選取兩種不同結(jié)構(gòu)類型的膜組件進(jìn)行化工廢水處理的中試應(yīng)用研究，對(duì)比研究了MBR膜系統(tǒng)的最佳氣水比，臨界膜通量、膜系統(tǒng)的分離與處理效果以及膜的污染和清洗方式。中試結(jié)果表明，在該類廢水處理中，中空纖維簾式膜組件的最佳氣水比為24，平板式膜組件的最佳氣水比為20；在相等曝氣強(qiáng)度下，用流量階梯法測(cè)得，中空纖維簾式膜組件的臨界膜通量為20L·m-2·h-1，平板式膜組件的臨界膜通量為25 L·m-2·h-1；兩組膜在處理和分離效果上相差不大；在抗污染性能上，平板式膜組件更具優(yōu)勢(shì)，而且平板式膜組件更容易通過(guò)物理清洗-空曝氣的方式使膜通量得以部分恢復(fù)，用次氯酸鈉（NaClO）溶液對(duì)膜組件進(jìn)行化學(xué)清洗，均能獲得較好的通量恢復(fù)效果。
MBR膜生物反應(yīng)器（Membrane bioreactor, MBR）是將膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)器的生物降解作用集于一體的生物化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。它以超濾或微濾膜組件替代傳統(tǒng)活性污泥法中的沉淀池實(shí)現(xiàn)泥水分離。該系統(tǒng)具有處理能力強(qiáng)、固液分離效率高、出水水質(zhì)好、占地空間小、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。目前，MBR工藝在水資源再生利用方面已發(fā)揮了巨大的作用，運(yùn)用MBR膜工藝技術(shù)來(lái)處理生活污水和工業(yè)廢水已突顯成效。鑒于目前已商品化的MBR分離膜組件結(jié)構(gòu)形式多樣，主要有中空纖維簾式、平板式、管式等幾大類，而且其應(yīng)用也各具特點(diǎn)，這對(duì)在實(shí)際工程應(yīng)用中膜組件的選購(gòu)帶來(lái)一定困難。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用浸沒(méi)式好氧MBR工藝技術(shù)來(lái)處理杭州某化工廠的工業(yè)廢水，分別選用中空纖維簾式膜組件和平板式膜組件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，為規(guī)模化工程應(yīng)用的膜組件選型提供設(shè)計(jì)依據(jù)和運(yùn)行參考標(biāo)準(zhǔn)。1 試驗(yàn)裝置與方法1.1 實(shí)驗(yàn)工藝流程與條件中試設(shè)計(jì)規(guī)模為1000 L·h-1。試驗(yàn)裝置由調(diào)節(jié)池、好氧池、膜分離裝置、清液槽、曝氣系統(tǒng)和相關(guān)動(dòng)力及自動(dòng)控制設(shè)備組成。廢水由污水泵輸送至調(diào)節(jié)池，然后進(jìn)入好氧池和膜分離池，混合液在抽吸泵的作用下經(jīng)膜過(guò)濾后形成工藝的產(chǎn)水，大部分泥水混合液則通過(guò)回流泵流回至好氧池。試驗(yàn)中分別采用膜組件A（PVDF，中空纖維簾式，孔徑0.2μm，膜面積20m2）和膜組件B（PVDF，平板式，孔徑0.08μm，膜面積28m2）來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)水的COD范圍400~700mg·L-1 ,初始接種污泥濃度為1500 mg·L-1左右。1.2 試驗(yàn)工況與運(yùn)行參數(shù)膜裝置的運(yùn)行方式為間歇式，抽吸8min，停止2min。整個(gè)試驗(yàn)的水力停留時(shí)間（HRT）為8h，膜運(yùn)行初始通量設(shè)定為25 L·m-2·h-1. 。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度（MLSS）維持在5000~8000 mg·L-1。2 結(jié)果與討論2.1 膜系統(tǒng)最佳氣水比在浸沒(méi)式MBR工藝中,曝氣有兩個(gè)作用：一是提供微生物代謝所需的氧氣；二是產(chǎn)生錯(cuò)流，去除或減少膜表面的污泥層，減緩膜的污染速率。Hong SP等觀察到在較高曝氣量下產(chǎn)生的剪切力會(huì)加快污染物脫離膜表面的速度，并指出有臨界曝氣量存在，當(dāng)超過(guò)該曝氣量，膜通量增加就不明顯，而且太大的曝氣量會(huì)提供過(guò)量的溶解氧，也不利于反硝化作用。