膜生物反应器的应用及研究进展1

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1、精品论文大全膜生物反应器的应用及研究进展1李睿，杨凤玲，程芳琴 山西大学环境与资源学院，山西太原（030006） E-mail：cfangqin摘要：膜生物反应器是近年来发展的废水处理新技术，已成为二十一世纪研究热点。本文 综述了膜生物反应器在废水中的应用研究情况，并分析比较了各种膜材质的特点、适用范围以及膜的污染因素和清洗方法，展望了膜生物反应器的应用前景及进一步研究方向。 关键词：膜生物反应器，膜材质，膜清洗1. 引言随着水资源的紧缺和人们环保意识的增强，对废水的处理要求日益提高，而对高浓度有 机废水和工业废水，传统的水处理方法存在着处理装置容积负荷低，占地面积大、出水水质 不稳定、管理操

2、作复杂等问题1。针对上述问题，各种新型的废水处理技术应运而生，其中 最引人注目的是将膜技术应用于废水处理中所形成的膜生物反应器（membrane bioreactor 又 作 MBR）。膜生物反应器最早出现在酶制剂工业中，1969 年，美国 Smith 首先报道了活性污泥法 和超滤结合处理城市污水的方法，引起了人们的广泛关注。随着 MBR 工艺的进一步研究和 改进，其应用领域不断的拓宽，处理对象已从生活污水扩展到高浓度的有机废水和难降解的 工业废水，如制药废水、化工废水、食品废水、屠宰废水、烟草废水、造纸废水等。并被列入“九五”国家科技攻关课题，取得了阶段性成果。本论文针对近年来的膜生物反应器

3、发展情况，从应用、材质、工艺运行等方面结合存在问题进行分析评述。2. MBR 处理原理及类型MBR 是高效膜分离技术与活性污泥相结合的新型水处理技术，它是利用微生物对反应 机制进行生物转化，利用膜组件分离反应产物，并截留生物体，实现水力停留时间与污泥停 留时间的彻底分离，消除了传统活性工艺的污泥膨胀问题，并且由于曝气池中活性污泥浓度 的增大和污泥中特效菌的出现，提高了生化反应速率，同时，通过降低 F/M 比减少剩余污 泥产生量，提高生化处理效果2-3。膜生物反应器使用类型主要有分离式、一体式、萃取式三种分离式 MBR（又称分置式 MBR）是膜生物反应器研究的最早类型，该反应器用于固体 的分离与

4、截留，生物反应器与膜单元相对独立，由泵与管线相连接。膜组件一般采用加压的 方式，生物反应器内的混合液经泵增压后进入膜组件，在压力的作用下混合液的液体透过膜 成为系统出水，固体、大分子物质等被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器中。操作压力和 膜面流速是分离式 MBR 的两个重要参数，一般来说，宜选用低的操作压力和高的膜面流速 以缓解膜污染。一体式 MBR 的特点主要是在反应器内进行无泡曝气。特点是将膜组件置入反应器内， 通过真空泵或其他抽吸得到滤液，曝气器放在膜下方，由于曝气形成的剪切力和紊动，使固 体难以积聚在膜表面，从而能减少膜的堵塞和能耗。由于不需要混合液的循环系统，能耗较 分离式低。1本课

5、题得到山西省科技攻关项目（051108）和山西省高校科研开发项目（20041204）的资助。-6-当废水中含有高酸碱度或者含有对生物有毒的物质时，用传统的生物法处理效果不好，为了解决这个难题，1993 年英国的 P.R.Brookes 采用选择性高分子憎水硅橡胶制成了一种新 型的 MBR -萃取式 MBR（也叫隔离式 MBR）。它采用选择性膜将污水与生物反应器隔开， 废水在膜内流动，而含有某种专性菌的活性污泥在膜外流动，该膜只允许目标污染物通过， 进入生物反应器被降解，而各种对微生物有害的物理化学条件不影响生物反应器这一侧，所 以生物反应器中的营养物质和微生物生存条件不受污水水质的影响。萃取式

