)一體式膜生物反應(yīng)器，Yamamoto提出間歇抽吸的操作方式，這種操作方式可以有效減緩膜污染的發(fā)展速度。桂萍進(jìn)一步通過試驗(yàn)指出，出水泵開15min停5min能最經(jīng)濟(jì)有效地控制膜污染。

階段啟動(dòng)也有利于減緩膜的不可逆污染。Chen發(fā)現(xiàn)，逐步提高膜通量到設(shè)定值要比直接應(yīng)用該通量時(shí)的膜操作壓力要低得多。

Defrance和Jaffrin對(duì)恒定膜通量運(yùn)行和恒定操作壓力兩種情況進(jìn)行了比較，認(rèn)為釆用恒定膜通量的操作方式在運(yùn)行初期能夠避免膜面過度污染，更有利于膜的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.7.3　膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用

（1）生活污水處理

與傳統(tǒng)生物處理工藝相比，膜生物反應(yīng)器具有良好的污染物去除效果與較低的污泥產(chǎn)率。

表2-18為膜生物反應(yīng)器與常規(guī)生物法反應(yīng)器的比較。

生活污水經(jīng)MBR處理后，COD、BOD、濁度都很低，大部分細(xì)菌、病毒被截留，出水水質(zhì)已達(dá)到建設(shè)部《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ 25.1—89），可直接作為建筑中水回用及城市園林綠化、清潔、消防、洗車等用。

（2）糞便污水處理

1）糞便污水　國(guó)外把糞便污水又稱為黑水（black water），與黑水相對(duì)的另一概念是灰水。國(guó)外的黑水定義有兩種：一種定義為含有糞便物質(zhì)的生活污水；另一種定義為廁所污水，包括沖廁水和人類營(yíng)養(yǎng)物溶液（anthropogenic nutrient solutions，ANS）。糞便（night soil）是指不含或含少量沖廁水的黑水。本書敘述中的糞便污水包括含有沖廁水的黑水和不含沖廁水的黑水即糞便。

黑水含有較高的COD、N、P等物質(zhì)（是生活污水中80%～90% N、P和50%～57%的有機(jī)物質(zhì)來源）和病原菌，而糞便中的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度更高，見表2-19。

長(zhǎng)期以來，糞便污水的處理方式以輸送到污水處理廠或糞便處理廠集中處理為主。處理難度大，費(fèi)用高。因此，解決糞便污水的就地處理問題已提上日程，與之相關(guān)的糞便和糞便污水處理的研究、開發(fā)與應(yīng)用也得到不斷發(fā)展。

糞便污水處理技術(shù)可分為兩類：一類是以厭氧處理為主的技術(shù)，這種處理技術(shù)把糞便污水作為可回收資源，生物降解不完全，氮、磷去除少，糞便污水無害化后的產(chǎn)物作為肥料；另一類技術(shù)包括好氧、厭氧或厭氧和好氧混合工藝，它將糞便污水經(jīng)過生物降解去除有機(jī)物和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使出水達(dá)到排放或回用標(biāo)準(zhǔn)。

2）MBR處理糞便污水技術(shù)　MBR處理糞便污水的典型工藝流程有5種。

①高效生物反硝化-超濾。根據(jù)小反應(yīng)池位置不同有兩種工藝。糞便的前處理用粗網(wǎng)和細(xì)網(wǎng)去除纖維和粗大固體顆粒。生物反硝化單元包括兩個(gè)反應(yīng)池，主反應(yīng)池中用來去除大部分BOD₅和N，并加入甲醇加強(qiáng)除氮功能；小反應(yīng)池利用反硝化菌的內(nèi)源呼吸進(jìn)一步去除N。好氧和厭氧段由計(jì)算機(jī)根據(jù)氧化-還原電位（oxidation reduction potential，ORP）、溶解氧（DO）情況調(diào)節(jié)供氧量。處理水的深度處理包括凝聚超濾、活性炭吸附和消毒。

②高負(fù)荷反硝化-超濾。污水經(jīng)粉碎、絮凝-篩網(wǎng)后經(jīng)過生物反應(yīng)池。與高效生物反硝化-超濾流程不同，生物反應(yīng)池只有1個(gè)，采用間歇曝氣式除去總氮，生物處理出水經(jīng)深度處理后排放。

