生物膜与膜生物反应器废水处理应用

近年来，废水的处理技术日渐成熟，生物膜法具有运行稳定、较强的抗冲击负荷能力、更为经济节能、无污泥膨胀问题、还有一定的硝化反硝化功能等优点，广泛的运用于生活污水和某些工业废水的处理。

近几十年，膜生物反应器(MBR)在废水处理领域受到广泛的重视，随着膜材料和制膜技术的发展，其应用领域也不断的扩大，已经涉及到化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工等领域，但是膜污染问题是限制其广泛应用的主要瓶颈。生物膜-膜生物反应器是一种将生物膜法和膜分离技术相结合的一种新型高效的废(污)水处理工艺，该类反应器减少了MBR

中悬浮生长微生物，在一定程度上减缓膜的污染；反应器中填料的移动可对膜表面进行有效清洗，减轻了膜污染。

1、生物膜-膜生物反应器的概念

1.1 生物膜法

生物膜法是利用附着在填料或载体上生长、繁殖的细菌、原生动物、后生动物等微生物形成的生物膜处理废水。主要有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等，目前已经广泛的应用在各个领域的废水处理中。

1.2 膜生物反应器

膜生物反应器是膜技术和活性污泥法相结合的一种废水处理技术。在反应器中可以维持高的生物量，实现水力停留时间和污泥停留时间相分离以及产生的污泥量少，处理效率高，出水水质好，设备紧凑，占地面积小等优点。目前对膜生物反应器的研究已经相当成熟，并且已经广泛应用在各个领域的废水处理中。

1.3 生物膜-膜生物反应器

生物膜-膜生物反应器（BMBR）是将膜分离与生物膜法技术相结合的一种新型废水处理工艺，是一种既能控制污染又能实现废水资源化的新兴技术。该工艺技术对污染物的去除作用主要是依靠附着在载体上生长的微生物来完成，截留作用主要体现在膜以及膜上面形成的滤饼层的过滤作用上。废水中的有机污染物的降解主要由三部分组成：一是附着在载体和少量膜组件上的生物膜的降解作用；二是生物反应器内悬浮微生物对有机物的降解作用；三是利用膜对有机大分子的截留作用，这样有机大分子与微生物接触反应的时间就更长，更能被有效的降解去除。目前，BMBR 还处于实验研究阶段，国内外对此的报道尚不多。

2、生物膜-膜生物反应器的原理及特点

2.1 工作原理

BMBR 是在膜生物反应器内投加填料或培养形成颗粒污泥，微生物在填料表面附着生长形成生物膜，废水携带着污染物和氧气流过生物膜时，废水中溶解氧被消耗，有机污染物被生物膜上的微生物吸收降解使废水得以净化；微生物不断生长繁殖，生物膜也不断增厚，增厚到一定程度时，在生物膜内形成缺氧或厌氧层，为生物脱氮、除磷提供条件；通过在反应器底部曝气，使生物膜受到水的剪切力不断脱落更新，处理后的废水经过膜组件分离后排放。曾做过两段式生物膜-膜生物反应器处理废水的试验，结果显示BMBR 运行稳定后出水水质好，COD、氨氮、TP 去除效率分别为95%、80%、60%以上。利用好氧颗粒污泥-MBR 处理合成废水，结果表明，当进水总有机碳为56.8~132.6 mg/L，氨氮为28.1~38.4 mg/L 时，TOC、氨氮、总氮的去除率分别为84.7%~91.9%，85.4%~99.7%，41.7%~78.4%。

2.2 生物膜-膜生物反应器的优点

（1）BMBR 综合了生物膜法和MBR 的优点。反应器内由于填料的加入，使得悬浮污泥的浓度降低，改善了膜的通量、降低了膜的阻力、在一定程度上减缓了膜的污染，使膜的运行周期更长，减少了膜的清洗次数，降低处理工艺的动力消耗。

（2）SS 的去除率较好。生物膜法中如果厌氧层过厚，生物膜脱落后会产生大量的非活性的细小悬浮物分散于水中，使出水的澄清度降低，而BMBR 由于膜分离设备的截留作用可以有效解决这个问题。