6、 MBR 主要处理 一些含毒性或特殊化学物质的废水。3. MBR 在废水水处理中的应用研究3.1在生活废水中的应用生活废水是膜生物反应器在水处理中较早涉及的领域，研究和应用都比较广泛。除对污 水的去除效果进行研究外，还主要对污水中的主要离子和污染物的去除也进行了研究。国外 对 MBR 处理废水研究投入了很大的力量，日本、法国、美国、澳大利亚等国对膜生物反应 器处理生活废水已进入实用阶段。从 1983 年到 1987 年在日本已有 13 家公司使用了好氧 MBR 处理大楼废水，经处理后的水做中水回用，处理水量达 50250/m3d；日本在 1985 年 开始的“水综合再生利用系统 90 年代计划

7、”把 MBR 研究在污水处理对象与规模上都大大推 进了一步；加拿大的 Zenon 公司在膜生物反应器的推广方面作了许多工作，最先推出了超滤 膜管式膜生物反应器，并成功应用于城市污水治理。我国关于 MBR 的研究起步虽然较晚，但也取得了一定的成果。其中，孙俊杰、徐国勋 4对生活污水进行处理，认为 MBR 工艺对污水中的 COD 和 NH3-N 去除主要是反应器中微 生物分解和膜的强制性分离共同作用的结果；清华大学钱易等（19951997 年）研究了平板 超滤组件，无机陶瓷膜组件与活性污泥系统构成的 MBR，以及中空纤维一体式 MBR 处理 生活污水的性能；蒋展鹏等5人用一体式 A/O 生物膜反应

8、器对生活污水的处理效果和运行参 数进行了试验，结果表明，COD 去除率接近 90%，SS 去除率95%；温东辉、陈吕军6研究 了 MBR 处理生活杂排水，其出水水质达到我国生活杂用水水质标准（CJ25.1-89）；金玉 兰等7人对不同浓度的生活污水进行处理，考察了不同工作条件下污水的去除效果和膜通量 的变化情况；史红文等8人用 MBR 对生活污水处理实验结果表明：膜生物反应器对生活污 水中 COD、BOD5、SS、浊度的去除率分别达到 90%97%、97%99%、92%99%、98%100%； 出水水质好、易于回用。付国楷、余健等9人在用 MBR 对生活污水的研究中，论述了膜和 料液的性质以及

9、膜分离操作条件等对膜污染防治的影响。3.2 在工业废水和高浓度有机废水中的应用工业废水和高浓度的有机废水主要是制药、化工、食品工业、造纸、焦化等行业的外排 废水，这些废水中含有大量的 COD、BOD、酚、苯、多环芳烃等物质，具有化学成份复杂、 含毒性、难降解等特点，传统的方法难以有效的去除。(1) 在制药废水中的应用：王敏10等人用一体式 MBR 处理中药废水，其运行稳定，出 水水质达到了 GB.8978-1996 标准。白晓慧11等人采用厌氧膜生物反应器工艺对医药中间体 酰氯的废水进行了中试研究，结果表明当原水的 COD 为 700050550 mgL-1 时，PH 在 4-13 时，厌氧池

10、去除率保持在 50%左右，膜生物处理效果保持在 80%以上。(2) 在石油化工废水中的应用：清华大学的王保国教授12等人研究了 MBR 在石油工业 中的应用，提出了引用膜技术改造传统工业，提高石油化学工业和油气资源开采的经济效益的可能途径；中科院生态中心的樊耀波13研制出一套实验室规模的好氧分离式 MBR，该系统对石油化工污水的 COD、BOD5、SS、浊度、石油类的去除率分别为 78%98%、96%99%、74%99%、98%100%、87% 。(3) 在食品废水中的应用：何义亮14等人采用厌氧膜生物反应器处理高浓度食品废水， 出水 COD 去除率可达 80%90%；管运涛15等人论述了膜在