③高負(fù)荷活性污泥-超濾。日本靜岡的糞便處理廠采用高負(fù)荷活性污泥-超濾的MBR處理糞便和化糞池的污泥，處理量是160m³/d，污水中含BOD和TN分別是1199kg/d和356kg/d。生物反應(yīng)分為兩個(gè)階段：第一階段生物反應(yīng)包括厭氧/好氧兩個(gè)反應(yīng)池，污水經(jīng)格柵前處理，進(jìn)入第一階段生物反應(yīng)器，處理出水經(jīng)膜過濾，膜過濾液進(jìn)入第二階段生物反應(yīng)器，濃縮液回到第一階段的厭氧反應(yīng)器；第二階段反應(yīng)池處理第一階段反應(yīng)的膜過濾液和廠中的低濃度污水，第二階段處理出水經(jīng)包括凝聚超濾、活性炭吸附和消毒的深度處理，系統(tǒng)中產(chǎn)生的污泥經(jīng)脫水后焚燒。

④活性污泥-超濾。上述3種工藝流程均是日本糞便污水處理廠的工程實(shí)例，活性污泥-超濾MBR是國(guó)內(nèi)河海大學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)模的工藝流程。糞便污水經(jīng)稀釋后儲(chǔ)存在調(diào)節(jié)池中，然后氣提至曝氣池，再進(jìn)入浸沒式MBR。糞便污水中有機(jī)污染物被微生物降低，處理水由負(fù)壓抽吸經(jīng)膜過濾后出水。

⑤高效沼氣發(fā)酵-超濾。處理量為0.5m³/d，糞便經(jīng)篩網(wǎng)過濾處理，一部分進(jìn)入沼氣發(fā)酵反應(yīng)器，另一部分經(jīng)過膜分離。分離濃縮液進(jìn)入沼氣發(fā)酵反應(yīng)器，透過液與沼氣發(fā)酵反應(yīng)器的超濾出水進(jìn)入U(xiǎn)ASB沼氣發(fā)酵反應(yīng)器，反應(yīng)后的混合液進(jìn)入沉淀池進(jìn)行泥水分離，澄清水排出系統(tǒng)，該工藝的前半部分可看作是MBR法。

以上5種流程是采用MBR處理糞便污水的典型工藝，前4種處理工藝是工程實(shí)例，后1種是試驗(yàn)工藝。

與膜結(jié)合處理糞便污水的生物技術(shù)依據(jù)硝化與反硝化是否在同一個(gè)反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行可分為間歇曝氣和A/O形式。目前，大部分工藝都采用間歇曝氣或A/O工藝去除氮，可外加碳源如甲醛、甲烷、甲醇等促進(jìn)反硝化。

3）MBR處理糞便污水的效果　處理糞便污水有很大的優(yōu)勢(shì)：由于污泥濃度高，一般在15g/L左右，所以食物/微生物比（F/M）很小，BOD污泥負(fù)荷一般為0.1～0.2kg/（kg·d），TN污泥負(fù)荷一般為0.05kg/（kg·d）；容積負(fù)荷相對(duì)較大，BOD容積負(fù)荷為1.5～3.0kg/（m³·d）；TN容積負(fù)荷為0.6～1kg/（m³·d）；MBR內(nèi)污泥濃度高，MBR的HRT和SRT可以獨(dú)立控制，一般HRT可以控制在4h左右的較短時(shí)間內(nèi)而不影響處理效果。MBR處理糞便污水時(shí)污泥濃度高、容積負(fù)荷大，生物降解及膜分離單元的水力循環(huán)使生物反應(yīng)器能維持在一定溫度，一般在36℃左右，這有利于生化降解效率的提高。MBR處理糞便污水的操作參數(shù)和處理效果見表2-20和表2-21。

由于傳統(tǒng)的固液分離技術(shù)分離效果不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。采用膜分離技術(shù)后，由于不受污泥濃度和沉降性能的影響，膜可以截留微生物、懸浮物質(zhì)和蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)物，致使出水懸浮物和有機(jī)物濃度低、濁度小，保證了出水水質(zhì)。表2-21中列出的數(shù)據(jù)說明了MBR處理糞便污水出水水質(zhì)優(yōu)于其他傳統(tǒng)技術(shù)。

比較處理工藝1、2、3、4的UF1出水與工藝5、6的出水不難看出：MBR處理高濃度的糞便污水采用間歇曝氣或A/O工藝的處理效果優(yōu)于連續(xù)曝氣的好氧處理，采用厭氧處理的出水水質(zhì)最差。

