膜生物反應器的設計與探討

　　膜生物反應器工藝由生物反應器和膜分離組件組成。按照膜組件的設置位置，可分為分置加壓式和一體抽吸式兩類。根據膜在反應器中所起的作用分為分離膜生物反應器、萃取膜生物反應器和無泡曝氣膜生物反應器。由于一體式膜生物反應器具有設備簡單、操作方便、耐沖擊負荷、出水好等優點，因此備受關注。然而，一體式膜生物反應器具有其與生俱來的缺點，比如氧利用率低、膜污染嚴重、通量下降、需要定期清洗等問題，嚴重妨礙了一體式膜生物反應器在工程中的推廣普及，也制約了其處理能力的進一步提高。因此，膜生物反應器的推廣應用關鍵在于解決膜污染和經濟上是否可行的問題。當前人們主要從膜的制備、工藝運行以及生物處理技術等方面進行改進。通過研究總結目前防治膜污染、提高氧利用率等方面的措施，從膜生物反應器的優化設計方面對膜生物反應進行了改進，為膜生物反應器的改進提供一個新的途徑。

　　當前一體式膜生物反應器存在膜污染嚴重、通量下降的問題膜污染是指與膜接觸的料液中的微粒、膠體粒子或溶質分子與膜存在物理、化學作用或機械作用，在膜面或膜孔內吸附、沉積，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜的透過流量與分離特性下降的現象。

　　膜污染主要來源于三個方面。其一是凝膠層，即濾餅，主要是水透過膜后被截留下來的部分活性污泥和膠體物質，沒來得及送走在濾壓差和透過水流的作用下堆積在膜表面，形成膜面污染，這是一種可逆污染，水力清洗一般可消除。其二是溶解性的有機物，它可以透過凝膠層，被膜內的微孔表面所吸附或結晶，堵塞孔道，使膜通量減小。其三是微生物污染，膜面和膜內的微孔中存在微生物所需的營養物質，因而不可避免地有大量的微生物滋生，劉銳等通過電鏡對中空纖維膜的內表面進行觀察，發現膜內的微孔中有大量的絲狀菌、球狀菌和短桿狀菌。

　　反應器中污泥濃度大、需要量高，采用傳統的鼓風曝氣方式供氧存在氧利用率低、能耗高的問題。由于一體式膜生物反應器中膜組件的高效截留作用提高了反應器中的混合液濃度，將水力停留時間與污泥停留時間相分離，大大延長了污泥齡，使大量弱勢菌種得以濃縮，從而提高了對有機物的降解能力。也正是一體式膜生物反應器的特點決定了其需要極大的溶解氧才能滿足反應器中眾多微生物的需求。然而，現有膜生物反應器由于采用鼓風曝氣的大氣泡供氧方式，大部分氣體以氣泡方式進入液體隨出水帶出，大大增加了氧的用量和消耗；存在能耗高、氧利用率低的不足，使一體式膜生物反應器的好氧處理能力大打折扣。

　　化學方法清洗膜組件使膜污染、通量下降是當前膜生物反應器在運行過程中不可避免的問題，清洗膜組件是膜生物反應器運行周期的一個必需環節。尤其是在采用化學清洗的過程中應用酸或堿對膜組件浸泡，不但會造成膜的損傷，而且還存在化學清洗廢水的處理問題。

　　針對一體式膜生物反應器采用泡式供氧存在能耗高、氧利用率低以及膜污染嚴重等不足，在總結目前提高氧氣利用率、防治膜污染、恢復膜通量的措施的基礎上，對一體式膜生物反應器形成如下改進思路：

　　（1）在供氧方式上，借鑒無泡曝氣膜生物反應器的優點，采用無泡供氧方式來提高氧的利用率并降低能耗。

　　（2）摒棄能造成二次污染的化學液處理膜組件的方式，采用環保的反沖洗方式減緩、防治膜污染防治膜污染并恢復膜通量。

　　基于以上考慮，把無泡曝氣原理和反沖洗原理相結合對一體式膜生物反應器進行改進，設計了一種新型的一體式膜生物反應器。新型膜生物反應器由兩組膜組件構成，采用氣體反沖洗的方式，反沖洗氣體同時作為無泡曝氣的供氧氣體；無泡供氧氣體也即是反沖洗氣體，在無泡供氧的同時，對膜組件進行了反沖洗。二者做到統一的原理是，無泡曝氣氣體和反沖洗氣體都是在低壓的條件下在膜腔中運行的，因此無泡曝氣氣體和反沖洗氣體可作為同一種氣體成為可能。反沖洗氣體只有在低壓下運行才可避免對膜面（膜孔）的物理損傷；氣體也只有在低壓條件下運行才能保證不會因氣壓高造成膜損傷而由無泡變成有泡氣體。對膜的反沖洗可減緩微細顆粒和微生物體在膜微孔內的吸附和沉積，從而能夠有效地減緩膜污染。改進型膜生物反應器采用兩組簾式膜組件交替運行（交替出水、曝氣）的方式，即一組出水，另一組微曝氣，曝氣氣體同時作為反沖洗氣體，達到充氧和反沖洗一氣兩用的目的。這樣在運行過程中始終保持著氧的高效利用，同時膜組件每隔一段時間就會得到反沖洗，因此，膜污染得到延緩、膜通量得以恢復。

