膜生物反应器在城市污水处理中的应用探讨
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摘要：膜生物反应器是将膜分离技术与活性污泥法相结合的高效污水处理技术。本文综述了膜生物反应器的发展历程、典型应用案例现状及存在的问题、MBR工艺今后在污水处理中应用前景，为MBR工艺今后的进一步研究和应用提供参考。
关键词：膜生物反应器;污水处理;膜过滤
膜生物反应器（Member bioreactor，MBR）是将膜分离技术与活性污泥法相结合的高效污水处理技术，增大污泥中的特效菌来加快生化反应速率，提高污水处理效果，其具有SRT短、污泥产量少、出水水质高等优点。在传统的活性污泥法等生物处理污水的技术中，泥水分离是通过重力作用而在二沉池中完成的，其分离效果的好坏受到活性污泥沉降性能的影响，沉降性越好，泥水分离效率越高，而MBR工艺的主要特点是由膜过滤取代传统生化处理技术中二沉池。作为一种新型、高效、集约型的水处理技术，MBR工艺越来越受到各国水处理研究者的青睐。
1膜生物反应器的发展历程
MBR在污水处理领域的应用研究始于20世纪60年代，美国的Dorr-Oliver公司首先将MBR用于废水处理的研究，将膜分离技术与活性污泥生物处理技术相结合，构建了膜生物反应器（Membrane Bioreactor，MBR），利用超滤膜与活性污泥生物反应器的协同作用来处理生活污水，该工艺具有反应器内活性污泥浓度高、活性污泥产量低、出水水质好、污水处理厂占地少等优点。
20世纪70年代，膜污水处理工艺首次进入日本市场，从而迈出了MBR污水处理商业化的重要一步，但此时由于受到膜材料、膜制备技术的制约，MBR工艺发展缓慢。
20世纪90年代末，在国内外新型膜材料研发与制造装备业的推动下，膜生物反应器的相关科学技术研究逐渐成为热点，国外已经进入实用阶段，且规模也在不断扩大。
我国对MBR工艺的大规模研究始于90年代末期，MBR在我国水处理方面的应用研究首先从分离式MBR开始的，中国的膜产业经过近20多年来的发展，正逐渐走向成熟。随着我国水资源的短缺和水污染问题的加剧，我国的MBR研究正高速发展，MBR工艺的深入研究对保障我国水质安全，缓解水资源危机，保护人居环境，提高城镇居民的生活品质，实现经济的可持续发展具有十分重要的意义。
根据生物反应池与膜组件不同的结合方式，MBR反应器分为分离式和一体式两种不同的形式。分离式是指膜组件与生物反应器分开设置，压力驱动靠加压泵，其优点是运行稳定，管理简单，膜的清洗、更换更为便捷。一体式MBR是将膜组件直接放于生物反应器内，利用真空泵的负压抽吸得到出水滤液，其的优点是抽吸压力低、电耗低。
2膜生物反应器的应用案例
2.1京溪污水处理厂
京溪污水处理厂位于广东广州市，设计规模为10万吨/日，于2010年9月正式建成投入运行，污水处理厂进水以城市生活污水为主，出水满足一级A标准并满足直接作为沙河涌景观补水的水质要求，采取的污水处理主体工艺为一体式的MBR生化池，共2座，每座包括：厌氧区、缺氧区、好氧区和膜区四部分，膜过滤采用0.05um的中空纤维超滤膜，出水利用负压泵抽吸出水，为进一步保证出水的安全可靠，膜出水设置管式紫外线消毒器。
该污水处理厂运行8年多来，出水水质100%达标，在膜过滤的作用下，污水中绝大部分细菌（0.2-50um）和部分病毒，出水基本达到了粪大肠菌≤1000个/L的排放标准，MBR出水SS接近于零，透光性很好，污水处理厂建成后极大地改善了广州市周围水体环境，对治理水污染，保护当地流域水质和生态平衡具有十分重要的作用。
2.2长沙市某污水处理厂
该污水处理厂1992年开工建设，1994年正式建成投产，污水处理厂建成后运行稳定、良好。但随着长沙市城区的快速建设发展，污水处理厂周边有新建了大量的商业、住宅去，处理污水时产生的臭气和噪声自然散发至空气中，严重影响着周边居民的生活。