據(jù)報(bào)道，MBR在處理糞便污水時(shí)出水中大腸桿菌超標(biāo)。還有報(bào)道認(rèn)為，糞便中含有大量的難降解BOD₅成分（大部分為顏色物質(zhì)），預(yù)計(jì)COD_Cr最大去除率為80%～85%。由表2-21看出，僅靠MBR一級(jí)處理的出水水質(zhì)較差，需加上深度處理出水才能排放或回用。深度處理一般包括絮凝-超濾、活性炭柱吸附、消毒（氯消毒、臭氧和紫外消毒）。絮凝-超濾的作用是去除磷、難降解COD、顏色物質(zhì)和膠體物質(zhì)。絮凝劑一般選用聚合氯化鋁、氯化鐵或其他有機(jī)絮凝劑。工藝中活性炭柱的作用是去除痕量的COD和顏色成分。消毒能保證出水中不含病原菌。

2.2.7.4　工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基本原則：對(duì)一定的污水或廢水，在MBR設(shè)計(jì)中，通常據(jù)物料特性和工藝要求，確定反應(yīng)器類型和結(jié)構(gòu)，確定最佳工藝、操作條件和工藝控制方式，確定反應(yīng)器大小和結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

（1）膜孔徑的選擇

曝氣池中活性污泥由聚集的微生物顆粒構(gòu)成，其中一部分污染物被微生物分解或黏附在微生物絮體和膠質(zhì)狀的有機(jī)物質(zhì)表面。盡管微生物顆粒的直徑取決于污泥的濃度、混合狀態(tài)以及溫度條件，但仍有一定的分布規(guī)律。普通顆粒直徑在接近10μm處有個(gè)高峰，而一般小顆粒的直徑大于0.2μm。Masaru Uehara認(rèn)為應(yīng)用MBR處理污水在選擇膜孔徑時(shí)，應(yīng)考慮到活性污泥的狀態(tài)與水通量，通常選擇0.1～0.4μm孔徑的膜。高從皆認(rèn)為，膜的孔徑在0.01～0.1μm為好，優(yōu)選孔徑分布窄、單皮層非對(duì)稱膜以耐污染和易清洗；膜純水滲透性在4～40L/（m²·kPa）；據(jù)實(shí)際需求，運(yùn)行中膜通量能保持在20～200L/（m²·h）。

（2）膜表面親、疏水性的選擇

目前，幾乎所有的膜技術(shù)都依賴于有機(jī)高分子化合物。應(yīng)用于MBR的膜材料不僅要有良好的成膜性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)最好為親水性的膜，以提高水通量和抗污染能力，常用的方法是進(jìn)行膜材料改性或膜表面改性。目前在日本，一些有機(jī)膜材料如聚乙烯、聚砜都經(jīng)改性而具有穩(wěn)定的親水性。日本Mitsubishi Rayon公司的研究證實(shí)，中空纖維膜組件應(yīng)用于污水處理時(shí)，親水性的膜組件抗污染能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出疏水性的膜組件。

（3）MBR抽吸過濾的壓力選擇

MBR出水采用抽吸過濾的壓力是一個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo)，壓力過高會(huì)導(dǎo)致膜破裂；壓力過低則出水通量達(dá)不到。T.YAhashi通過試驗(yàn)證實(shí)了最好使壓力<0.1MPa，在這種壓力下膜不會(huì)受到損傷，同時(shí)能有效減緩由于壓力過濾而導(dǎo)致污染物層加厚帶來的膜清洗困難。一般情況下操作壓力在0.1～0.3MPa。

對(duì)于一體式MBR，浸泡的膜組件在負(fù)壓下工作，曝氣之后控制在1m³/（m²膜面積·h）左右。

（4）膜面流速與濃差極化和凝膠層形成

膜面流速取決于膜組器的型式和MBR的類型，對(duì)浸泡式MBR，取決于曝氣強(qiáng)度等；對(duì)RMBR，為消除濃差極化和凝膠層形成，內(nèi)壓式中空纖維組件膜面流速通常應(yīng)在1.5m/s以上，這與進(jìn)料的黏度和MLSS有關(guān)；對(duì)高黏度的進(jìn)料應(yīng)選擇管式膜組件，膜面流速通常應(yīng)在3m/s左右。

（5）MBR膜組件的設(shè)計(jì)

MBR中膜組件的設(shè)計(jì)宗旨是考慮如何使膜抗堵塞，從而維持較長(zhǎng)的使用壽命。現(xiàn)在日本采用最多的型式是以中空纖維膜制成膜塊和膜堆，整齊排列并浸沒在污水中和集水管相連，通過抽吸作用出水。這種型式可以有效地防止膜內(nèi)部的阻塞。

