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[摘 要]膜生物反应器（MBR）是近年来发展起来的一种新型废水处理工艺。介绍了膜生物反应器在废水处理中的应用优势，并初步阐述了其在难降解造纸废水中的处理效果
[关键词]膜生物反应器 废水 废水处理 活性污泥法
中图分类号：ER696 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0044-01
膜生物反应器（MBR）是由膜分离技术与生物反应器相结合的生物化学反应系统，是以酶、微生物或动植物细胞为催化剂进行化学反应或生物转化，同时凭借超滤分离膜不断分离出反应产物并截留催化剂而进行连续反应的装置。用于水处理的MBR是一种新型水处理技术。它是把传统的活性污泥法和膜分离技术组合在一起而形成的污水处理工艺[1]。膜生物反应器通常是由膜组件、泵和生物反应器三部分组成的。
1.膜生物反应器（MBR）的发展简史及运行工艺
膜生物反應器最先用于酶制剂工业，其在废水领域的应用研究开始于20世纪60年代的美国，70年代后日本对膜分离技术进行了大力开发和研究，使MBR开始走向应用，80年代后，国际上对MBR的研究更加全面和深入，这也为90年代的进一步推广应用奠定了技术基础。现在MBR已成功地应用于水道污水处理、粪便污水处理、垃圾渗漏液等水处理中[2，3]。目前，人们对于MBR在废水处理的应用集中于以下三个方面[4]：一是用来分离好氧或厌氧反应器混合液；二是实现生物反应器中的无泡曝气；三是用来提取工业废水中的有机污染物。
1.1 分离膜生物反应器混合液
膜生物反应器取代传统的二沉池进行固液分离是目前该反应器应用最普遍的一种形式。由于膜具有高截留率并将浓缩液回流到生物反应器内，使生物反应器内具有很高的微生物浓度和很长的污泥停留时间，因而MBR具有很高的出水水质。分离膜生物反应器既可以在好氧状态下操作，也可以在厌氧状态下操作。
1.2 生物反应器内进行无泡曝气
使用MBR，如中空纤维管进行无泡曝气，曝气池氧的利用率可接近100%。其原因是反应器内气体分压控制在小于泡点，从而使氧气不能进入大气，而被充分利用。另外，由于反应器内巨大的膜表面为氧的传质以及生物膜的增长创造了非常有利的条件，从而使这种曝气器效率非常高。这些纤维通常垂直于管形组件中，气体从一端通入，另一端则封口，纤维束在反应器中呈流态化运动，不易被堵塞。
1.3 污染物提取用膜生物反应器
用作提取用的MBR内的纤维束硅管有选择性地将工业废水中的有毒污染物传到生物相中，从而使这些污染物被微生物吸附降解，由此就形成了混合液与废水溶液的浓度差，并促使污染物不断从废水中透过生物膜而进入生物反应器内。
2.膜生物反应器的优点
2.1 分离效率高[1]
超滤膜的孔径一般在0.1μm左右，在一定的操作压力下可以让水和低分子溶解物质通过它，实现混合液的泥、水分离，而不用体积庞大的二沉池，使得污水处理器结构紧凑、占地面积小，同时这种膜分离几乎是一种强制的机械拦截作用，优于传统二沉池的自由重力沉降，不会因为污泥膨胀现象而导致出水超标或恶化。
2.2 有利于生物反应器中微生物浓度提高
以活性污泥法为代表的传统好氧生物废水处理工艺由于采用重力沉淀池作为水处理和微生物的固液分离手段，曝气池内的活性污泥难以维持到较高浓度，生化反应速率受到限制，致使处理装置容积负荷低；而MBR反应器采用膜组件代替活性污泥法中的沉淀池，膜组件对大分子物质的截留作用，使反应器几乎截留了全部活性污泥，并通过回流使其返回生物反应器，反应器中出现溶解微生物产物的积累，从而大大提高了活性污泥即微生物的浓度，提高了生化反应速率。同时高活性污泥浓度的MBR系统对进水波动的抗冲击性能更好，系统的容积负荷率高，由此在相同进水条件下可缩减曝气池体积。另外，随着微生物对微生物产物的适应性增强，这些积累的微生物产物又会逐步被降解掉，而活性污泥法系统中溶解性微生物产物随出水流走不会在反应器内积累。
