MBR 膜技术用于污水处理的研究分析

朱万进

（国能徐州发电有限公司，江苏 徐州 221166）

0 引言

膜生物反应器处理技术（MembraneBioreactor，MBR）在1900 年问世，于1960 年迅速发展并在国外展开应用。最早一批被投放在微生物发酵工业中使用。随着我国材料科学的不断进步和制膜工艺的提升，膜生物反应器处理技术已经被相继应用到食品生产加工、冶金、化工、医疗废水处理等多个范畴。膜生物反应器处理技术实现了对水力滞留时间（HRT）和污泥滞留时间（SRT）的独立控制。其优点是占地面积小、节能环保、出水质量高、污泥余量小。

1 MBR 膜技术的概述

MBR 膜技术又称作膜生物反应器处理技术，是一种水处理工艺，工作原理是生物处理单元和经膜分离单元结合的新型水处理技术[1]。MBR 膜技术的膜有不同的种类，根据膜的结构分类包括平板膜、中空纤维膜、管状膜等；根据膜孔分类包括阔微滤膜、反渗透膜、超滤膜、纳滤膜等，MBR 膜技术主要被投放在水资源再利用领域上被使用。

1.1 MBR 膜技术的工作原理

MBR 膜技术分为一体式、复合式和分置式三种类型[2]。

1）一体式MBR 膜技术，其原理是在生物反应器中安装膜组件，膜生物反应器中含有活性污泥，活性污泥能够去除污水中的污染物，然后泵会发挥出传送作用，将其推送至膜进行过滤完成水的处理。

2）复合式MBR 膜技术，其原理是建立在一体式MBR 膜技术基础之上的特殊表现形式，在生物反应器中加入特殊的填充物质，并使其发挥填充物的特性，为污水处理增添优势。

3）分置式MBR 膜技术，是将过滤膜作为独立体和生物反应器分开，生物反应器中的混合液体在泵的压力作用下透过膜，以此达到水污染的处理效果。

1.2 MBR 膜技术的工艺特点

MBR 膜技术中的膜起到至关重要的作用，膜的作用是过滤生物反应器中的活性污泥，拦截有机大分子污染物，使经过生物反应器处理后的废水能够正常排出。膜的原理和传统工艺的二次沉淀原理极为相似，所以膜的出现成功取缔传统工艺的二次沉淀，使传统工艺的弊端得到解决。MBR 膜技术的优点：

1）出水水质优良，此工艺和其他的工艺相比，MBR膜技术出水的水质量是最高的，实现了水资源的重复利用，这也是当今膜生物反应器领先的重要原因。

2）污泥余量较少，污水经MBR 膜技术处理和传统工艺技术处理相比，MBR 膜技术处理后的污泥剩余量明显比传统工艺技术处理后的污泥剩余量少，甚至达到零淤泥排放量，解决了传统工艺造成的污泥余量过盛的问题，而MBR 膜技术的可操控性和管理也尤为便捷和简单，实用性也更强。

3）占地面积小，节约土地资源。

2 MBR 模技术的意义

水是一种非常宝贵的自然资源，人类的生活生产离不开水。据相关统计数据显示，中国平均每年每人水资源的占有量不足全世界水平均量的1/4，大约只有2 250 m3。中国是人口大国，对水资源需求量较大，我国大约有600 多个城市，在这600 个城市中几乎大多数的城市都在面临着缺水的问题，间接说明我国缺水问题的严重性，平均每年水资源的缺乏量可达60 亿m3，我国每年为补充缺水量将近耗资2 000 亿元。正因如此，实现水资源的可重复利用是必要的。MBR 模生物反应器是一种有效的污水处理工艺，经过处理后的污水，水质量能够达到规定指标。MBR 模生物反应器也是现阶段相对较好的一种污水处理工艺，其具有环保性、经济性、社会效益性，在污水处理领域受到广泛的关注度[3]。

