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摘要：通过长期运行试验，考察了膜生物反应器（MBR）对市政废水中污染物的去除效果和膜污染情况。结果表明，MBR对COD和NH3-N的去除效果比较理想，出水COD和NH3-N分别低于50mg/L和4mg/L。反应器污泥浓度的增长并没有加剧膜污染，在MBR连续运行的75d中，膜组件仅需清洗2次。
关键词：膜生物反应器 去除效果 膜污染
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：
膜生物反应器（Membrane Bioreactor ，简称MBR）是膜技术和污水生物处理技術有机结合产生的废水处理新工艺，在水污染治理领域受到人们的高度关注。该技术具有传统工艺无法比拟的优势，出水可直接回用、活性污泥浓度高、占地面积小、基本无剩余污泥排放、实现自动化控制等，尤其是膜的高效截留作用，使微生物全部截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间和污泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活稳定[1~5]。但也存在膜污染、膜更换以及能耗高等问题[6]。近年来，膜组件的价格不断下降，加上对工艺的优化，MBR的运行费用也随之降低，但膜污染问题仍没有得到很好的解决[7]。
本文结合以往有关MBR的研究结果[8~9]，将MBR用于处理市政废水，对MBR系统的处理效果及膜污染情况进行了试验研究，以使得MBR工艺在市政废水处理领域得到更多的应用。
1 材料与方法
试验装置
试验采用有效容积为20L的一体式膜生物反应器，装置具体如图1所示。原水通过浮球阀的控制，由高位水箱流入液位平衡水箱，再流入反应器中。反应器底部采用穿孔曝气，膜组件出水由抽吸泵提供推动力，出水流量由液体流量计控制。试验所用膜组件为浙江某公司生产的帘式聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜，膜孔径0.1μm，膜面积0.2m2。
1.高位水箱2.平衡水箱3.膜生物反应器4.膜组件5.曝气管6.气体流量计
7.空气泵8.温控器9.真空表10.液体流量计11.抽吸泵12.出水
图1试验工艺流程示意图
1.2 原水水质
试验用水采用人工模拟市政废水，以葡萄糖为碳源，磷酸二氢钾为磷源，氯化铵为氮源，并投加碳酸氢钠、硫酸镁、氯化钙、硫酸亚铁及一些微量元素配制而成。原水的COD为350mg/L左右，TN为左右，NH3-N为28mg/L左右。
1.3 测定项目与方法
COD：快速密闭催化消解法；NH3-N：纳氏试剂分光光度法；TN：过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；MLSS：重量法；膜通量通过测定单位时间内的出水量由计算得到；膜污染由真空表的抽吸负压值表征。
1.4 运行条件
MBR系统采用低压恒流、间歇负压抽吸运行，抽吸时间12min，停抽时间8min，HRT为6h，DO质量浓度为4~6mg/L，温度为20~25℃，pH值为6.5~7.8。
结果与讨论
对污染物的去除效果
对COD的去除效果
MBR对COD的去除效果如图2所示。
从图2可以看出，MBR对COD有较高的去除率。反应器启动初期，MBR对COD的去除效果一般，运行10天后，COD的去除率维持在90%左右。20天后，去除率达到94%。反应器的膜出水水质优于上清液水质，当进水COD值变化较大时，上清液COD值有所波动，但出水COD值始终保持在较低的水平。这是由于膜以及膜表面所形成的沉积层的截留、吸附作用和沉积层微生物的降解作用保证了较稳定的膜出水水质。
2.1.2 对NH3-N的去除效果
MBR对NH3-N的去除效果如图3所示。
从图3可以看出，MBR具有很强的脱氮能力。反应器在整个运行过程中，上清液和出水NH3-N浓度均低于5mg/L，NH3-N去除率始终保持在90%以上。20d天后，去除率达到94%以上。这是由于膜对污泥有高效截留作用使得微生物几乎完全截留在生物反应器内，有利于世代时间较长的硝化菌的增殖，从而提高了系统的硝化性能。
图2MBR对COD 的去除效果图3MBR对NH3-N的去除效果
2.2 膜污染
2.2.1MLSS的变化
混合液悬浮固体浓度（MLSS）对膜污染有重要影响，直接影响到膜表面泥饼层的形成。试验过程中MBR的MLSS随时间的变化如图4所示。