對(duì)于浸沒(méi)式MBR工藝，其能耗主要來(lái)自曝氣，約占整個(gè)系統(tǒng)總能耗的80%~90%，因此確定系統(tǒng)的最佳曝氣量是十分必要的。試驗(yàn)中膜的初始通量均設(shè)定為25 L·m-2·h-1，即膜組件A的初始通量為500 L·h-1，膜組件B的初始通量為700 L·h-1。采用不同的氣水比（每透過(guò)1m3水所提供的曝氣量）對(duì)膜組件運(yùn)行，分別考察了兩組膜的比膜通量（單位時(shí)間、單位操作壓力下每平方米膜面積所透過(guò)的水量，L·m-2·h-1·KPa-1）和運(yùn)行時(shí)間的相互關(guān)系。在一定曝氣強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著氣水比的提高，比膜通量也隨之提高，跨膜壓差（TMP）的增加速率減緩，即膜污染發(fā)展速率隨曝氣強(qiáng)度增加而降低。但當(dāng)曝氣強(qiáng)度上升到一定程度時(shí)，比膜通量增加不再明顯。分析原因可能是：當(dāng)曝氣強(qiáng)度較低時(shí)，錯(cuò)流流速產(chǎn)生的水力剪切作用不能有效防止大量污泥絮體在膜表面沉積，膜污染主要是以污泥層阻力為主；而當(dāng)曝氣強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，污泥絮體被強(qiáng)大的剪切力所破碎，細(xì)小污泥顆粒和膠體類物質(zhì)增多，這些物質(zhì)更容易引起膜孔的吸附和堵塞，從而使膜污染加劇。因此當(dāng)曝氣到達(dá)一臨界值后，再繼續(xù)增加曝氣量對(duì)MBR系統(tǒng)已沒(méi)有實(shí)際意義，Jungmin等也報(bào)道了與本試驗(yàn)類似的研究結(jié)果。經(jīng)測(cè)定，試驗(yàn)中A、B兩組膜的最佳曝氣量分別為12.0m3·h-1和14.0 m3·h-1，即在此類廢水處理中，膜系統(tǒng)的最佳氣水比分別為24和20。2.2 臨界膜通量最初提出的臨界流量假設(shè)（Field等，1995）僅僅斷言，在低于臨界流量的條件下運(yùn)行的分離膜不會(huì)出現(xiàn)膜污染。雖然當(dāng)初這一假設(shè)只是包含了水力學(xué)引起的膜污染因素，但是毋庸置疑，臨界流量的假設(shè)仍然是膜生物反應(yīng)器工藝長(zhǎng)期運(yùn)行的指針。實(shí)踐也證明，絕大多數(shù)浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器工藝能在亞臨界通量區(qū)長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。本試驗(yàn)采用流量階梯法分別對(duì)兩組膜的臨界膜通量進(jìn)行了測(cè)定。在同等曝氣強(qiáng)度（均為0.5m3·m-2膜面積）條件下，經(jīng)試驗(yàn)得出，膜A的臨界膜通量為20L·m-2·h-1，膜B的臨界膜通量為25L·m-2·h-1。試驗(yàn)結(jié)果也與以上得出的氣水比試驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合性。2.3 出水水質(zhì)膜反應(yīng)器好氧池內(nèi)的泥水混合液經(jīng)膜過(guò)濾后形成工藝的出水。通過(guò)對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)分析，結(jié)果表明該處理工藝具有較好的生化、物理去除效果。經(jīng)與該化工廠用傳統(tǒng)活性污泥法處理后的水質(zhì)比較，本試驗(yàn)得到的產(chǎn)水水質(zhì)要明顯好于傳統(tǒng)方法處理后的產(chǎn)水水質(zhì)。膜反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度使得生化處理效果十分理想，有機(jī)物的去除率明顯提高，再加上精密的膜過(guò)濾，使得產(chǎn)水水質(zhì)更加優(yōu)化。本試驗(yàn)中，MBR系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物（COD）的去除率均在90%以上，對(duì)氨氮（NH3-N）的去除率也基本維持在80%以上。