2.2.7.5　膜污染與清洗

（1）膜污染

膜工藝的一大缺點(diǎn)是膜在運(yùn)行一段時(shí)間以后會(huì)因?yàn)槟な艿轿廴径鴮?dǎo)致膜通量降低，如何減緩膜污染進(jìn)程從而維持膜通量，是應(yīng)用膜工藝時(shí)所面臨的一大挑戰(zhàn)。

1）膜污染概念　膜污染是指處理物料中的微粒、膠體粒子或者溶質(zhì)大分子，由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜面上沉淀與積累或膜孔內(nèi)吸附造成膜孔徑變小或堵塞，使水通透膜的阻力增加，妨礙了膜面上的溶解與擴(kuò)散，從而導(dǎo)致膜產(chǎn)生通透流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。廣義的膜污染不僅包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的污染（不可逆污染），而且包括由于可逆的濃差極化導(dǎo)致凝膠層的形成（可逆污染），兩者共同造成運(yùn)行過程中膜通量的衰竭。水力清洗著重去除可逆污染物（凝膠層）及部分不可逆污染物（膜面污染物）。歸結(jié)起來，濃差極化作用、凝膠層的形成和微生物的滋生是使膜分離過程的運(yùn)行阻力增加、通量降低的主要因素，并且濃差極化會(huì)加劇膜的污染。

2）無機(jī)污染　膜的無機(jī)污染主要是指碳酸鈣與鈣、鋇、鍶等硫酸鹽及硅酸等結(jié)垢物質(zhì)的污染，其中碳酸鈣和硫酸鈣最常見。在膜反應(yīng)器中保持水的紊流態(tài)對(duì)防止膜的污染是重要的，碳酸鈣垢是由化學(xué)沉降作用引起的、二氧化硅膠體富集作用決定的。有機(jī)污染膜的特性，如表面電荷、憎水性、粗糙度，對(duì)膜的有機(jī)吸附污染及阻塞有重大影響。國(guó)外學(xué)者研究了細(xì)胞外聚合物的變化、溶解性有機(jī)物質(zhì)的積累、上清液對(duì)膜分離的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外聚合物、溶解性有機(jī)物及細(xì)微膠體對(duì)形成凝膠層、導(dǎo)致水通量下降有重要影響。無機(jī)膜-生物反應(yīng)器處理啤酒廢水時(shí)出現(xiàn)的膜污染現(xiàn)象，也主要是由于微生物代謝產(chǎn)生的多糖類黏性物質(zhì)和一些膠體在膜內(nèi)表面形成一層凝膠層，增加了過濾阻力。

3）微生物污染　微生物污染主要是由微生物及其代謝產(chǎn)物組成的黏泥。膜表面易吸附腐殖質(zhì)、聚糖脂、微生物進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)的產(chǎn)物等大分子物質(zhì)，具備了微生物共存的條件，極易形成一層生物膜，因此造成膜的不可逆阻塞，使水通量下降。

（2）膜清洗

對(duì)于不同的分離對(duì)象，造成膜面堵塞的物質(zhì)有礦物質(zhì)、脂類、蛋白類、糖類等多種類型。膜分離的對(duì)象一般是多組分的混合物，組分之間存在著較復(fù)雜的物理化學(xué)作用，膜表面的堵塞也往往是各組分協(xié)同作用的結(jié)果。因此，從化學(xué)組成的角度來確定膜面堵塞物的種類常有很大的困難，甚至是不可能的，這就使得對(duì)超濾膜、微濾膜清洗機(jī)理與技術(shù)的研究進(jìn)展十分緩慢。

膜面堵塞發(fā)生后，一般可用物理或化學(xué)的手段對(duì)膜進(jìn)行清洗以恢復(fù)其通透能力。膜的清洗技術(shù)因此可大致分為物理清洗技術(shù)、化學(xué)清洗技術(shù)兩大類。在實(shí)際的清洗操作中常常是兩類清洗技術(shù)交叉使用，以達(dá)到預(yù)期的清洗效果。

1）常用的物理清洗技術(shù)

①清水或氣、水混合物正向沖洗。采用膜出水或氣、水混合物，以高速低壓沖洗超濾膜、微濾膜表面。借助水力剪切作用減少膜面上的堵塞物，使膜的透水性能得到一定程度的恢復(fù)。這種方法單獨(dú)使用時(shí)，膜通透能力的恢復(fù)效果不明顯，一般需結(jié)合其他清洗技術(shù)來使用。