11、食品工业中的应用和发展状况， 认为其前景广阔。(4) 在造纸废水中的应用：韩怀芬16研究了膜生物反应器对造纸废水中的处理效果，并 与传统的活性污泥法和生物接触氧化法进行了比较，结果表明，在同样的水质条件下，膜生 物反应器的处理效果明显好于普通的生物法。金漫彤17等人用中空纤维膜生物反应器对造纸 废水进行了处理。CODCr 的去除率一般也达到 85%以上，处理效果明显。(5) 在焦化废水中的应用：同济大学的李春杰教授18等人采用一体化膜-序批式生物反应器处理焦化废水，在 COD 溶剂负荷平均为 0.45 kg(m3*d)的条件下，通过膜的出水 COD 可以稳定在 100 mgL-1 以下，出水

12、NH3-N 在保证温度和碱度的情况下，浓度低于 1mg . L-1， 达到了新的排放标准；刘俊新19采用 MBR 工艺处理焦化废水的小试研究证明，其废水中的 COD 和氨氮去除率分别为 80%95%、94%99.9%，其他各项指标也达到了国家的排放标准。膜生物反应器对工业废水处理效果都非常明显，废水中 COD、BOD 等污染物去除率很 高，出水能达到国家排放标准。但是 MBR 在实际应用中还存在如膜材质价格贵，设备运行 费用较高，膜较易污染和清洗困难等现象，因此，目前有关 MBR 的研究中，大部分都是从 工厂采取水样来进行实验研究或中试研究，而报道的用于废水实际处理的研究成果甚少。为 了使 M

13、BR 在实际废水处理中得到更广泛的应用，膜材质的价格和膜的清洗的研究就显得尤 为重要。4. MBR 的膜材质及清洗研究膜材质与膜组件的选择对于处理不同的废水有着重要的关系，既要做到出水水质稳定， 又要造价低廉，以便能长期使用。而膜污染是限制 MBR 发展及工业应用的突出问题，要使 膜生物反应器获得长期稳定的运行效果，就必须研究膜污染的机理和防治方法，有效的膜污 染防治可以增加膜通量，降低能耗，延长膜的寿命，降低运行费用。对于膜污染后的清洗， 针对处理废水的水质差别和膜组件的不同可以采用不同的清洗方法，清洗的频率和强度由废 水负荷率、细菌产量、微生物的胞外聚合物产量所决定。4.1 膜材质的应用按

14、膜材质分，MBR 中使用的膜包括有机膜（聚合物）和无机膜（陶瓷和金属）两类。 无机膜因耐酸、碱、耐溶剂及耐高温的性能，在工业废水的处理中有很大的应用潜力，但其 较高的投资成本成为实际应用的一个瓶颈，所以目前膜材质大多采用有机膜。有机膜耐高温 高压和耐化学腐蚀的能力虽不如无机膜，但其形状不像无机膜那样受很大的限制，价格也相 对便宜20。有机膜通常采用聚丙烯、聚砜（PS）、聚偏氟乙烯等化学性质较稳定的材料制成， 在几种常用的有机膜材质中，聚偏氟乙烯的抗污能力最强，聚砜膜最易受污染。表 1 给出了 现研究使用的不同膜材料的各自的特点21。表 1 不同 MBR 膜材质的特点材料名称优点缺点 氧化钛或氧

15、化锆 耐热性好、耐化学腐蚀、良好的机械性非常昂贵、仅有 MF 膜和 UF 膜 醋酸纤维素膜价格低、抗氯性好、溶剂浇铸法制造热稳定性差、化学稳定性差、机械性能差聚砜可蒸气消毒、耐酸碱性好、溶剂浇铸法制造抗碳氢化合物性能差 聚丙烯耐化学腐蚀憎水性除非进行表面处理聚四氟乙烯（PTFE）憎水性非常强、出色的抗有 机物能力、出 色的化学稳定性、可以消毒价格高聚酰胺膜良好的化学稳定性、良好的热稳定性对氯敏感以上的膜材质包括无机膜材料的和有机膜材料，它们的造价不仅与膜的原材料有关，而且与膜孔径尺寸及孔径分布的程度有关。对于不同膜材料和膜孔径尺寸分布的精确度不同， 膜的造价变化很大，如对于用钛或锆生产的微滤或