而運(yùn)用傳統(tǒng)方法處理后的產(chǎn)水COD和NH3-N的去除率變化幅度較大，這可能由于傳統(tǒng)方法處理時(shí)水的溫度、pH、DO等條件的波動(dòng)，引起水體污泥膨脹，造成沉淀效果不佳，大部分污泥流失，最終導(dǎo)致生化處理效果直線下降。本試驗(yàn)應(yīng)用的MBR工藝克服了傳統(tǒng)處理方法的以上不足之處，這也是該工藝得以應(yīng)用推廣的因素之一。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，采用不同孔徑的MBR分離膜，對(duì)實(shí)際產(chǎn)水水質(zhì)影響不大，這與膜運(yùn)行中污泥在膜表面形成的沉積層也起了一定的分離作用有關(guān)。2.4 膜污染與膜清洗膜污染是膜運(yùn)行中一系列增加膜阻力因素的總稱。MBR膜在運(yùn)行一段時(shí)間以后，膜表面和膜孔內(nèi)會(huì)不可避免地被污染物堵塞，導(dǎo)致膜通量逐漸下降，直至不再出水。膜污染縮短了膜的使用壽命，直接導(dǎo)致泵的抽吸水頭和曝氣量的增加，這也是造成MBR能耗增加的主要原因。為了維持膜系統(tǒng)長(zhǎng)期正常運(yùn)行，當(dāng)跨模壓差（TMP）上升到一定程度時(shí)，必須對(duì)膜組件進(jìn)行清洗。膜清洗的目標(biāo)是清除膜表面的污染層，恢復(fù)或提高膜的水通量。本試驗(yàn)中當(dāng)膜運(yùn)行的跨膜壓差超過(guò)60KPa時(shí)，裝置停止運(yùn)行，對(duì)膜組件進(jìn)行清洗，清洗分為物理清洗和化學(xué)清洗。物理清洗：物理清洗主要通過(guò)停止產(chǎn)水，對(duì)膜系統(tǒng)空曝氣，使得沉積在膜表面的污染物在高錯(cuò)流速率的氣、水剪切力作用下得以去除，從而使膜通量得到一定程度的恢復(fù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，平板式膜組件通過(guò)空曝清洗后，通量恢復(fù)效果要比中空纖維簾式膜好。化學(xué)清洗：由于實(shí)際水體中污染物主要以有機(jī)物為主，因此采用次氯酸鈉溶液作為清洗液，pH為10~11左右。清洗方法：配置300~500mg·L-1次氯酸鈉溶液，調(diào)節(jié)pH，浸泡膜組件10h，重新啟動(dòng)運(yùn)行，通量都恢復(fù)在90%以上。3 結(jié)論試驗(yàn)表明，浸沒(méi)式MBR技術(shù)可成功用于化工廢水的處理。對(duì)于本文的試驗(yàn)廢水，MBR膜系統(tǒng)A、B兩組膜的最佳氣水比分別為24和20；在同等曝氣強(qiáng)度條件下，測(cè)得A膜的臨界膜通量為20L·m-2·h-1，B膜的臨界膜通量為25L·m-2·h-1。通過(guò)上清液與膜產(chǎn)水水質(zhì)分析比較發(fā)現(xiàn)，膜反應(yīng)器中有機(jī)物的去除主要依靠生化降解過(guò)程，膜對(duì)有機(jī)物（COD）具有一小部分的截留去除作用，但是采用不同孔徑的分離膜對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)影響不大。中空纖維簾式膜組件的清洗周期為2個(gè)月左右，平板式膜組件的清洗周期為3個(gè)月以上，且平板式膜組件更容易通過(guò)物理清洗的方法使膜通量得到恢復(fù)，化學(xué)清洗對(duì)兩組膜的通量恢復(fù)均在初始通量的90%以上。對(duì)比試驗(yàn)表明，在同等工況運(yùn)行條件下，用平板式膜組件處理該類廢水具有比膜通量更高、跨膜壓差更小、膜清洗周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，對(duì)于本試驗(yàn)所處理的廢水，選用平板式膜組件更具優(yōu)勢(shì)。2.MBR優(yōu)劣勢(shì)優(yōu)勢(shì)
劣勢(shì)1)建設(shè)成本和運(yùn)行費(fèi)用較高；2)運(yùn)行穩(wěn)定性有待提高。3.MBR的發(fā)展國(guó)際市場(chǎng)MBR國(guó)際市場(chǎng)的發(fā)展全球MBR的市場(chǎng)規(guī)模在2000年到2005年里增長(zhǎng)了一倍，2005年市場(chǎng)銷售額達(dá)到2.17億美元；預(yù)期到2010年將會(huì)達(dá)到3.6億美元。截至2006年底，全球投入運(yùn)行或在建的MBR超過(guò)2500套；截至2008年底，全球投入運(yùn)行或在建的MBR超過(guò)4000套。中國(guó)市場(chǎng)
