隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水環(huán)境污染和水體富營 養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重。常規(guī)活性污泥工藝對總氮、總磷的去除率僅在l0%～30%，遠(yuǎn)不能達(dá)到國家排放 標(biāo)準(zhǔn)。這樣的m水排放，仍然會引起受納水體的富臂養(yǎng)化。因此.研究開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的生物脫氮除磷T藝已成為當(dāng)前水污染控制領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

膜生物反應(yīng)器(MBR)是近年新開發(fā)的污水處理與剛用技術(shù)。該技術(shù)是將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)污水生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合而產(chǎn)生的廢水處理新工藝.其產(chǎn)生和發(fā)展是這兩類知識應(yīng)用和發(fā)展的必然結(jié)果。由于MBR技術(shù)具有諸多傳統(tǒng)污水處理工藝無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在世界范圍內(nèi)倍受關(guān)注。MBR中較高的污泥濃度為同步硝化反硝化提供必要的缺氧微環(huán)境，即MBR本身具有一定的脫氮除磷條件。

1.膜生物反應(yīng)器脫氮除磷的研究進(jìn)展

1.1膜生物反應(yīng)器的發(fā)展

膜生物反應(yīng)器最先用于微生物發(fā)酵工業(yè)。在廢 水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代的美 國。但當(dāng)時由于受膜生產(chǎn)技術(shù)所限，膜的使用壽命短，水通透量小.使其在投人實(shí)際應(yīng)用中遇到障礙。70年代后期.El本研究者根據(jù)本國國土狹小、地價高的特點(diǎn)對膜分離技術(shù)在廢水處理巾的應(yīng)用進(jìn) 行了大力開發(fā)和研究.使MBR開始走向?qū)嶋H應(yīng)用。進(jìn)入80年代后，國際上對MBR的研究更是方興未艾。日本建設(shè)省制訂了“Aqua naissance 90” 大型研究計(jì)劃.其內(nèi)容主要包括新型膜材料的開發(fā)，膜分離裝置的研究等。法國、美國、澳大利 亞等國對MBR的研究也投入了很大力量，使得研究內(nèi)容更加全面而深入，為9O年代的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。現(xiàn)在MBR已成功地應(yīng)用于水道污水、糞便污水、垃圾滲濾液等廢水的處理。

近年來隨著膜技術(shù)的飛速發(fā)展，日本、歐洲等 膜制造技術(shù)發(fā)達(dá)的國家廣泛開展了MBR新工藝的研究。膜材質(zhì)從早期的聚颯(ps)、聚丙烯腈(PAN) 等超濾膜的使用發(fā)展到以聚烯烴(PE，PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)為主的微濾膜.日本膜專家通過長期的研究和實(shí)踐認(rèn)為用于成分復(fù)雜的污水處理聚偏氟乙烯和聚烯烴有其優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性和耐污染性，是最有前途的膜材料。2007年， Jelena Radjenovic等 采用MBR處理制藥廢水，研 究結(jié)果表明，COD、TSS、TOC、NH-N均有較好的處理效果。P.T.Tri等使用MBR對亞洲國家的 加油站廢水進(jìn)行處理.研究出了一套裝置，該裝置對COD的去除率達(dá)到了99%，對石油類的去除率 達(dá)到了95.2%，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。使用兩段式MBR對食品廢水進(jìn)行了處理，COD、BOD、TSS、NH一N、TP去除率分別達(dá)到98%、99.9%、100%、99.8%和100%，出水油脂的質(zhì)量濃度小于15mg/L。