从图4可知，由于MBR运行过程中不排泥，所以反应器中MLSS随运行时间的延长呈增长趋势，从反应器启动初期的2000mg/L左右增加到9000 mg/L。同时，由于膜的截留作用，也使得反应器保持较高的污泥浓度，有利于加大反应器的处理能力，增大膜过滤压差。虽然较高MLSS对生化反应有利，但是MLSS过高会引起反应器中混合液黏度增大，传氧效率降低，影响膜分离组件的分离特征，加速膜污染。
2.2.2TMP的变化
膜污染的程度可以采用膜过滤压差（TMP）来反映。随着膜污染的发展，膜过滤压差上升，膜过滤压差越大则说明膜污染越严重。MBR的TMP随时间的变化如图5所示。
从图5可以看出，反应器在开始运行阶段，TMP上升较慢，当TMP突然加剧时，膜污染也开始加剧。当TMP达到-45kPa以上时，将膜组件从生物反应器中取出，用次氯酸钠进行清洗，使其过滤性能恢复以后再继续试验。本试验MBR的膜组件在75d的运行中，分别于第40d、第64d时进行了2次膜清洗。试验效果比较理想。
图4 污泥浓度随运行时间的变化图5 TMP随运行时间的变化
3 结论
MBR处理人工模拟市政废水时，对COD和NH3-N有较好的处理效果，出水COD<50mg/L，NH3-N<4mg/L，均已达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T18920—2002）的要求。虽然MBR反应器内污泥浓度随时间逐渐增大，但在75d的连续运行中膜组件仅清洗了2次，分析可能是由于膜的高效截留作用，使得MBR反应器保持较高的污泥浓度，而膜表面的污泥浓度并不高，没有加剧膜污染。
参考文献
[1] 崔学明，程焕龙，等. 膜生物反应器处理化工废水[J]. 中国给水排水，2002,18(10): 73 -74
[2] Howell J A. Future of membranes and membrane reactors in green technologies an for water reuse[J]. Desalination, 2004, 162: 1 - 9
[3] Ping Gui, Xia Huang, Ying Chen, et al. Effect of operational parameters on sludge accumulation on membrane surfaces in a submerged membrane bioreactor[J]. Desalination, 2002, 150(2), 185 – 194
[4] 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 – 45
关键词：膜生物反应器 去除效果 膜污染
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：
膜生物反应器（Membrane Bioreactor ，简称MBR）是膜技术和污水生物处理技術有机结合产生的废水处理新工艺，在水污染治理领域受到人们的高度关注。该技术具有传统工艺无法比拟的优势，出水可直接回用、活性污泥浓度高、占地面积小、基本无剩余污泥排放、实现自动化控制等，尤其是膜的高效截留作用，使微生物全部截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间和污泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活稳定[1~5]。但也存在膜污染、膜更换以及能耗高等问题[6]。近年来，膜组件的价格不断下降，加上对工艺的优化，MBR的运行费用也随之降低，但膜污染问题仍没有得到很好的解决[7]。
本文结合以往有关MBR的研究结果[8~9]，将MBR用于处理市政废水，对MBR系统的处理效果及膜污染情况进行了试验研究，以使得MBR工艺在市政废水处理领域得到更多的应用。
1 材料与方法
试验装置
试验采用有效容积为20L的一体式膜生物反应器，装置具体如图1所示。原水通过浮球阀的控制，由高位水箱流入液位平衡水箱，再流入反应器中。反应器底部采用穿孔曝气，膜组件出水由抽吸泵提供推动力，出水流量由液体流量计控制。试验所用膜组件为浙江某公司生产的帘式聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜，膜孔径0.1μm，膜面积0.2m2。
1.高位水箱2.平衡水箱3.膜生物反应器4.膜组件5.曝气管6.气体流量计
7.空气泵8.温控器9.真空表10.液体流量计11.抽吸泵12.出水
图1试验工艺流程示意图
1.2 原水水质
试验用水采用人工模拟市政废水，以葡萄糖为碳源，磷酸二氢钾为磷源，氯化铵为氮源，并投加碳酸氢钠、硫酸镁、氯化钙、硫酸亚铁及一些微量元素配制而成。原水的COD为350mg/L左右，TN为左右，NH3-N为28mg/L左右。