16、者超滤膜造价大约是用多聚物膜造价的100 倍左右。但是这些多聚物膜在膜通量、孔的尺寸和机械强度方面又受一定的限制22，因 此对于不同浓度或含不同的污染物质的废水应采用相对应的膜材质和膜组件进行处理。4.2 膜污染及影响因素的研究现状分析膜污染的来源主要有三个方面：凝胶层，即滤饼。主要是水透过后被截留下来的部分 活性污泥和胶体物质，在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面而形成的可逆性膜面污 染；溶解性物质被膜内微孔表面吸附或结晶，堵塞孔道，使膜通量减少，属于可逆污染；微生物污染。在膜表面和膜孔中有微生物所需的营养物质，因而不可避免地会有大量的微 生物滋生，从而造成膜通量的减少23。对于膜生物反应

17、器的污染机理并没有一个完全清除的解释，但是其影响因素主要有以下 四方面：（1）膜本身的性质（物化性能）：膜的最佳物理结构应该是：膜材料厚度要薄，孔径尺 寸分布要窄，表面孔隙率要高。Meuller 研究膜污染时发现，对于相同膜名义孔径尺寸的不 同膜材料，膜表面孔隙越大对于保持较高的膜通量越不利；Shimizu 等人在用陶瓷膜进行的 实验中发现，孔径为 0.050.2m 的膜通量最大，目前大多数 MBR 工艺都采用孔径为0.10.4m 的膜。（2）料液的特点：不同的料液可改变处理效果，李春杰24在处理焦化废水过程中通过 向反应器中投加粉末活性炭（PAC）进而形成生物活性炭（BAC）来实现对膜污染的

18、防治， 结果表明在终端过滤过程中，投加 PAC 后膜通量明显提高；J.S.Kim 的研究表明，添加粉末 活性炭可使混合液的胞外聚合物（EPS）减少，增加沉积层的空隙率，使膜通量得以提高。（3）工艺的操作条件：水力停留时间、压力、温度等条件的不同对 MBR 处理的效果 也产生一定的影响。Hideke Harada 等人证明了过短的 HRT 会导致溶解性有机物的积累，吸 附在膜上影响膜通量；郑祥等人提出了膜污染的控制在低压条件下不仅可以提高能量利用 率，而且有利于膜通量长时间保持较高的水平；马莉25等人研究了三种出水方式（自吸水泵 抽吸、真空抽吸、真空抽吸-空气反吹）对膜污染的影响，结果表明：在相

19、同的实验条件下， 真空抽吸-空气反吹对膜污染较轻。（4）污泥的特性：污泥颗粒的大小以及污泥的量的多少也会对 MBR 处理效果产生影 响。颗粒尺寸越小向膜面的净迁移速度越大，颗粒越容易在膜面沉积，形成的沉积层也越致 密，透水性越小，故颗粒的尺寸过小会加剧膜污染。金玉兰7等人研究膜组件水通量随污泥浓度而变化的情况，结果表明在操作压力 0.025MPa，膜面流速 0.8m /s，温度为 30的条件下，污泥浓度增大，膜通量随之下降，并与污泥浓度呈对数关系，而直线的斜率反映了污泥 对膜通量的影响程度。针对以上膜污染因素，对膜污染的防治一方面可以通过改变对膜表面性质来提高其抗污 能力，另一方面可以通过改变