2.3 有利于提高微生物反应效率[4]
由于MBR系统膜的截留作用使生长缓慢的细菌大量滞留在反应器内，较长的泥龄为其生长繁衍提供了条件，因而，该系统的消化效率和难降解有机物的降解效率都比较高。
2.4 可提高系统的传氧效率[5]
传统的曝气系统采用鼓泡供氧方式，O2传质率较低。而近年来开发的无泡膜曝气器所使用的膜是一种透气膜，传质阻力很小。空气或O2在膜腔内流动的过程中，在浓度差推动力的作用下，向膜外的活性污泥扩散。该系统中由于O2在膜组件中的停留时间长，分配到液相中的O2比例大，故其传质效率比较高；又由于O2传质面积一定，因而不存在影响气泡大小和停留时间的因素，系统供氧更稳定。
MBR系统工艺运行方式多样化，它是将生物处理单元与物理处理单元相结合进行废水处理的，而且目前已开发出许多生物处理工艺。另外，该系统还具有易于实现自动控制、操作管理方便、处理效果好、出水水质稳定、占地空间小等优点。
3.膜生物反应器在造纸领域的应用
膜生物反应器目前已逐渐被引入到造纸工业废水处理中[6，7]。国外有研究用MBR及传统的活性污泥法分别处理制浆废液，研究结果表明MBR法较活性污泥法更能有效地去除浆料中的COD、TOX及固体悬浮物。
目前国内也有关于此方面的报道[8]。浙江工业大学使用MBR处理造纸综合废水（黑液中段废水和白水的混合液）并与传统的活性污泥法与生物接触氧化法进行比较，实验结果表明用MBR处理造纸废水通过污泥浓度的增加，出水CODCr可以降低到100mg/L以下（系统水力停留时间为18h），整个反应器的总去除率最高可达90%以上。而与之相对的活性污泥法和接触氧化法控制水力停留时间近40h后，出水CODCr还是达不到实验的要求，分别为149.3mg/L和197.3mg/L，这充分说明了MBR对难降解废水的处理效果比活性污泥法和生物接触氧化法要好得多。其原因是由于MBR泥水分离是通过膜分离装置来实现的，污泥浓度可控制在很高的范围内，它要高出传统活性污泥法污泥浓度好几倍，使生物反应池中的微生物浓度提高了好几倍，这就使难降解有机物分解菌和消化菌等增殖速度慢的微生物在曝气池中得到增殖富集。这类物质与污泥的接触时间远大于水力停留时间，再通过膜的截留作用，就确保了难降解物质在生物反应器内能被反复降解，从而提高了出水水质。
超滤膜分离强化了系统的处理能力，这是MBR工艺所具有的技术优势，但超滤膜本身容易被污染，即膜水力阻力增加，通量减少，同时MBR工艺也存在能耗高和膜费用较高的问题。但在科技高度发展的时代，相信这些问题会较快地得到解决。与传统的生物法处理造纸废水相比，MBR处理效果明显较好，其在处理难降解废水上具有突出优势，在水资源日益紧张的今天，MBR技术做为一种全新的水处理技术具有广泛的发展前景，我国造纸界应迎头赶上新技术的发展，抓紧对这项新技术的研究和推广工作。
参考文献
[1] 吴自强，刘志宏，曹刚.膜生物反应器处理废水技术的研究进展.工业水处理，2001，21（6）：1.
[2] 岑运华.膜生物反应器在污水处理中的应用.水处理技术，1991，17（5）：318.
[3] 黄霞，桂萍，范晓军，等.膜生物反应器废水处理工艺的研究进展.环境科学研究， 1998，11（1）：41.
[4] 何毅.膜生物反应器废水处理组合工艺的研究进展.工业水处理，2001，21（7）：5.
[5] 李秀芬，傅学起，胡国臣.膜生物反应器在废水处理中的优势.工业水处理，2001，21（8）：9.
[6] 刘锐，黄霞，刘若鹏，等.膜生物反应器与传统活性污泥工艺的比较.环境科学，2001，22（3）：20.
[7] Dufresne.R Comparative study of the performance of a system of MBR and that of a conventional activated sludge for treatment of pulping effluents.pulp & paper Canada ，1998 99（2）：51.