1.3 测定项目与方法
COD：快速密闭催化消解法；NH3-N：纳氏试剂分光光度法；TN：过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；MLSS：重量法；膜通量通过测定单位时间内的出水量由计算得到；膜污染由真空表的抽吸负压值表征。
1.4 运行条件
MBR系统采用低压恒流、间歇负压抽吸运行，抽吸时间12min，停抽时间8min，HRT为6h，DO质量浓度为4~6mg/L，温度为20~25℃，pH值为6.5~7.8。
结果与讨论
对污染物的去除效果
对COD的去除效果
MBR对COD的去除效果如图2所示。
从图2可以看出，MBR对COD有较高的去除率。反应器启动初期，MBR对COD的去除效果一般，运行10天后，COD的去除率维持在90%左右。20天后，去除率达到94%。反应器的膜出水水质优于上清液水质，当进水COD值变化较大时，上清液COD值有所波动，但出水COD值始终保持在较低的水平。这是由于膜以及膜表面所形成的沉积层的截留、吸附作用和沉积层微生物的降解作用保证了较稳定的膜出水水质。
2.1.2 对NH3-N的去除效果
MBR对NH3-N的去除效果如图3所示。
从图3可以看出，MBR具有很强的脱氮能力。反应器在整个运行过程中，上清液和出水NH3-N浓度均低于5mg/L，NH3-N去除率始终保持在90%以上。20d天后，去除率达到94%以上。这是由于膜对污泥有高效截留作用使得微生物几乎完全截留在生物反应器内，有利于世代时间较长的硝化菌的增殖，从而提高了系统的硝化性能。
图2MBR对COD 的去除效果图3MBR对NH3-N的去除效果
2.2 膜污染
2.2.1MLSS的变化
混合液悬浮固体浓度（MLSS）对膜污染有重要影响，直接影响到膜表面泥饼层的形成。试验过程中MBR的MLSS随时间的变化如图4所示。
从图4可知，由于MBR运行过程中不排泥，所以反应器中MLSS随运行时间的延长呈增长趋势，从反应器启动初期的2000mg/L左右增加到9000 mg/L。同时，由于膜的截留作用，也使得反应器保持较高的污泥浓度，有利于加大反应器的处理能力，增大膜过滤压差。虽然较高MLSS对生化反应有利，但是MLSS过高会引起反应器中混合液黏度增大，传氧效率降低，影响膜分离组件的分离特征，加速膜污染。
2.2.2TMP的变化
膜污染的程度可以采用膜过滤压差（TMP）来反映。随着膜污染的发展，膜过滤压差上升，膜过滤压差越大则说明膜污染越严重。MBR的TMP随时间的变化如图5所示。
从图5可以看出，反应器在开始运行阶段，TMP上升较慢，当TMP突然加剧时，膜污染也开始加剧。当TMP达到-45kPa以上时，将膜组件从生物反应器中取出，用次氯酸钠进行清洗，使其过滤性能恢复以后再继续试验。本试验MBR的膜组件在75d的运行中，分别于第40d、第64d时进行了2次膜清洗。试验效果比较理想。
图4 污泥浓度随运行时间的变化图5 TMP随运行时间的变化
3 结论
MBR处理人工模拟市政废水时，对COD和NH3-N有较好的处理效果，出水COD<50mg/L，NH3-N<4mg/L，均已达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T18920—2002）的要求。虽然MBR反应器内污泥浓度随时间逐渐增大，但在75d的连续运行中膜组件仅清洗了2次，分析可能是由于膜的高效截留作用，使得MBR反应器保持较高的污泥浓度，而膜表面的污泥浓度并不高，没有加剧膜污染。
参考文献
[1] 崔学明，程焕龙，等. 膜生物反应器处理化工废水[J]. 中国给水排水，2002,18(10): 73 -74
[2] Howell J A. Future of membranes and membrane reactors in green technologies an for water reuse[J]. Desalination, 2004, 162: 1 - 9
[3] Ping Gui, Xia Huang, Ying Chen, et al. Effect of operational parameters on sludge accumulation on membrane surfaces in a submerged membrane bioreactor[J]. Desalination, 2002, 150(2), 185 – 194
[4] 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 – 45