生物膜反应器污水处理与回用技术的研究与应用
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摘要：世界上不少缺水国家把污水再生利用作为解决水资源短缺的重要战略之一。这不仅可以消除污水对水环境的污染，而且可以减少新鲜水的使用，缓解需水和供水之间的矛盾，给工农业生产的发展提供新的水源，取得显著的环境、经济和社会效益。开展新型高效污水处理与回用技术的研究对于推进污水资源化的进程具有十分重要的意义。
中图分类号：R123文献标识码： A
1.前言
生物膜反应器是近年新开发的污水处理与回用技术。该技术由于具有诸多传统污水处理工艺所无法比拟的优点，在世界范围受到普遍关注。本文将对近年来生物膜反应器污水处理与回用技术的研究与应用进行介绍。
2.生物膜反应器的技术原理与特点
在生物膜反应器中，由于用膜组件代替传统活性污泥工艺中的二沉池，可以进行高效的固液分离，克服了传统活性污泥工艺中出水水质不够稳定、污泥容易膨胀等不足，从而具有下列优点[1]：
(1)能高效地进行固液分离，出水水质良好且稳定，可以直接回用；
(2)由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器水力停留时间（HRT）和污泥龄（SRT）的完全分离，使运行控制更加灵活稳定；
(3)生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积省；
(4)有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留和生长，系统硝化效率得以提高。也可增长一些难降解有机物在系统中的水力停留时间，有效地将分解难降解有机物的微生物滞留在反应器内，有利于难降解有机物降解效率的提高；
(5)生物膜反应器一般都在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低，降低了污泥处理费用；
(6)易于实现自动控制，操作管理方便。
3.生物膜反应器对污染物的处理效果
3.1 有机污染物处理效果
许多研究者都证实生物膜反应器能够有效地去除有机污染物并获得良好的出水水质。在进水BOD5为330～710mg/L时，出水BOD5仅为1～5mg/L，BOD去除率可达99%以上。膜出水可以作为楼房中水道用水、草地喷水和汽车冲洗水等使用，达到了污水再生利用的目的。邢传宏采用分置式好氧膜-生物反应器对城市污水的处理进行了试验研究。在该系统中，采用管状陶瓷膜，切割分子量为3000,000。系统表现出稳定的有机物去除率，即使进水COD在100-800mg/L，NH4 -N在10-40mg/L大幅度变化的情况下，COD和NH4 -N去除率分别可达96%和95%以上，出水COD均小于20mg/L。其它水质监测指标及与建设部杂用水水质标准的比较见表1。
表1 MBR处理城市污水出水与建设部杂用水标准（CJ25.1-89）的比较
在生物膜反应器中污染物去除率很高的原因在于：（1）膜的分离作用维持了高浓度的生物量，促进了生物降解作用；（2）膜分离本身对悬浮物COD和大分子溶解性有机物也有进一步的截留效果。对于COD的去除，由膜截留作用的贡献率在10-20%左右。
生物膜反应器良好及稳定的出水水质还有赖于膜表面形成的凝胶层的分离截留作用。很多研究者发现膜-生物反应器在运行一小段时间后，一些大分子的微生物产物便会附着于膜的表面形成一层动态过滤膜，也称为凝胶层。这层凝胶层也能起到过滤膜的作用，且由于其截留作用大于膜本身，从而有助于提高出水水质。
有关操作条件对膜-生物反应器处理效果的影响也有许多报道。研究表明，变化HRT（从2h 变化到24h）和SRT（从5d到1300d（基本上不排泥）），对污染物的去除没有明显影响。
表2列出了好氧膜-生物反应器处理城市和工业废水的效果和运行条件。
表2好氧膜-生物反应器处理城市和工业废水的效果和运行条件
3.2 氮磷去除效果
在生物膜反应器中，由于膜分离对硝化细菌的高效截留作用，生物反应器内可以维持高浓度的硝化细菌。因此通常膜-生物反应器可以获得非常高的硝化效果，氨氮去除率可以达到95%以上。通过调整适当的操作方式，生物膜反应器中也能获得很好的TN去除率。如Suwa利用间歇曝气，在分置式生物膜反应器中获得了0.0074 g-N /g-VSS d-1的反硝化效果。Chiemchaisri采用同样的运行方式，脱氮率达92.6%。有研究认为，在膜-生物反应器内控制DO的条件下，可以发生同步硝化/反硝化反应。
关于生物膜反应器对磷的去除也有相当报道，去除范围在11.9%到75%不等。单独的同化作用似乎不能解释生物膜反应器中磷的全部去除。其机理有待于进一步研究。通过与化学除磷法相结合，可以保证系统出水达到相应的标准值以下。
3.3 难降解有机物处理效果
采用生物膜反应器处理含难降解有机物废水，可以强化系统对难降解有机物的处理效果，提高系统对冲击负荷的承受能力。桂萍[2.3]以喹啉和EDTA两种难降解有机物为对象，在实验室小试的基础上采用生物膜反应器进行了试验研究，并在同等条件下与普通活性污泥法进行了对比。结果表明，生物膜反应器较普通活性污泥法，对难降解有机物的去除效率和去除负荷更高，抗进水有毒物冲击负荷能力更强，运行更为稳定。
4.我国生物膜反应器的发展概述
我国对生物膜反应器的研究始于上世纪90年代初。最早开始研究的有清华大学、中国科学院生态环境研究中心、天津大学、同济大学等。近年，由于该项技术所具有的巨大吸引力和潜在的应用前景，受到了更多研究者的青睐。许多大学、研究所、环保公司也加入到了此项技术的研究开发中。从国内专业杂志发表的论文篇数来看，近几年增加很快，从1998年的9篇增加到2002年的60余篇。目前国内从事生物膜反应器开发应用的公司也有十余家。
5.结束语
生物膜反应器有诸多传统工艺不及的优点，在污水处理和回用中具有广阔的应用前景。可以应用的领域包括：高层建筑的中水回用、居住小区生活污水资源化、城市污水资源化以及有机工业废水的资源化等。目前我国在膜生物反应器污水处理与回用方面的应用实例还不太多，规模也不够大。今后应通过产、学、研的紧密合作，进一步加强研究开发以推动其产业化进程。
参考文献：
1. 黄霞等：膜－生物反应器废水处理工艺的研究进展，环境科学研究，11(1)，40-44(1998)
2. Xia Huang, Ping Gui, Xianghua Wen, Yi Qian: Treatment of refractory organic compound using a membrane bioreactor, 21 Century- International Symposium on Membrane Technology and Environment Protection, p.129-135, Sep. 18-21, Beijing, China
3. 桂萍，黄霞等：膜－生物反应器运行条件对膜过滤特性的影响研究，环境科学，20(3),38-41 (1999)