（3）有较好的脱氮、除磷效果。硝化菌是化能自氧菌，在混合培养的活性污泥中无法与异养菌竞争，所以在MBR 中脱氮效果并不是很好，而投加了填料的BMBR 可以承载大量的生物量，有利于世代时间较长的硝化菌生长，而且由于BMBR 中形成了厌氧环境，脱氮效果会有所提高。

（4）由于生物膜上的微生物种类丰富，载体的添加可以给微型动物提供了相对稳定的生长环境，存在相当数量的原生动物和后生动物，组成较长的食物链，所以生物膜膜生物反应器产生的污泥量少。

2.3 生物膜-膜生物反应器的缺点

BMBR 和MBR 一样同样具有以下2 个缺点：

（1）膜污染问题，没有有效的清洗技术。膜污染速率随着温度的下降而呈现加剧趋势。
（2）膜的制造成本高。

3、生物膜-膜生物反应器的研究进展

1996 年，美国的Dorr-Oliver 公司首先将MBR用于废水处理的研究以后，许多学者相继对MBR 进行了大量的实验研究并开发了多种MBR 的变形新工艺，如分离式MBR、厌氧式MBR、一体式MBR 等。20世纪90 年代以后，MBR 得到了最迅猛的发展，1995年以后MBR 在国外尤其是在美国、日本、加拿大等国进入了实际应用阶段。随着MBR 在实际运行中膜污染的问题出现，有的学者在研究此问题时指出，在MBR 中，由于膜组件与活性污泥混合液的直接接触，在膜组件表面生长出生物膜是不可避免的，也就是说膜污染的问题是不可避免的，膜污染在导致膜通量下降的同时也使出水水质变差，但是当时都未对此进行深入的探讨，直至后来BMBR 的提出。一些学者认为将膜分离技术和生物膜法相结合，将会有更大的优势。BMBR 工艺最早是日本科研人员针对低浓度氨氮废水处理提出的新工艺。澳大利亚新南威尔士大学膜与分离中心的Fane A G 曾采用生物滤池与分离式膜分离设备相结合处理生活废水，取得了很好的处理效果。在膜分离技术与生物膜相结合的BMBR 方面，国内哈尔滨工业大学较早做此方面的工艺研究。

3.1 生物填料-MBR

在MBR 中投加填料，微生物附着在填料表面生长、繁殖形成生物膜。相较于传统的MBR 而言，填料上微生物种类更加丰富，提高了反应器对有机物的去除率，具有更强的适应性和稳定性以及较强的抗冲击负荷能力，同时也减少了悬浮的微生物，而且有些填料对胞外聚合物和某些溶解性产物等容易引起膜污染类的物质有吸附作用，这样有利于减少膜污染，减缓膜通量的下降速度。

在研究改良性聚丙烯悬浮载体-MBR处理废水时发现悬浮载体-MBR 的去除效果较好，COD，NH3-N 的去除效果都在90%以上， 甚至达100%，出水的浊度接近零。生物填料MBR 处理工业废水也具有较好的效果。用投加多孔性聚合物填料的一体式MBR 处理化工废水，结果表明，反应器稳定运行后，COD、NH3-N、TP 的去除率分别为80.25%~87.15%、73.32%~99.78%和87.09%~93.82%。在研究一些多孔、软性悬浮载体对膜污染的影响时发现，在MBR中投加悬浮填料可以减缓膜污染的形成，膜的临界通量提高了大约20%，滤饼阻力减少了86%，膜污染的程度明显低于未投加填料的MBR。研究发现，投加最适量（800mg/L)的粉煤灰，膜通量的衰减量最小，反应器的除磷效果明显增高，从原来的60%提高到90%。

填料MBR 中，填料和膜是反应器的核心，在填料的选择上应该谨慎，如果填料的选择不当，不但没有优势，反而会损坏膜组件。

3.2 粉末活性炭-MBR

粉末活性炭(PAC)是一种多孔性物质，具有巨大的比表面积和发达的内部孔隙，适合微生物的附着、固定和生长，利用其良好的吸附性能和微生物降解作用可有效去除可溶性有机物，同时也能减轻膜的污染，降低膜的阻力。在MBR 中投加适量的活性炭，可吸附去除微小的生物絮凝体和胞外聚合物、微细胶体、溶解性有机物等，同时微生物在活性炭表面附着生长，培养一段时间后，在反应器内可形成吸附和生物降解能力更强的生物活性炭(BAC)，它集吸附、有机物的生物降解和膜分离技术为一体，简洁、高效。