20、料液运行的性能来实现，比如增大紊乱度等。但是这些方法都 受到不同程度的限制，对膜通量的恢复还主要采用清洗的方法。4.3 膜的清洗目前报道的较多的清洗方法主要有以下几种：（1）空气反吹。C.Visvanathan26等人通过对几种不同的过滤空气反吹操作的研究发 现，15min 过滤和 15min 空气反吹可以获得稳定的通透量和总透过量，与连续运行的工艺相 比透过量提高到 370%，说明空气反吹可以缓解膜污染，但对膜组件的强度要求更高。（2）水力清洗。一种较为简单的清洗方法。在前期的清洗中有明显的效果。李春杰27 等人提出，错流 MBR 由于膜组件特定的错流因素，使得水力清洗成为解决该反应器膜污染

21、 问题的重要措施。（3）化学清洗。主要是加入化学试剂如 NaOH、HNO3、NaClO 等来进行清洗。刘晓东 28等人通过不同的清洗方法对膜通量恢复效果的研究认为先水洗后化学清洗膜通量可恢复 到 100%。（4）超声波清洗。超声波清洗作为一种新的洗膜方式，是利用超声波在液体中空化作 用而达到清洗的目的，同时超声波在液体中又能加速溶解作用和乳化作用等，具有高效快速 的优点29。Jianxin Li 等人研究了超声波在膜污染监测和清洗上的应用，通过研究表明，采 用反冲洗加超声波的方法效果最好，基本上可以对膜污染完全去除。以上清洗方法中，空气反吹和水力清洗对低浓度的废水处理及废水处理前期有一定的效

22、果，而在处理后期或对高浓度的废水清洗效果不好，超声波清洗作为一种新的清洗技术，还 有待进一步的研究探讨，所以目前大部分废水处理以化学清洗居多。不论是物理还是化学清 洗都有一个最佳清洗周期。樊耀波30等人通过数学推导，得出一个膜的反冲洗周期的测定方 法，并通过实验证实了这是一个较为方便的最佳反冲洗周期的测定方法。5. 结论虽然目前 MBR 运行费用要高于普通的生物处理方法，但 MBR 出水水质稳定，处理 效果良好，且随着膜制造技术的进步、膜材质成本的降低以及膜通量的提高，膜生物反应器 在工业废水处理中的应用将越来越广泛。MBR 应用于实际废水处理还需从以下几方面进行研究探索： 一是开发低成本、高

23、性能的耐污染膜。膜污染是造成膜生物反应器能耗高的主要原因，因此研究耐污型的膜，探求合适的操作条件和工艺参数将是目前研究的热点；二是对各种不 同类型的污水具有专一性能的膜材质的开发；三是膜清洗机理的研究。如果这些关键技术能 得到很好的解决。膜生物反应器将在废水领域中发挥更大的作用。参考文献1汪大翚,雷乐成. 水处理新技术及工程设计M. 北京: 化学工业出版社, 2002.2郑祥,樊耀波. 膜生物反应器运行条件的优化及膜污染的控制J. 给水排水, 2001, 27(4): 41- 44. 3郑祥,朱小龙,张绍园, 等. 膜生物反应器在水处理中的研究及应用J. 环境污染治理技术与设备, 2000,1

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30、d research progress of MBRLi Rui, Yang Fengling, Cheng FangqinCollege of Environment and Resource, ShanXi University, Taiyuan (030006)AbstractMembrane bioreactor（MBR）is a new technology of water treatment developed in recent years. Thecharacteristics 、development for the membrane bioreactor and rese

31、arch about membrane weresummarized in wastewater. Discussed the existing problems of the MBR for treatment wastewater and also show the scope of application and characteristic for membrane materials and the method about membrane cleaning. Prospect the applied foreground and further research directions of the MBR.Keywords: membrane bioreactor； membrane materials；membrane cleaning作者简介： 李睿，男，1981，硕士研究生，主要研究方向是废水工程处理及固体废物资源化。 程芳琴，联系人，女，教授。