3 MBR 膜技术的分类

3.1 反渗透膜技术

反渗透其实是过滤的一个步骤，反渗透膜技术的作用是将液体溶剂通过压力加压到膜的另一面，所以，渗透需要一定的物理压力支持，即将压力转换为推动力然后进行挤压作用。但反渗透膜技术的原有压力有一定限度，这就要求在溶液分离过程中，液体的压力不可以超过反渗透的压力。反渗透膜技术的特点是没有污染、运行操作简单便捷、有一定可选择性、维修养护方便、设备运行耗能较低、结构合理科学，是一种比较环保健康的水处理膜技术。

3.2 渗透蒸发膜技术

渗透蒸发膜技术即液体通过渗透作用和蒸发作用后再分离的原理，渗透蒸发膜技术的特点是设备运行费用和投资资金偏低，但发展前景和发展空间还有待进一步提升。

3.3 超滤膜技术

滤过膜技术能够对固体物质和液体物质的浓度进性高效分离，同时还能辨别分解物质的等级。超滤膜技术的特点是其自身性能比较高端，能同时对大分子物质和固体物质实现有效浓缩和分离。超滤膜技术是当今最为实用的一种技术，和其他膜技术相比，耗能和运行资金方面有一定经济性，在污水处理领域中应用广泛。

3.4 微滤膜技术

微滤膜技术表面孔隙较多，膜的厚度略微单薄，运行机制是将推动力转化为静压差，物质分离在网状过滤介质中进行。微滤膜技术特点是精确度高、膜孔直径大小匀称、过滤分离速率快、介质完好。微滤膜技术在饮食领域、生物制药领域应用比较普遍。其能够达到高效去除菌群、去除颗粒物质、净化和浓缩。

4 MBR 膜技术处理污水工艺具体体现

4.1 厌氧、缺氧交替工艺

厌氧和缺氧交替工艺在污水处理中的优势在于其能够加强生活污水里氮、磷的处理效果，强化脱氮除磷工艺环节。工艺组成是厌氧池和缺氧池共同构成交替反应池，将含有好氧池的滤过单元放入池中。好氧池的底面作用是改变回流污泥的流动方向，能够起到污水治理的效果。在设备具体运行过程中，会顺次产生缺氧环境和厌氧环境，对污水实行同时脱氮处除磷、硝化作用、生化需氧量（BOD）消除等环节。此外好氧反应器在连续曝气过程中能降低膜污染，还能有效提高清洗的范围。厌氧和缺氧交替工艺的应用比较常见，在所有污水处理工艺中占据一定优势。

4.2 A2/O+MBR 膜技术工艺

A2/O+MBR 膜技术工艺是将A2/O 技术和MBR 膜技术进行融合，取其两者精华，摒弃两者糟粕，二者结合的污水处理方式能够有效配合，实现污水的高效率转化。A2/O+MBR 膜技术工艺的优点是降低水的留存时间，与此同时，能够同步进行硝化作用以及反硝化作用。尽管C/N 水平较低，也不会影响污水处理效果，而对脱氮除磷的作用效率很高，其次对各种污染物质也能做到有效去除，在污水处理领域有重要的应用意义。

4.3 PAC-MBR 膜技术工艺

PAC-MBR 膜技术工艺是指将PAC 放置在MBR膜技术设备污染混合液中。通常情况下的污水处理，是以PAC 颗粒作为污泥絮体的框架。絮凝混合液中的物质可通过该工艺进行吸附，例如：细微胶体、溶解性有机物质、胞外聚合物等物质，可加大污泥颗粒的直径，抗压性也会随之增加[4]。同时膜面沉积层孔隙率会有显著的上升，密压性会随之而降低。最终，PAC-MBR 膜技术工艺中的膜过滤阻力和膜被污染的程度会降低，实质上是膜通量的增加来达到污水的成效。PAC 污泥絮体的吸附作用与生物降解作用之间有何不可分割的协同关系，作用过后会生成生物活性炭，在有机感染物处理环节中，PAC 会重新生成利用性，依次加长膜清洗周期。

4.4 进水、回流工艺

4.4.1 进水

脱氮除磷一直都是污水处理的重难点，为进一步加强污水厂脱氮除磷的成果，污水处理厂对污水来源途径进行合理规划，对即将进入的污水进行有效管控。需要格外注意的是，要控制好污水的比例，保证厌氧池以及缺氧池内的污水在有效范围之内。