　　新型膜生物反應器的優點

　　1、高溶氧率

　　變大氣泡和小氣泡的供氧方式為無泡曝氣供氧方式，可極大地提高氧的利用率。在相同供氧條件下，新型一體式膜生物反應器比傳統型具有更高的溶氧率。由于新型反應器裝置采用了無泡供氧的方式，在運行過程中，氣體進入污水中不產生氣泡，氧直接以分子態擴散進入液體，幾乎百分之百被吸收，可以滿足各種需氧要求。其次，中空纖維膜組件與混合液的接觸面積很大，混合液中氧的溶解效率很高，因此該種新型反應器的處理效果也會很好，此結論已在與傳統型的實驗對比中得到證實。

　　2、低能耗

　　新型膜生物反應器具有能耗低的優點。新型膜生物反應器由于采用了無泡供氧技術，供氧壓力低，氧的傳質效率高，因此，新型膜生物反應器是節能的。

　　3、小的膜阻力

　　新型一體式膜生物反應器比傳統型就有更小的膜阻力。由于兩組膜組件交替出水、反沖洗（曝氣），交替的頻率比一般的一體式膜生物反應器的清洗周期要短地多；其次，在一組膜組件（出水的組件）污染程度還不嚴重時（這時的膜污染是可逆的），就開始變換為曝氣膜組件（氣體反沖洗），通量恢復也較為容易。因此，膜阻力要比傳統型要小。通過試驗發現，新型的過濾壓力明顯低于傳統型，說明氣體反沖洗是非常有效。

　　4、在延緩、防治膜污染方面的獨特優勢

　　新型一體式膜生物反應器在延緩、防治膜污染方面具有其獨特的優勢。該種新型膜生物反應器由于反沖洗的頻繁發生，使得污染物質在膜表面的沉積時間變短，因此，膜污染較輕，膜通量的恢復也相對容易。其次，由于膜組件在沖洗過程中（供氧過程）膜表面的氧濃度大，膜表面的生物膜始終處在富氧狀態，因此微生物凝膠層更替、脫落的周期也會縮短。再次，由于水力和氣體的交替，傳質方向的頻繁改變，膜表面、孔徑及膜腔中的污染物質容易被沖刷去除。因此這種新型膜生物反應器在抗拒膜污染方面具有一定的優勢。

　　新型膜生物反應器存在的問題及建議

　　新型膜生物反應器具備了無泡曝氣膜生物反應器優點的同時，應用氣體反沖洗的方式減緩膜污染、恢復膜通量。在提高氧利用率、降低能耗和處理效果方面具有其獨特的優點。但也存在以下問題：

　　（1）這種新型膜生物反應器用了兩組膜組件。在MBR工藝中，膜組件的費用占很大的比例。因此，多一組膜組件就會提高反應器的成本費用。（2）無泡曝氣作為反沖洗氣體對于延緩膜污、恢復膜通量意義重大，但不能完全地（100%）恢復膜通量， 因此運行時間足夠長時，也需要適當地進行化學清洗。這是所有膜過濾反應器的通病。

　　對這種新型膜生物反應器的建議：

　　（1）膜組件的昂貴和在使用過程中膜污染和通量下降問題仍是膜生物反應器改進所要解決的問題。深入對膜污染機理的研究解決膜污染問題，開發廉價的過濾膜和膜組件是膜過濾技術應解決的重點。

　　（2）將膜過濾技術與其他分離技術和廢水處理技術相結合（如與化學絮凝、 沉淀技術相結合以減少膜污染、提高效率，以及將不同級別孔徑的過濾膜相結合的分級過濾器等），完善膜分離工藝。充分發揮各自優勢和協同效應，以得到最佳處理效果和最佳經濟效益。這也是所有膜生物反應器改進的方向。

　　通過對現有膜生物反應器存在的問題及解決措施的研究總結，利用無泡曝氣和氣體反沖洗膜組件均是在低壓條件下工作的特點，把兩者結合起來，設計了一種新型一體式膜生物反應器，這種新型反應器采用兩組膜組件（一組過濾、一組曝氣）交替運行的方式，不但具有無泡曝氣膜生物反應器的全部優點：氧利用率高、能耗低；同時具有低的膜阻力，在延緩、防治膜污染方面具有的獨特的優勢；該反應器還具有操作方便的特點，在處理不同的廢水時，可根據具體條件（膜污染的嚴重情況），確定反沖洗周期的長短，在反沖洗和出水之間進行切換，易于實現運行的自動控制。這種新型反應器對廢水的處理效果明顯高于一般的一體式膜生物反應器（已經在與傳統一體式膜生物反應器處理同質、同量的廢水對比試驗中得到證明，實驗部分將在下一篇中論述）。雖然，這種膜生物反應器多用了一組膜組件，但隨著生產廉價膜技術的成熟，這些問題一定能夠得到解決。