MBR在我國水處理方面的應(yīng)用研究首先從分離式MBR開始。1991年，岑運(yùn)華介紹了MBR在日本的研究狀況；1993年，上海華東理工大學(xué)環(huán)境工程研究所進(jìn)行了MBR處理人工合成污水和制藥廢水的可行性研究。1995年，樊耀波。將MBR用于石油化工污水凈化的研究，研制出一套實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的好氧MBR.該系統(tǒng)對石油化工污水中COD、BOD、SS、濁度、石油類均有較高的去除率。自1994年始，汪誠文等、顧平等、李紅兵等先后對MBR處理生活污水并回用的可行性、操作運(yùn)行條件、膜污染機(jī)理及控制對策進(jìn)行了研究探討.證明了MBR處理生活污水并用于回用在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。2007年。李志東等將一體式MBR應(yīng)用于屠宰廢水的研究上，該一體化裝置對各類污染物均有較高的去除率，并實(shí)現(xiàn)了自動化控制。近年來我國環(huán)保工作者將MBR應(yīng)用于造紙廢水]、抗生素廢水、食品廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水、垃圾滲透液等廢水處理。在這些研究基礎(chǔ)上.MBR在我國開始逐步走向應(yīng)用并呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

1.2膜生物反應(yīng)器脫氮的研究

同目前通用的生化脫氮工藝一樣，MBR脫氮在理論上并沒有什么根本差別。為了提高總氮去除率，在單一的好氧MBR的基礎(chǔ)上，開發(fā)了A/O、Az/O和SBR等形式的MBR，以獲取最佳的脫氮效果。張西旺等在一體式MBR前增設(shè)缺氧區(qū)和回流裝置的方法形成A/O運(yùn)行方式處理高濃度氨氮廢水，在沒有增設(shè)缺氧區(qū)和回流裝置的情況下.進(jìn)水NH3--N的質(zhì)量濃度為100mg/L左右時總氮(TN)去除率只有60%，而在設(shè)置了缺氧區(qū)后。TN去除率曾經(jīng)達(dá)到過96.O%。其原因就是缺氧區(qū)和回流設(shè)置后給反硝化菌提供了充足的有機(jī)物和反應(yīng)場所.避免了由于硝酸鹽和亞硝酸鹽的積累對硝化反應(yīng)的限制。

張捍民等研究指出.SBR運(yùn)行的MBR能強(qiáng)化傳統(tǒng)膜生物脫氮性能，在進(jìn)水C、N的質(zhì)量比降至3.8～8-3，總氮負(fù)荷提高至O.22kg/(m•d)，總氮和氨氮去除率分別為67.6%和93.1%。MullerE.B.等[拍]和GunderB.等在好氧MBR里加生物載體填料，可取得對氨氮和TN很高的去除效果，由于反應(yīng)器中高濃度的污泥有利于在污泥絮體中形成好氧區(qū)和厭氧區(qū)，而且，填料載體掛膜充分后，膜表面同樣也會形成立體的好氧/缺氧層遞層.客觀上為在同一個反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化創(chuàng)造了條件。試驗(yàn)結(jié)果表明，在DO、pH值等因素控制得當(dāng)?shù)那闆r下，系統(tǒng)對氨氮和TN的平均去除率分別達(dá)到了93%和88。9%，比傳統(tǒng)的工藝效果要好。王仲旭等的研究也證明在好氧MBR里加入填料載體。能為硝化和反硝化創(chuàng)造良好的條件。該工藝氨氮和TN平均去除率分別高達(dá)100%和93.06%。袁麗梅等開發(fā)出一種交替式缺氧/厭氧膜生物反應(yīng)器(AAAM)的脫氮除磷工藝。通過改變好氧區(qū)回流混合液的流向使缺氧和厭氧環(huán)境在2個單獨(dú)的反應(yīng)器內(nèi)交替形成.以實(shí)現(xiàn)同步缺氧反硝化、厭氧釋磷及反硝化聚磷菌的部分吸磷過程。中空纖維微濾膜置于好氧區(qū)。該區(qū)采用連續(xù)曝氣方式實(shí)現(xiàn)硝化、過量吸磷及對膜污染的控制。試驗(yàn)結(jié)果表明：對COD、總氮、總磷的平均去除率分別為93%、67.4%和94.1%。在傳統(tǒng)好氧MBR的基礎(chǔ)上，結(jié)合厭氧/缺氧/好氧(AVO)工藝開發(fā)了復(fù)合式A2/0膜生物反應(yīng)器，并對其處理小區(qū)生活污水中的氮、磷等污染物的特性進(jìn)行了研究。試驗(yàn)表明：在各自合適的條件下復(fù)合式Az/O膜生物反應(yīng)器可保證COD的平均去除率達(dá)到90.17%，NH3-N的平均去除率可達(dá)到92.32%.總氮的平均去除率可達(dá)到72%，而總磷的平均去除率達(dá)到71.23%。肖景霓等對比了A/O及A2/O兩種運(yùn)行模式序批式膜生物反應(yīng)器(SBMBR)對模擬生活污水同時脫氮除磷的性能。結(jié)果表明，2種運(yùn)行模式的SBMBR對有機(jī)物及氨氮的去除率分別可保持在90%和95%以上。A2/0SBMBR具有更強(qiáng)的釋磷能力，其SPRR30(前30min比釋磷速率)比A/OSBMBR高出47.5%；但SPUR加(前30min比吸磷速率)卻比AOSBMBR低，這是導(dǎo)致前者膜出水中TP值較后者高的原因之一。2個系統(tǒng)內(nèi)污泥均有反硝化除磷能力，A2/OSBMBR中DPAO(反硝化聚磷菌)的比例比A/OSBMBR提高了57%.硝酸鹽為電子受體時單位電子轉(zhuǎn)移所吸收的磷，前者比后者高30%。這2個因素雙重作用的結(jié)果導(dǎo)致了A2/OSBMBR反硝化除磷能力的提高。A2/OSBMBR系統(tǒng)曝氣時間減半并沒有加重膜污染。反而該系統(tǒng)的膜污染相對較輕。膜對有機(jī)物有較好的過濾截留作用。污泥沉降性能對SBMBR出水水質(zhì)影響很小。李旭東等采用間歇曝氣MBR對低碳高氮磷型城市生活污水進(jìn)行了處理研究。結(jié)果表明，可去除90%以上的COD、接近100%的氨氮和80%以上的總氮，但系統(tǒng)對磷基本無去除能力。系統(tǒng)內(nèi)硝化作用完成得快速且充分.而反硝化作用則是總氮去除的限制性步驟。

