黃 霞
（清華大學 環境科學與工程系，北京 100084）

1 前言

　　隨著全球范圍經濟的快速發展和人口的膨脹，水資源短缺已成為全球人類共同面臨的嚴峻挑戰。為解決困擾人類發展的水資源短缺問題，開發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略之一。這不僅可以消除污水對水環境的污染，而且可以減少新鮮水的使用，緩解需水和供水之間的矛盾，給工農業生產的發展提供新的水源，取得顯著的環境、經濟和社會效益。開展新型高效污水處理與回用技術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的污水處理與回用技術。該技術由于具有諸多傳統污水處理工藝所無法比擬的優點，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的研究與應用進行介紹。

2 膜-生物反應器的技術原理與特點

　　在膜-生物反應器中，由于用膜組件代替傳統活性污泥工藝中的二沉池，可以進行高效的固液分離，克服了傳統活性污泥工藝中出水水質不夠穩定、污泥容易膨脹等不足，具有下列優點^[1]：
　　(1) 能高效地進行固液分離，出水水質良好且穩定，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，實現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定；
　　(3) 生物反應器內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，系統硝化效率得以提高。也可增長一些難降解有機物在系統中的水力停留時間，有效地將分解難降解有機物的微生物滯留在反應器內，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，剩余污泥產量低，降低了污泥處理費用；
　　(6) 易于實現自動控制，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。但隨著膜制造技術的不斷進步，其成本可望降低。

3 膜-生物反應器的發展概述^[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10 L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，開發了MST（Membrane Sewage Treatment）的工藝。這一時期，研究的重點在于開發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技術所限，膜的使用壽命短、通量小，加之當時對處理排放出水水質要求不嚴，使這項技術在相當長一段時間僅停留在實驗室研究規模，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90年代計劃”，其內容涉及到新型膜材料的開發、膜分離裝置的構造設計和膜-生物反應器運行系統的研究。通過產、學、研的結合，把膜-生物反應器的研究在處理對象、規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Dorr-Oliver公司的早期研究，以開發用于處理工業廢水的系統并獲得了成功。Zenon公司的商業化產品，ZenoGem于1982年投入使用。
　　有關膜技術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公司開發了MARS工藝（Membrane Anaerobic Reactor System）用于處理高濃度有機工業廢水。同時80年代初，在英國也開發了類同的工藝。該工藝在南非進一步發展成為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，研究內容更加全面，深度和廣度不斷加強。在傳統分置式膜-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、中國科學院生態環境研究中心、天津大學、同濟大學等。近年，由于該項技術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、環保公司也加入到了此項技術的研究開發中。從國內專業雜志發表的論文篇數來看，近幾年增加很快，從1998年的9篇增加到2002年的60余篇。目前國內從事膜-生物反應器開發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。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。在該系統中，采用管狀陶瓷膜，切割分子量為3000000。系統表現出穩定的有機物去除率，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。其它水質監測指標及與建設部雜用水水質標準的比較見表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 (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定的出水水質還有賴于膜表面形成的凝膠層的分離截留作用。很多研究者發現膜-生物反應器在運行一小段時間后，一些大分子的微生物產物便會附著于膜的表面形成一層動態過濾膜，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^[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廢水的效果和運行條件

項 目

城市（生活）廢水

工業廢水

進水COD (mg/L)

44.2～800

1333～68000

COD去除率(%)

90～98

90～99.8

污泥濃度(g/L)

10～20, 最高50

20～40，大部分>40

容積負荷(kgCOD/(m³•d))

1.2～5.78

0.25～16

污泥負荷(kgCOD/(kgVSS•d))

0.03～0.55

0.012～2.72

污泥產率(kgMLSS/kgCOD)

0～0.34

0.05～0.35

水力停留時間 (h)

2～24

14～389

污泥齡 (d)

5～µ

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。通過調整適當的操作方式，膜-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0.0074gN /(gVSS•d)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-生物反應器內控制DO的條件下，可以發生同步硝化/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合，可以保證系統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，可以強化系統對難降解有機物的處理效果，提高系統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

　 　

小區污水回用

日本

150余座

　 　

工業廢水

5.2 在國內應用情況
　　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

17

900～12 000

<100

6805

10

130～180

5

5 000

10

醫院廢水

25

48-278

<25

20

0.4

　 　 　 　

制藥廢水

50

1 500～4 900

<180

500～1 633

10

10～24

1

730

10

大樓廢水

200

92～108

23

27～32

8

257～394

15

39～47

3.5

食品廢水

500

754

<80

　 　 　 　 　 　

食品廢水

125

400～1 300

<20

　 　 　 　 　 　

5.3 鋒尚國際公寓膜-生物反應器示范工程運行情況
　　清華大學環境科學與工程系在國家“十五”攻關的支持下，在海淀區鋒尚國際公寓建立了處理規模為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、2和3。運行期間，系統出水平均COD、氨氮、LAS和濁度的濃度分別為17.25mg/L，0.75mg/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的綠化用水。

6 結束語

　　膜-生物反應器有諸多傳統工藝不及的優點，在污水處理和回用中具有廣闊的應用前景。可以應用的領域包括：高層建筑的中水回用、居住小區生活污水資源化、城市污水資源化以及有機工業廢水的資源化等。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，規模也不夠大。今后應通過產、學、研的緊密合作，進一步加強研究開發以推動其產業化進程。

參考文獻

　　[1] 黃霞, 等. 膜－生物反應器廢水處理工藝的研究進展. 環境科學研究, 11(1):40-44, 1998.
　　[2] Brindle, K. and Stephenson, T. The application of membrane biological reactors for the treatment of wastewater. Biotechnol. Bioeng, 1996, 49(6):601-610.
　　[3] Stephenson, T., Judd, S., Jefferson, B. and Brindle K. Membrane bioreactor for wastewater treatment. London, IWA Publishing, 2000.
　　[4] Yamamoto, K., Hiasa, M., Mahamood, T. and Matsuo, T. Direct solid-liquid separation using hollow fiber membrane in an activated sludge aeration tank. Wat. Sci. Tech., 1989, 21:43-54.
　　[5] Xing, C.-H., Tardieu E., Qian, Y. and Wen, X.-H., Ultrafiltration membrane bioreactor for urban wastewater reclamation, J. Mem. Sci, 2000, 177, 73-82.
　　[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., 1991, 23:1583-1590.
　　[7] Xia Huang, Ping Gui, Xianghua Wen, Yi Qian. Treatment of refractory organic compound using a membrane bioreactor. 21 Century- International Symposium on Membrane Technology and Environment Protection, 2001, 9(18-21): 129-135, Beijing, China.
　　[8] 劉超翔, 黃霞等. 一體式膜-生物反應器處理毛染廢水的中試研究, 給水排水, 2002, 28(2):56-59.
　　[9] Kwon, D.Y. and Vigneswaran, S. Influence of particle size and surface charge on critical flux of crossflow microfiltration. Wat. Sci. Tech., 1998, 38(4-5), 481-488.
　　[10] 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, 環境科學, 1999, 20(3):38-41.
　　[11] 張傳義, 王勇, 黃霞等. 一體式膜-生物反應器經濟曝氣量的試驗研究. 膜科學與技術, 已接收.
　　[12] 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, 2002, 18(4):90-92.