MBR是膜分離技術(shù)與生物處理法的高效結(jié)合,其起源是用膜分離技術(shù)取代活性污泥法中的二沉池,進(jìn)行固液分離。這種工藝不僅有效地達(dá)到了泥水分離的目的,而且具有污水三級(jí)處理傳統(tǒng)工藝不可比擬的優(yōu)點(diǎn):

1、高效地進(jìn)行固液分離,其分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的沉淀池,出水水質(zhì)良好,出水懸浮物和濁度接近于零,可直接回用,實(shí)現(xiàn)了污水資源化。
2、膜的高效截留作用,使微生物完全截留在生物反應(yīng)器內(nèi),實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器水力停留時(shí)間(HRT)和污泥齡(SRT)的完全分離,運(yùn)行控制靈活穩(wěn)定。
3、由于MBR將傳統(tǒng)污水處理的曝氣池與二沉池合二為一,并取代了三級(jí)處理的全部工藝設(shè)施,因此可大幅減少占地面積,節(jié)省土建投資。
4、利于硝化細(xì)菌的截留和繁殖,系統(tǒng)硝化效率高。通過(guò)運(yùn)行方式的改變亦可有脫氨和除磷功能。
5、由于泥齡可以非常長(zhǎng),從而大大提高難降解有機(jī)物的降解效率。
6、反應(yīng)器在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷、長(zhǎng)泥齡下運(yùn)行,剩余污泥產(chǎn)量極低,由于泥齡可無(wú)限長(zhǎng),理論上可實(shí)現(xiàn)零污泥排放。
7、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PLC控制,操作管理方便
膜生物反應(yīng)器（MBR）是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)臺(tái)的新型水處理技術(shù)，以膜組件取代二沉池在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度減少污水處理設(shè)施占地，并通過(guò)保持低污泥負(fù)荷減少污泥量。與傳統(tǒng)的生化水處理技術(shù)相比，MBR具有以下主要特點(diǎn)：處理效率高、出水水質(zhì)好；設(shè)備緊湊、占地面積小；易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單。80年代以來(lái)，該技術(shù)愈來(lái)愈受到重視，成為研究的熱點(diǎn)之一。目前膜生物反應(yīng)器己應(yīng)用于美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和埃及等十多個(gè)國(guó)家，規(guī)模從6m3／d至  13000m3／d不等。
結(jié)語(yǔ)MBR綜合了膜分離技術(shù)和生物處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，超、微濾膜組件能替代CAS中的二沉池，更有效地進(jìn)行泥水分離，并延長(zhǎng)SRT，提高微生物對(duì)污水中有機(jī)物的處理能力。經(jīng)超、微濾膜處理后出水水質(zhì)好可以直接用于非飲用水回用。系統(tǒng)占地面積小，幾乎不排剩余污泥，具有較高的抗沖擊能力。MBR具有一定的實(shí)用性，但膜污染仍是制約MBR推廣應(yīng)用的最主要因素。因?yàn)镸BR中膜材料既要面臨活性污泥、污水中固體顆粒的污染，又要面臨活性污泥中微生物的侵蝕。雖可以通過(guò)控制抽停時(shí)間、曝氣量等工藝參數(shù)以及采用適當(dāng)?shù)那逑醇夹g(shù)來(lái)減少膜面的污染，但最有效、最根本的方法是研制出一種抗污染、耐微生物侵蝕的新的膜材料及對(duì)膜進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?。在?yīng)用MBR技術(shù)處理市政、生活污水并實(shí)現(xiàn)中水回用時(shí)，還要考慮另外一個(gè)關(guān)鍵因素，即運(yùn)行成本。因此，在研究中要始終將運(yùn)行成本。作為考慮試驗(yàn)方案和確定試驗(yàn)結(jié)果的主要出發(fā)點(diǎn)。