②清水或氣、水混合物反向沖洗。采用膜出水或氣、水混合物逆膜出水方向反沖超濾膜、微濾膜面。根據(jù)堵塞程度的不同，可選擇不同的反沖壓力、反沖洗流速和反沖洗歷時(shí)，以達(dá)到較好的清洗效果。此方法僅對(duì)堵塞初期膜的清洗有一定效果，而且所需的沖洗頻率較高。

③水力輸送海綿球去除軟質(zhì)堵塞物。采用海綿球直徑略大于膜管直徑，海綿球在水壓的推動(dòng)下流經(jīng)堵塞的超濾膜、微濾膜表面，對(duì)堵塞物進(jìn)行強(qiáng)制性清除。該技術(shù)特別適用于以有機(jī)膠體為主要成分的膜面堵塞的清洗，但操作較復(fù)雜，而且堵塞物中硬質(zhì)組分往往會(huì)損傷膜表面。

2）常用的化學(xué)清洗技術(shù)　常用的化學(xué)清洗技術(shù)可謂多種多樣。按化學(xué)清洗劑的種類來分，有堿洗劑清洗、酸洗劑清洗、酶洗劑清洗、表面活性劑清洗、絡(luò)合劑清洗、消毒劑清洗、復(fù)合型清洗劑清洗七大類，并且分類間存在交叉。化學(xué)清洗的效果與清洗劑的種類、清洗劑濃度、溫度、pH值等有密切關(guān)系，特別是和清洗劑的種類直接相關(guān)。

①堿性清洗劑。氫氧化物在某種程度上能溶解SiO₂、皂化脂類、溶解蛋白類物質(zhì)。

碳酸鹽直接清洗能力很弱，主要用于調(diào)節(jié)pH值。

磷酸鹽呈弱堿性，清洗效果有限。常被用作分散劑、溶解碳酸鹽、調(diào)節(jié)pH值、乳化脂類、膠溶蛋白等。

過硼酸鹽如過硼酸鈉，用于清洗膜孔內(nèi)的膠體堵塞。

②酸性清洗劑。硫酸反應(yīng)劇烈，使用時(shí)有危險(xiǎn)。可用于較寬的溫度范圍，不揮發(fā)，其成鹽的溶解度較硝酸、鹽酸小，鈣鹽溶解度小。常與檸檬酸混合用于鍋爐等設(shè)備的清洗，很少用于膜面堵塞的清洗。

鹽酸是常用的一種清洗用酸，其溶解力強(qiáng)，廣泛用于除二氧化硅外的幾乎所有堵塞物的清洗，而且適于低溫。但清洗過程中可能產(chǎn)生的氯化氫氣體對(duì)鋼材有腐蝕性，這使其應(yīng)用受到一定的限制。

硝酸化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，成鹽溶解度大，可鈍化不銹鋼、鋁等。應(yīng)用范圍較鹽酸、硫酸等都廣，但對(duì)低碳鋼有輕微的腐蝕。

氫氟酸化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，溶解度大，可較好地溶解SiO₂類堵塞物質(zhì)。由于其揮發(fā)性、腐蝕性極強(qiáng)，毒性大，難處理，極少用于膜堵塞的清洗。

氨基磺酸（氨基硫酸）粉狀，易處理。與碳酸鹽、氫氧化物等類堵塞物反應(yīng)強(qiáng)烈，對(duì)鐵氧化物的溶解力弱。其鈣鹽的溶解度大，尤其適用于鈣鹽和氧化鐵水合物為堵塞物主體的膜面堵塞的清洗。

檸檬酸固體易處理，危險(xiǎn)小。與堵塞物形成的鹽溶解度較大，常作為清洗劑的助劑使用。即使在堿性條件下，對(duì)鐵離子的絡(luò)合力大，也難以形成氫氧化物沉淀。但常需在80～100℃下使用，而且清洗歷時(shí)較長(zhǎng)。

③酶清洗劑。對(duì)有機(jī)物，特別是蛋白質(zhì)、多糖類、油脂類膜面堵塞物的清洗是有效的。其突出缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，反應(yīng)速率慢，需長(zhǎng)時(shí)間浸漬，而且殘留的酶清洗劑會(huì)影響微生物的正常生長(zhǎng)。

