膜生物反应器的设计与探讨

　　膜生物反应器工艺由生物反应器和膜分离组件组成。按照膜组件的设置位置，可分为分置加压式和一体抽吸式两类。根据膜在反应器中所起的作用分为分离膜生物反应器、萃取膜生物反应器和无泡曝气膜生物反应器。由于一体式膜生物反应器具有设备简单、操作方便、耐冲击负荷、出水好等优点，因此备受关注。然而，一体式膜生物反应器具有其与生俱来的缺点，比如氧利用率低、膜污染严重、通量下降、需要定期清洗等问题，严重妨碍了一体式膜生物反应器在工程中的推广普及，也制约了其处理能力的进一步提高。因此，膜生物反应器的推广应用关键在于解决膜污染和经济上是否可行的问题。当前人们主要从膜的制备、工艺运行以及生物处理技术等方面进行改进。通过研究总结目前防治膜污染、提高氧利用率等方面的措施，从膜生物反应器的优化设计方面对膜生物反应进行了改进，为膜生物反应器的改进提供一个新的途径。

　　当前一体式膜生物反应器存在膜污染严重、通量下降的问题膜污染是指与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶质分子与膜存在物理、化学作用或机械作用，在膜面或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜的透过流量与分离特性下降的现象。

　　膜污染主要来源于三个方面。其一是凝胶层，即滤饼，主要是水透过膜后被截留下来的部分活性污泥和胶体物质，没来得及送走在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面，形成膜面污染，这是一种可逆污染，水力清洗一般可消除。其二是溶解性的有机物，它可以透过凝胶层，被膜内的微孔表面所吸附或结晶，堵塞孔道，使膜通量减小。其三是微生物污染，膜面和膜内的微孔中存在微生物所需的营养物质，因而不可避免地有大量的微生物滋生，刘锐等通过电镜对中空纤维膜的内表面进行观察，发现膜内的微孔中有大量的丝状菌、球状菌和短杆状菌。

　　反应器中污泥浓度大、需要量高，采用传统的鼓风曝气方式供氧存在氧利用率低、能耗高的问题。由于一体式膜生物反应器中膜组件的高效截留作用提高了反应器中的混合液浓度，将水力停留时间与污泥停留时间相分离，大大延长了污泥龄，使大量弱势菌种得以浓缩，从而提高了对有机物的降解能力。也正是一体式膜生物反应器的特点决定了其需要极大的溶解氧才能满足反应器中众多微生物的需求。然而，现有膜生物反应器由于采用鼓风曝气的大气泡供氧方式，大部分气体以气泡方式进入液体随出水带出，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，使一体式膜生物反应器的好氧处理能力大打折扣。

　　化学方法清洗膜组件使膜污染、通量下降是当前膜生物反应器在运行过程中不可避免的问题，清洗膜组件是膜生物反应器运行周期的一个必需环节。尤其是在采用化学清洗的过程中应用酸或碱对膜组件浸泡，不但会造成膜的损伤，而且还存在化学清洗废水的处理问题。

　　针对一体式膜生物反应器采用泡式供氧存在能耗高、氧利用率低以及膜污染严重等不足，在总结目前提高氧气利用率、防治膜污染、恢复膜通量的措施的基础上，对一体式膜生物反应器形成如下改进思路：

　　（1）在供氧方式上，借鉴无泡曝气膜生物反应器的优点，采用无泡供氧方式来提高氧的利用率并降低能耗。

　　（2）摒弃能造成二次污染的化学液处理膜组件的方式，采用环保的反冲洗方式减缓、防治膜污染防治膜污染并恢复膜通量。

　　基于以上考虑，把无泡曝气原理和反冲洗原理相结合对一体式膜生物反应器进行改进，设计了一种新型的一体式膜生物反应器。新型膜生物反应器由两组膜组件构成，采用气体反冲洗的方式，反冲洗气体同时作为无泡曝气的供氧气体；无泡供氧气体也即是反冲洗气体，在无泡供氧的同时，对膜组件进行了反冲洗。二者做到统一的原理是，无泡曝气气体和反冲洗气体都是在低压的条件下在膜腔中运行的，因此无泡曝气气体和反冲洗气体可作为同一种气体成为可能。反冲洗气体只有在低压下运行才可避免对膜面（膜孔）的物理损伤；气体也只有在低压条件下运行才能保证不会因气压高造成膜损伤而由无泡变成有泡气体。对膜的反冲洗可减缓微细颗粒和微生物体在膜微孔内的吸附和沉积，从而能够有效地减缓膜污染。改进型膜生物反应器采用两组帘式膜组件交替运行（交替出水、曝气）的方式，即一组出水，另一组微曝气，曝气气体同时作为反冲洗气体，达到充氧和反冲洗一气两用的目的。这样在运行过程中始终保持着氧的高效利用，同时膜组件每隔一段时间就会得到反冲洗，因此，膜污染得到延缓、膜通量得以恢复。