[8] 韩怀芬，金漫彤.膜生物反应技术处理造纸废水试验.水处理技术，2001，27（2）：1～3.
[关键词]膜生物反应器 废水 废水处理 活性污泥法
中图分类号：ER696 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0044-01
膜生物反应器（MBR）是由膜分离技术与生物反应器相结合的生物化学反应系统，是以酶、微生物或动植物细胞为催化剂进行化学反应或生物转化，同时凭借超滤分离膜不断分离出反应产物并截留催化剂而进行连续反应的装置。用于水处理的MBR是一种新型水处理技术。它是把传统的活性污泥法和膜分离技术组合在一起而形成的污水处理工艺[1]。膜生物反应器通常是由膜组件、泵和生物反应器三部分组成的。
1.膜生物反应器（MBR）的发展简史及运行工艺
膜生物反應器最先用于酶制剂工业，其在废水领域的应用研究开始于20世纪60年代的美国，70年代后日本对膜分离技术进行了大力开发和研究，使MBR开始走向应用，80年代后，国际上对MBR的研究更加全面和深入，这也为90年代的进一步推广应用奠定了技术基础。现在MBR已成功地应用于水道污水处理、粪便污水处理、垃圾渗漏液等水处理中[2，3]。目前，人们对于MBR在废水处理的应用集中于以下三个方面[4]：一是用来分离好氧或厌氧反应器混合液；二是实现生物反应器中的无泡曝气；三是用来提取工业废水中的有机污染物。
1.1 分离膜生物反应器混合液
膜生物反应器取代传统的二沉池进行固液分离是目前该反应器应用最普遍的一种形式。由于膜具有高截留率并将浓缩液回流到生物反应器内，使生物反应器内具有很高的微生物浓度和很长的污泥停留时间，因而MBR具有很高的出水水质。分离膜生物反应器既可以在好氧状态下操作，也可以在厌氧状态下操作。
1.2 生物反应器内进行无泡曝气
使用MBR，如中空纤维管进行无泡曝气，曝气池氧的利用率可接近100%。其原因是反应器内气体分压控制在小于泡点，从而使氧气不能进入大气，而被充分利用。另外，由于反应器内巨大的膜表面为氧的传质以及生物膜的增长创造了非常有利的条件，从而使这种曝气器效率非常高。这些纤维通常垂直于管形组件中，气体从一端通入，另一端则封口，纤维束在反应器中呈流态化运动，不易被堵塞。
1.3 污染物提取用膜生物反应器
用作提取用的MBR内的纤维束硅管有选择性地将工业废水中的有毒污染物传到生物相中，从而使这些污染物被微生物吸附降解，由此就形成了混合液与废水溶液的浓度差，并促使污染物不断从废水中透过生物膜而进入生物反应器内。
2.膜生物反应器的优点
2.1 分离效率高[1]
超滤膜的孔径一般在0.1μm左右，在一定的操作压力下可以让水和低分子溶解物质通过它，实现混合液的泥、水分离，而不用体积庞大的二沉池，使得污水处理器结构紧凑、占地面积小，同时这种膜分离几乎是一种强制的机械拦截作用，优于传统二沉池的自由重力沉降，不会因为污泥膨胀现象而导致出水超标或恶化。
2.2 有利于生物反应器中微生物浓度提高
以活性污泥法为代表的传统好氧生物废水处理工艺由于采用重力沉淀池作为水处理和微生物的固液分离手段，曝气池内的活性污泥难以维持到较高浓度，生化反应速率受到限制，致使处理装置容积负荷低；而MBR反应器采用膜组件代替活性污泥法中的沉淀池，膜组件对大分子物质的截留作用，使反应器几乎截留了全部活性污泥，并通过回流使其返回生物反应器，反应器中出现溶解微生物产物的积累，从而大大提高了活性污泥即微生物的浓度，提高了生化反应速率。同时高活性污泥浓度的MBR系统对进水波动的抗冲击性能更好，系统的容积负荷率高，由此在相同进水条件下可缩减曝气池体积。另外，随着微生物对微生物产物的适应性增强，这些积累的微生物产物又会逐步被降解掉，而活性污泥法系统中溶解性微生物产物随出水流走不会在反应器内积累。
2.3 有利于提高微生物反应效率[4]
由于MBR系统膜的截留作用使生长缓慢的细菌大量滞留在反应器内，较长的泥龄为其生长繁衍提供了条件，因而，该系统的消化效率和难降解有机物的降解效率都比较高。