用PAC-MBR 工艺处理焦化废水时取得了较好的效果，COD、NH3-N 的去除率分别大于86.8%和98%，出水浊度在10 NTU 以下。研究指出，投加PAC 在MBR 中可以吸附去除诸如苯酚、对硝基酚以及甲苯等对微生物群有毒害作用的生物性化合物，在稳态操作条件下，对3 种污染物的去除率达99.9%。

研究PAC 对混合液的特性和膜污染的影响，结果表明，PAC 能降低MBR 污泥混合液黏度，增大了污泥絮体粒径，从而减缓了泥饼层的形成并使泥饼层结构疏松、透水性好，延长了膜组件清洗周期。G. Munz 等[19]用PAC-MBR 处理制革废水，结果表明，与不投加PAC 的MBR 相比，投加1.5 g/L的PAC，经过膜的过滤后，出水水质更加稳定，膜的污染得到缓解，污染的膜经过碱或者酸清洗后，膜的通量恢复率也得到提高。研究表明，在MBR 中投加粉末活性炭具有改善泥水混合液的性质和膜表面泥饼层结构的作用，从而减小了膜的过滤阻力，减

缓了膜通量的下降。

虽然在MBR 中投加PAC 具有以上优点，但是PAC 的投加量对MBR 的膜污染影响较大，研究了投加粉末活性炭对一体式膜生物反应器膜污染的影响。结果表明，适量投加PAC 可以改善污泥混合液膜过滤性能，提高临界通量，但是投加过量会引起负面作用，这是因为PAC 本身是一种颗粒物质，同污泥颗粒类似，对膜存在一定程度的污染。运用平行实验研究PAC 的投加量对MBR 的膜污染的影响，实验表明，PAC 的投加量在0.75 g/L 时，能够有效地减小由EPS 引起的膜污染。

近年来一些学者也开始关注PAC-MBR 组合工艺的一些特殊变形工艺，利用PAC作预涂剂，涤纶布作为支撑膜组件组成预涂动态膜生物反应器处理城市废水，将预涂动态膜的厚度控制在0.3 mm 时，取得了很好的污染物质去除率，膜污染也得到了减轻，而且只通过简单的刷洗就使膜通量得到恢复。

PAC 的投加使MBR 具有更好优势，特别表现是在一些有毒、有害以及难降解废水的处理，使其应用范围更广泛。但是PAC 的投加会使成本有所增加，此外非球形的PAC 对膜的损伤问题尚需进一步研究。

3.3 移动床-MBR

相比较于常用的载体如蜂窝载体、软性载体、半软性载体及复合载体等固定型载体，悬浮填料比重接近于水，无需固定支架，在池中可随曝气搅拌悬浮于水中并全池均匀流化。移动床-MBR 是在传统的MBR 基础上发展起来的一种组合新工艺，以附着在悬浮填料表面生长的微生物代替传统MBR 中的活性污泥。通常设置隔板将反应器分为移动床区和膜区，防止填料停留堆积在膜组件附近，影响填料的移动，通过曝气使填料在反应器内移动，废水通过填料的吸附作用以及在填料表面生长的微生物的降解作用得到处理净化，然后流进膜区进行分离。

调查研究移动床-MBR 的进展时发现，移动床-MBR 的COD 去除率在约为85%~90%，对悬浮固体的去除率达100%。研究移动床MBR 的同步硝化反硝化的能力，结果表明，移动床MBR 具有良好的有机物降解能力和很好的同步硝化能力，在最佳DO 浓度条件下，COD 的去除率在90%以上，NH3-N 的去除率达100%，总氮的去除率达到60%。利用好氧移动床动态膜生物反应器处理高氨氮、低碳/氮废水，结果表面，该反应器具有良好的处理效果和抗冲击负荷能力。