④表面活性劑。主要有陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑三種，它們可以改善清洗劑和膜面沉積物的接觸，減少水的用量，縮短清洗所需的時(shí)間。

陰離子表面活性劑pH呈中性，可作為有機(jī)發(fā)泡劑，如肥皂、磺酸鹽等。

陽離子表面活性劑由四元氨基化合物構(gòu)成，較陰離子、非離子表面活性劑的活性差，但即使很低的濃度也能抑制微生物的生長(zhǎng)、繁殖活性。

非離子表面活性劑，這類表面活性劑由濃縮產(chǎn)品組成如環(huán)氧乙烷，具有低泡、易洗脫、不受pH值限制的優(yōu)點(diǎn)，但比陰離子表面活性劑的活性差。

⑤絡(luò)合劑。如EDTA，它幾乎能與所有金屬離子絡(luò)合，反應(yīng)速率快，生成的螯合物大都水溶性好，并且比較穩(wěn)定。

⑥消毒清洗劑。這類物質(zhì)一般都具有較強(qiáng)的氧化能力，在消毒的同時(shí)，能有效地清除掉膜面堵塞物中有機(jī)物成分，使膜通透能力得到恢復(fù)。常用的有次氯酸鈉、雙氧水等。

次氯酸鈉能非常有效地清除以有機(jī)質(zhì)為主的膜面堵塞物，化學(xué)反應(yīng)迅速，清洗歷時(shí)短。其缺點(diǎn)是腐蝕性強(qiáng)，特別在pH值較低時(shí)，對(duì)不銹鋼有明顯的腐蝕作用。當(dāng)清洗溫度較高時(shí)，其中溶解的氯氣會(huì)逸出，刺激人的呼吸系統(tǒng)。

雙氧水為二元弱酸，遇光、氧化物、還原物即分解，并產(chǎn)生大量泡沫，是一種較溫和的消毒殺菌劑。1.2%的水溶液對(duì)清洗有機(jī)質(zhì)堵塞的超濾膜、微濾膜具有良好的效果。

⑦復(fù)合型清洗劑。這類清洗劑常常是堿性清洗劑、磷酸鹽、絡(luò)合劑、酶洗劑等的混合物，它具有比單純的堿性清洗劑或酸性清洗劑都好的清洗效果。

上述7類膜清洗劑中，最常用的酸性清洗劑是硝酸、檸檬酸、鹽酸；最常用的堿性清洗劑是氫氧化鈉、氫氧化鉀；最常用的消毒清洗劑是次氯酸鈉，同時(shí)也是堿性清洗劑。復(fù)合型商品化的膜清洗劑在歐美地區(qū)使用較為普遍。

選定的膜面堵塞清洗技術(shù)必須能有效地清除膜面堵塞物，使超濾膜、微濾膜的正常通透能力與分離性能得到恢復(fù)。理想的清洗劑應(yīng)具備以下特征：a.能松動(dòng)或溶解膜面堵塞物；b.能使膜面堵塞物分散或呈溶解狀態(tài)；c.不能導(dǎo)致新的堵塞；d.對(duì)超濾膜、微濾膜本身和裝置的其他部分不能有腐蝕；e.對(duì)膜面及管路系統(tǒng)同時(shí)有消毒作用。

在實(shí)際的膜清洗操作中，針對(duì)不同材質(zhì)和型式的膜組件、不同的分離對(duì)象，應(yīng)當(dāng)選擇不同的清洗劑和清洗程序。特別是在選擇清洗劑時(shí)，還必須考慮整個(gè)管路系統(tǒng)及循環(huán)泵各部件的耐受能力。一般，對(duì)含油膜面堵塞物，釆用堿洗+表面活性劑進(jìn)行清洗；對(duì)鈣鹽、鐵錳氧化物，可采用酸洗+表面活性劑進(jìn)行清洗；對(duì)凝膠、黏泥等以有機(jī)質(zhì)為主體的膜面堵塞物，最好采用堿洗+氧化劑進(jìn)行清洗。

清洗技術(shù)要求的環(huán)境條件也很重要。在其他條件不變的情況下，溫度越高化學(xué)反應(yīng)速率越快，對(duì)膜材料的腐蝕也越嚴(yán)重。膜面流速越高，水力剪切產(chǎn)生的物理剝離作用就越顯著。另外，清洗劑的價(jià)格、各步操作的簡(jiǎn)便程度也是選擇超濾膜、微濾膜膜面堵塞清洗技術(shù)時(shí)應(yīng)該考慮的問題。