4.4.2 回流

回流环节的处理受多方面因素的影响，例如：MBR 膜技术工艺的特点和应用规定、污泥回流和硝化液规范化使用。

三段回流方式是MBR 膜工艺中的一种，主要是加大混合液中的氧气水平，合理设定设备参数，实现对MBR 膜池消化液回流环节的把控，防止出现直接回流现象。

4.5 好氧区和优化措施

在整个MBR 膜技术工艺流程中，回流和进水程序的方法需要做进一步的优化，实现有效发挥污水处理过程中混合液回流提升和系统功能的提升[5]。通常情况下，大多数MBR 膜技术工艺提升系统需要利用水泵的功能，把污水从好氧池内提升到构建的膜池里，由于混合液具有一定重力，利用重力将污水引入构建好的生物池中。生物池中的污水会在MBR 膜技术工艺中的提升系统中实现进一步的自动化调整，该步骤的目的是防止生物池深度过低，将好氧池中的污水直接引入相应的膜池[6]。该过程的优点是对出水水质有一定保证。另外，还需格外关注MBR 膜技术工艺中的好氧池，如果将混合液DO 的浓度高度作为基准点，则溶液融合的速度会有显著的提升，使混合液能够悬浮，并且紊流状态相对较好。

4.6 设备参数设定以及MBR 膜技术处理工艺的运行维护

4.6.1 设备参数设定

MBR 膜技术工艺设备的运行，调配参数是污水处理的重要步骤，参数的设定直接影响污水的处理情况。污水来源不同，参数的设定也不同，要根据污水的特点设定合理的、科学的设备运行参数。例如污水中淤泥负荷多大或者污泥浓度过高，设备的参数需要随之增大，这样才能达到污水有效处理的效果[7]。

4.6.2 MBR 膜技术处理工艺的运行维护

膜组件的通透性直接影响出水能力，膜组件的通透性降低，出水量就会减少。所以，所以在日常的运行维护方面，要注重膜组件的清洗和保养。离线清洗和在线反洗系统共同作用能够在一定程度上恢复膜的通透性。

5 MBR 膜技术污水处理的应用

MBR 膜技术在污水的处理中应用范围很广泛，本次主要阐述应用农村生活污水、城市污水以及煤化工污水的处理。

5.1 农村生活污水的应用

近年来，农村的经济发展受到国家高度重视，在国家政策的有效引导下，农村经济得到了大幅度的提升，但是，农村的环境问题并未引起相应部门的重视，水污染尤为严重的问题。生活在农村的村民对污水的排放毫无意识，池塘、小溪等都是农民任意排放污水的地方，长时间的污水积累，水质渐渐发黑，臭气很大，导致许多蚊虫滋生，不仅环境脏乱不堪，对农民的身体健康也存在着潜在威胁。农村生活污水具有氨氮和溶解磷含量较高的特点，所以在污水处理技术的选择上非常广泛，例如：厌氧池、好氧池、MBR 池的A2O-MBR 一体式反应器等都能够对农村污水进行有效降解，能够有效去除水中的氮磷含量和污染物。经A2O-MBR 一体式反应器处理过的污水等级可达国家一级水平。

5.2 城市污水处理

城市污水一般经管道汇集到城市污水处理厂进行处理，大量且集中的污水可选择厌氧膜生物反应器，这种反应器完全取代了传统的二沉池，消除了污泥大量堆积的顾虑。在城市城市污水的处理上，厌氧膜生物反应器还有很多优势，例如：该反应器大小无限制，对硬件无硬核要求，对城市建设的需求性达到较高的满足性；该反应器在工作中不需要向反应器曝气，使建设和运行费用得到控制，符合节能环保的需求；该反应器在工作中可产生沼气，充分实现了资源的可重复利用；对高浓度积液废水和餐饮的含油性废水也能达到非常好的处理结果。

5.3 煤化工废水处理

煤化工在工艺流程运行中会产生大量的废水，废水中含有大量的无机污染物和有机污染物，兰炭废水和焦化废水就是常见的两种煤化工废水，其成分极其复杂，处理起来难度非常大，至今仍是污水处理中的难题。针对以上两种废水可采取以下措施。