移动床MBR 能在一定程度上提高废水的去除效果，减缓膜的污染，降低膜的阻力，但是能耗有一定增加，而且会在一定程度上损伤膜材料。

3.4 好氧颗粒污泥-MBR

好氧颗粒污泥在近年来受到重视，引起了学者们的关注，它具有沉降性能好，而且能在反应器内保持较高的生物量。
此法是在MBR 中培养出好氧颗粒污泥，代替MBR 中的絮状活性污泥处理废水。研究了MBR 中好氧颗粒污泥的形成及性质，表明颗粒污泥的形成过程中，丝状菌起主要作用，培养成功的好氧颗粒污泥为圆形或者是椭圆形，表面缠绕大量的丝状菌，颗粒的泥径在0.5~3 mm 之间，最大的可达4 mm，含水率在98%左右。
用好氧颗粒污泥-MBR 处理人工模拟焦化废水，结果表明，当反应器的好氧颗粒污泥质量分数为100%时，COD、NH3-N、TP 和苯酚的去除率分别为99.17%、95.00%、85.22%和99.90%。用好氧颗粒污泥-MBR 处理畜禽废水实验中取得了很好的处理效果，NO3--N、NO2--N 的去除率可达90%。利用好氧颗粒污泥处理含酚废水，研究发现，当酚的浓度高达5 000 mg/L 时，对微生物并没有产生严重的抑制作用，取得了较好的效果。颗粒污泥的形成减少了悬浮污泥的浓度，有利于降低膜的污染，研究人工合成模拟废水对好氧颗粒污泥-MBR 的运行特性和膜污染时，对比了2 种不同形态的污泥(颗粒污泥和絮状污泥)在MBR运行过程中膜通量的变化趋势，发现好氧颗粒污泥可以有效的减缓膜污染，颗粒污泥MBR 膜通量的下降速度明显比絮状污泥MBR 的下降速度慢很多，且通过空气反冲或用水清洗后，通量的恢复率达99.9%。

好氧颗粒污泥具有良好的沉降性能和较高的生物量，在处理低浓度有机废水时表现出良好的处理效果，而且在脱氮除磷方面比厌氧颗粒污泥有很大的优势。好氧颗粒-MBR 有很大的应用潜力，在未来值得受到高度关注和深入研究。但是，好氧颗粒污泥的培养不易，而且对操作条件要求苛刻，污泥容易解体，这也是好氧颗粒污泥MBR 应用于实际必须解决的问题。

以上几种生物膜MBR 的优缺点以及对膜通量和TMP 的影响如表1 所示。

表1 4 种生物膜MBR 反应器的比较

4、生物膜-膜生物反应器的膜清洗

虽然BMBR 能在一定的程度上减缓膜的污染，但是并不能彻底解决膜污染，一定时间后对膜的清洗也是不可避免的。膜的清洗方法有很多种，从污染物的性质和其去除机制看，膜的清洗方法可以分为物理清洗、化学清洗、生物清洗。物理清洗是通过人工或者机械清洗去除膜上的污染物，但频繁的清洗容易造成膜的破坏；化学清洗是用稀酸、稀碱、氧化剂等对膜进行浸泡和清洗；生物清洗是利用酶制剂、微生物制剂、生物表面活性剂等对膜进行清洗的一种方法，同时也是未来膜清洗技术的发展方向之一。不同的清洗方法，清洗效果也不同。而通常将物理和化学清洗结合以提高清洗的效果，如此不但可以恢复膜通量，而且节省化学清洗剂，降低运行费用。

5、结论

生物膜-MBR 是将生物膜法和膜分离技术相结合的一种新型的工艺。与活性污泥-MBR 相比，生物膜-MBR 不但有机污染物的去除效果好，而且对一些有毒，难降解的污染物同样有很好的去除率，较强的抗冲击负荷能力，而且降低了反应器的悬浮污泥浓度，减缓了膜污染，降低膜的阻力，受到广大学者的重视。但是生物膜-MBR 在运行过程中也有投加填料增加成本，颗粒污泥的培养不易，稳定性差，容易解体等问题，限制了其应用，目前正处于实验研究阶段，其技术经济性能有待进一步的研究。