2.4 可提高系统的传氧效率[5]
传统的曝气系统采用鼓泡供氧方式，O2传质率较低。而近年来开发的无泡膜曝气器所使用的膜是一种透气膜，传质阻力很小。空气或O2在膜腔内流动的过程中，在浓度差推动力的作用下，向膜外的活性污泥扩散。该系统中由于O2在膜组件中的停留时间长，分配到液相中的O2比例大，故其传质效率比较高；又由于O2传质面积一定，因而不存在影响气泡大小和停留时间的因素，系统供氧更稳定。
MBR系统工艺运行方式多样化，它是将生物处理单元与物理处理单元相结合进行废水处理的，而且目前已开发出许多生物处理工艺。另外，该系统还具有易于实现自动控制、操作管理方便、处理效果好、出水水质稳定、占地空间小等优点。
3.膜生物反应器在造纸领域的应用
膜生物反应器目前已逐渐被引入到造纸工业废水处理中[6，7]。国外有研究用MBR及传统的活性污泥法分别处理制浆废液，研究结果表明MBR法较活性污泥法更能有效地去除浆料中的COD、TOX及固体悬浮物。
目前国内也有关于此方面的报道[8]。浙江工业大学使用MBR处理造纸综合废水（黑液中段废水和白水的混合液）并与传统的活性污泥法与生物接触氧化法进行比较，实验结果表明用MBR处理造纸废水通过污泥浓度的增加，出水CODCr可以降低到100mg/L以下（系统水力停留时间为18h），整个反应器的总去除率最高可达90%以上。而与之相对的活性污泥法和接触氧化法控制水力停留时间近40h后，出水CODCr还是达不到实验的要求，分别为149.3mg/L和197.3mg/L，这充分说明了MBR对难降解废水的处理效果比活性污泥法和生物接触氧化法要好得多。其原因是由于MBR泥水分离是通过膜分离装置来实现的，污泥浓度可控制在很高的范围内，它要高出传统活性污泥法污泥浓度好几倍，使生物反应池中的微生物浓度提高了好几倍，这就使难降解有机物分解菌和消化菌等增殖速度慢的微生物在曝气池中得到增殖富集。这类物质与污泥的接触时间远大于水力停留时间，再通过膜的截留作用，就确保了难降解物质在生物反应器内能被反复降解，从而提高了出水水质。
超滤膜分离强化了系统的处理能力，这是MBR工艺所具有的技术优势，但超滤膜本身容易被污染，即膜水力阻力增加，通量减少，同时MBR工艺也存在能耗高和膜费用较高的问题。但在科技高度发展的时代，相信这些问题会较快地得到解决。与传统的生物法处理造纸废水相比，MBR处理效果明显较好，其在处理难降解废水上具有突出优势，在水资源日益紧张的今天，MBR技术做为一种全新的水处理技术具有广泛的发展前景，我国造纸界应迎头赶上新技术的发展，抓紧对这项新技术的研究和推广工作。
参考文献
[1] 吴自强，刘志宏，曹刚.膜生物反应器处理废水技术的研究进展.工业水处理，2001，21（6）：1.
[2] 岑运华.膜生物反应器在污水处理中的应用.水处理技术，1991，17（5）：318.
[3] 黄霞，桂萍，范晓军，等.膜生物反应器废水处理工艺的研究进展.环境科学研究， 1998，11（1）：41.
[4] 何毅.膜生物反应器废水处理组合工艺的研究进展.工业水处理，2001，21（7）：5.
[5] 李秀芬，傅学起，胡国臣.膜生物反应器在废水处理中的优势.工业水处理，2001，21（8）：9.
[6] 刘锐，黄霞，刘若鹏，等.膜生物反应器与传统活性污泥工艺的比较.环境科学，2001，22（3）：20.
[7] Dufresne.R Comparative study of the performance of a system of MBR and that of a conventional activated sludge for treatment of pulping effluents.pulp & paper Canada ，1998 99（2）：51.
[8] 韩怀芬，金漫彤.膜生物反应技术处理造纸废水试验.水处理技术，2001，27（2）：1～3.