　　新型膜生物反应器的优点

　　1、高溶氧率

　　变大气泡和小气泡的供氧方式为无泡曝气供氧方式，可极大地提高氧的利用率。在相同供氧条件下，新型一体式膜生物反应器比传统型具有更高的溶氧率。由于新型反应器装置采用了无泡供氧的方式，在运行过程中，气体进入污水中不产生气泡，氧直接以分子态扩散进入液体，几乎百分之百被吸收，可以满足各种需氧要求。其次，中空纤维膜组件与混合液的接触面积很大，混合液中氧的溶解效率很高，因此该种新型反应器的处理效果也会很好，此结论已在与传统型的实验对比中得到证实。

　　2、低能耗

　　新型膜生物反应器具有能耗低的优点。新型膜生物反应器由于采用了无泡供氧技术，供氧压力低，氧的传质效率高，因此，新型膜生物反应器是节能的。

　　3、小的膜阻力

　　新型一体式膜生物反应器比传统型就有更小的膜阻力。由于两组膜组件交替出水、反冲洗（曝气），交替的频率比一般的一体式膜生物反应器的清洗周期要短地多；其次，在一组膜组件（出水的组件）污染程度还不严重时（这时的膜污染是可逆的），就开始变换为曝气膜组件（气体反冲洗），通量恢复也较为容易。因此，膜阻力要比传统型要小。通过试验发现，新型的过滤压力明显低于传统型，说明气体反冲洗是非常有效。

　　4、在延缓、防治膜污染方面的独特优势

　　新型一体式膜生物反应器在延缓、防治膜污染方面具有其独特的优势。该种新型膜生物反应器由于反冲洗的频繁发生，使得污染物质在膜表面的沉积时间变短，因此，膜污染较轻，膜通量的恢复也相对容易。其次，由于膜组件在冲洗过程中（供氧过程）膜表面的氧浓度大，膜表面的生物膜始终处在富氧状态，因此微生物凝胶层更替、脱落的周期也会缩短。再次，由于水力和气体的交替，传质方向的频繁改变，膜表面、孔径及膜腔中的污染物质容易被冲刷去除。因此这种新型膜生物反应器在抗拒膜污染方面具有一定的优势。

　　新型膜生物反应器存在的问题及建议

　　新型膜生物反应器具备了无泡曝气膜生物反应器优点的同时，应用气体反冲洗的方式减缓膜污染、恢复膜通量。在提高氧利用率、降低能耗和处理效果方面具有其独特的优点。但也存在以下问题：

　　（1）这种新型膜生物反应器用了两组膜组件。在MBR工艺中，膜组件的费用占很大的比例。因此，多一组膜组件就会提高反应器的成本费用。（2）无泡曝气作为反冲洗气体对于延缓膜污、恢复膜通量意义重大，但不能完全地（100%）恢复膜通量， 因此运行时间足够长时，也需要适当地进行化学清洗。这是所有膜过滤反应器的通病。

　　对这种新型膜生物反应器的建议：

　　（1）膜组件的昂贵和在使用过程中膜污染和通量下降问题仍是膜生物反应器改进所要解决的问题。深入对膜污染机理的研究解决膜污染问题，开发廉价的过滤膜和膜组件是膜过滤技术应解决的重点。

　　（2）将膜过滤技术与其他分离技术和废水处理技术相结合（如与化学絮凝、 沉淀技术相结合以减少膜污染、提高效率，以及将不同级别孔径的过滤膜相结合的分级过滤器等），完善膜分离工艺。充分发挥各自优势和协同效应，以得到最佳处理效果和最佳经济效益。这也是所有膜生物反应器改进的方向。

　　通过对现有膜生物反应器存在的问题及解决措施的研究总结，利用无泡曝气和气体反冲洗膜组件均是在低压条件下工作的特点，把两者结合起来，设计了一种新型一体式膜生物反应器，这种新型反应器采用两组膜组件（一组过滤、一组曝气）交替运行的方式，不但具有无泡曝气膜生物反应器的全部优点：氧利用率高、能耗低；同时具有低的膜阻力，在延缓、防治膜污染方面具有的独特的优势；该反应器还具有操作方便的特点，在处理不同的废水时，可根据具体条件（膜污染的严重情况），确定反冲洗周期的长短，在反冲洗和出水之间进行切换，易于实现运行的自动控制。这种新型反应器对废水的处理效果明显高于一般的一体式膜生物反应器（已经在与传统一体式膜生物反应器处理同质、同量的废水对比试验中得到证明，实验部分将在下一篇中论述）。虽然，这种膜生物反应器多用了一组膜组件，但随着生产廉价膜技术的成熟，这些问题一定能够得到解决。