为解决污水处理厂现状存在的系列问题，2014年开始对污水处理厂进行改造，实现出水水质从一级B标准提升至一级A标准，并对臭气和噪音进行封闭式收集处理。通过将现二沉池改造为MBR池，与原有的改良型氧化沟构建形成一体化MBR处理工艺，膜过滤采用0.1um的平板膜，膜出水利用负压泵抽吸出水。
该污水处理厂至2016年改造以来，污水厂处理后的水质优于一级A标准，部分指标达到IV类水标准，出水可用公园道路洒水、绿化用水和景观湖泊补给用水。污水处理厂建成后极大地改善了长沙市芙蓉区周围水体环境，对保护当地流域水质和生态平衡具有十分重要的作用。
3膜生物反应器存在的问题
随着近年来城市污水处理中MBR工艺的更多应用，运行中发现，MBR工艺系统仍然存在的一些瓶颈问题，需在今后MBR工艺研究、设计、运行中予以解决，主要有如下。
3.1处理能力降低的风险
MBR工艺的末端为膜过滤，而膜过滤具有过滤的通用属性，过滤是在恒定通量下进行，为了实现膜过滤的持续运行、尽量减少冲洗周期，故要求MBR不能超过极限通量，否则会很容易产生膜污染、膜污染的最终结果是导致产水率下降、膜的反洗周期缩短、膜实际有效运行时间的减少。
因此，目前国内运行的很多MBR工艺污水处理厂，受原水水质、运行管理等各方面的影响，在实际运行过程中随着时间的积累，其MBR工艺末端膜过滤的处理能力不断下降，故很难达到常规污水处理工艺所实现的超产的要求。有相关报导认为，如果进入MBR反应器的峰值流量超过平均流量的1.5—2倍时，就需额外设置流量调节池，或者考虑备用大量的膜组件以确保最终出水水质的达标。
3.2投资与运行成本高
投资成本高。膜组件是MBR处理系统中主要组成部分，同时也是技术含量最高及价值最大的部分，据分析，国内MBR投资成本在2000—2500元/m3，是传统活性污泥法项目建设成本的1.5倍左右。与此同时，MBR需要更多更先进的设备以满足其自动化的运行要求，故增加了投入成本。
运行成本高。无论是浸没式MBR工艺还是分置式MBR，需加大曝气强度并设置出水负压抽吸泵，从而造成污水处理系统能耗上升，运行电费及設备维护费用的增加，且膜组件寿命有限，根据国内的使用经验，膜组件使用达到5年后即需更逐步更换膜组件。
3.3预处理与自控系统设计不足而产生的风险
MBR工艺中的泥水混合物进入到再进入膜反应器单元前需要经过膜前预处理，故在MBR系统设计时均需要在膜反应器前端设置膜格栅，但目前国内外对MBR系统中膜格栅的参数要求并未进行深入的研究，导致国内部分MBR污水处理厂的运行管理中经常出现预处理与膜处理不协调不匹配的问题。
MBR工艺自动化程度比传统活性污泥工艺高很多，为保证膜反应器的最终出水水质，膜组件需定期清洗、组装甚至是更换，设备纵多、设备联动运行管理复杂，对污水处理厂的PLC控制系统需要更多更高的要求。
4膜生物反应器在城市污水处理中的应用展望
未来，随着水资源的短缺矛盾的进一步凸显和水污染防治要求的进一步提高，且国内外对MBR工艺研究的不断深入，凭借其独特的优势，MBR工艺在中水、污水处理回用等方面的广应用必将受到高度重视。
同时，面对近年来国家大力提出的《水十条》战略要求，污水排放和回用标准、规范将会日益严格，很多现有城市污水处理厂的改扩建要求在不增大占地面积的前提下增大处理水量、提升出水水质。虽然MBR工艺的投资及运行成本略高于以往活性污泥法，且易发生膜污染问题，但其占地少，有机物去除率高，还能够强化脱氮除磷，符合我国城市污水处理厂提标改造、强化脱氮除磷的要求。因此，MBR工艺在水厂改扩建项目中发展前景较好。
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