浸没式膜-生物反应器(SMBR)结合了生物处理和膜过滤二者的优点,是当前废水处理领域的重要发展方向。虽然已有许多成功范例,但其运行经济性和膜污染仍然是制约其发展的瓶颈。针对SMBR工程中的诸多不足,尤其是国产膜组件在应用中存在的问题,本论文应用国产FP.t型膜组件,以处理市政废水的小试为例,对其长期运行效果,工况影响因素,污染特点,清洗手段,能耗分配,及膜组件设计几方面进行综合评价,力求平衡处理效果、运行能耗和膜污染三者之间的关系,使SMBR的运行达到最佳的效费比,并为其运行控制提供理论依据。首先,以为期262天的多阶段试验为基础,建立了SMBR的工况运行正交分析模型,发现污泥混合液浓度与膜污染关系最为紧密,而气水比和开停比影响程度相对较小;从出水水质和膜污染两方面考虑推荐了最佳控制工况范围。其次,根据对多阶段试验中膜污染特点的量化分析,发现SMBR中膜污染发展具有“2阶段”的特征。初期主要以附着能力强、粘性高的小颗粒物质污染为主,而后期则主要为大颗粒物质形成的泥饼层;基于这一理论,本文首次对国产膜组件提出“1阶段”维护性化学在线清洗策略,可避免膜组件处于高压运行工况,降低膜的深度污染以延长膜寿命。为保障在线化学清洗的安全性,论文还就化学清洗对微生物活性的损伤程度进行了分析。对于处理市政废水中膜组件主要以有机物污染为主的特点,本文推荐恢复性浸渍清洗以次氯酸钠药剂为最佳。再次,针对SMBR中高能耗的弊端,本文首次在SMBR的设计中引入“负荷分配”的思想,提出综合发挥微孔和穿孔曝气二者优点的设计思路,以实现在满足膜污染低速发展的基础上有效降低运行能耗的目的;并结合小试运行经验和曝气设计模型,对不同工况下供气总量进行了模拟分析,结果表明,“负荷分配”的设计概念可有效优化现有SMBR的能耗水平。最后,本文基于纤维轴向不平衡污染理论,通过数学建模实现了对膜纤维几何尺寸从减缓膜污染趋势和提高组件比能耗产水率两方面的优化。通过对优化模型的分析发现,降低纤维的轴向尺寸和扩大纤维内腔径向尺寸对提高膜纤维的抗污染性有利。同时本文根据小试试验数据,对固定径向尺寸和变径向尺寸的膜纤维长度进行了数值模拟分析,确定了试验工况下最佳的轴向尺寸设计范围。论文还就反应器构型对膜污染的影响经行了尝试性试验,发现气提式构型可有助于强化曝气在膜污染控制方面的效率,为膜组件集成化设计奠定了初步基础。