兰炭废水是在中低温干馏环境下产生的。有平台提出一套流程优化且降低费用的联合处理工艺，工艺流程如下：“预处理→厌氧酸化→混凝沉淀→MBR 平板膜生物反应器”，经此工艺处理后出水水质优良，能够达到排放标准。

焦化废水是在高温干馏环境下产生的，其中包含大量的有毒物质。目前针对焦化碳水的处理采取“电解+MBR 工艺”。其工艺原理如下：

1）将重油类物质通过电解预处理以沉淀的方式去除。

2）混凝工艺负责去除清油和乳化油，但混凝工艺清除乳化油不彻底，常常会有少部分的残留，残留的部分和大量的氰化物、酚类等物质可通过电解彻底去除。

3）经电解处理后，废水中的其他污染物通过MBR工艺降解去除。

4）处理过的废水再经次氯酸钠消毒方可达到排放的标准。

6 进一步提高MBR 膜技术应用效果的途径

MBR 膜技术在处理污水中的应用价值很高，但是MBR 膜技术处理污水的成本不容小觑，膜污染和能耗问题限制了MBR 膜技术的应用领域。MBR 膜技术尚有很多改善的空间。

6.1 合理解决膜污染问题

膜的使用寿命受大分子无机物和有机物等影响，这些物质会形成沉淀堆积在膜的表面，膜的通透性会降低，逐渐堵塞，降低膜的使用寿命。有研究结果表明，在物质孔径和膜的孔径在极为接近或孔径大于膜孔的情况下，膜孔极易发生堵塞。解决措施如以下两点：从材料问题着手，发掘新的膜制作材料，在控制材料制作成本基础上达到延长膜使用寿命的目的。也可在原材料上进行改进，提高膜的实用性；膜清洗技术，对堵塞的膜进性清洁，让膜恢复通透性，在清洗的同时要保证不会对膜造成损坏。微纳米气泡技术在这一方面有很大的研究空间[8]。

6.2 有效处理能耗问题

不同类型的MBR 工艺在耗能方面具有一定差异性，分置式的耗氧MBR 的能耗比活性传统污泥工艺高出十倍以上，一体式的MBR 于传统工艺相差不大，但是一体式的MBR 在维持错流效应上的能耗非常高，综合相比一体式的MBR 并不比分置式的耗氧MBR 耗能少。寻找其他的工艺和MBR 膜技术对接，或者开发新的工艺将能耗降到最低是有效解决能耗问题的办法[9]。

膜污染和能耗问题改进，MBR 膜技术的应用领域将走进新的里程。

7 MBR 膜技术的发展展望

7.1 拓展石油化工领域范围应用

近年来，MBR 膜技术已经被投放到市政污水、农村生活污水、工业废水、煤化工废水、医药废水等多个领域使用。预测在将来MBR 膜技术还会被应用到石油化工领域，特别是石油化工产业，石油化工产业中的油田淡水供应、污水处理、生产、以及加工程序中的反应、分离、浓缩、纯化等环节，都可以运用MBR 膜技术进行处理。所以MBR 膜技术的发展和应用前景还是比较可观的。

7.2 MBR 膜技术科技水平提升

根据近几年的社会发展形势来看，社会各界对科技的研究投入比较大，各种新型技术不断兴起，在污水处理领域也不例外。目前在MBR 膜技术的水处理工艺尚存在一些问题，可利用当下的高科技技术和MBR 膜技术进行有机结合。比如在MBR 膜技术上建立计算机网络，增加信息处理技术，对设备运行的各项数据及设备参数进行统计整合，使MBR 膜技术的水处理过程及效果更佳明确和清晰，为水处理工作提供可视性。

8 结语

我国的水污染处理目前在MBR 膜技术的推动下已经得到了很大改善，MBR 膜技术拥有很多优势，在处理水污染上取得了一定价值，虽然MBR 膜技术的优势远远超过传统水处理工艺，由于膜的使用成本和能耗问题使MBR 膜技术的应用范围正在缩减。所以要维持MBR 膜技术的可持续发展，就要对膜的污染和能耗问题提出解决对策，这两个难题一旦被攻克，MBR 膜技术将发挥最大应用价值，带动水处理技术走向新纪元，从而解决污水处理的难题。