1.3膜生物反應(yīng)器除磷的研究

MBR去除磷的工藝與常規(guī)活性污泥法基本上相同，國內(nèi)外對除磷工藝的研究不少，一般都是采用A/O和SBR的形式.而且多數(shù)是和脫氮聯(lián)用，A/O膜法由于其易嚴(yán)格控制的厭氧/好氧環(huán)境.因此是研究得比較多的一種工藝。

BorisLesjean等采用在上流式厭氧固定床后的好氧反應(yīng)器里面放置微濾膜的形式.獲得了對氮和磷各自94%以上的去除率。CastilloP.A.等采用MBR處理含磷廢水。在有機(jī)負(fù)荷率為159mg/(cm•d)的條件下，磷(PO43一一P)的去除率達(dá)72%。由于除磷菌的世代時間較短，SRT是一個比較重要的參數(shù)，為了盡量避免SRT過長帶來的負(fù)面影響，于是有人在強(qiáng)化生物除磷工藝(EBPR)的好氧段旁邊放置膜組件，無論采用前置反硝化方式還是后置反硝化方式，都取得了令人滿意的除磷效果，在SRT為25d的情況下，依然取得了對TP97%以上的去除率，后置反硝化在運(yùn)行良好時同樣曾經(jīng)獲得了很好的TP和TN的去除效果.TP平均去除率為99%，TN平均去除率為94%。唐艷等采用SBMBR強(qiáng)化除磷效果，在全泥齡運(yùn)行模式下.TP的去除率達(dá)到96.4%，其中進(jìn)水COD與TP的質(zhì)量比是該工藝的強(qiáng)化除磷的關(guān)鍵因素。何圣兵利用厭氧反應(yīng)器與MBR組合工藝用于處理生活污水.研究表明，在低有機(jī)負(fù)荷的條件下，污泥釋磷的速率隨有機(jī)負(fù)荷的升高而增加，但當(dāng)有機(jī)負(fù)荷超過一臨界數(shù)值0.12g[SCOD]/g[MISS]后，有機(jī)負(fù)荷不再是限制釋磷菌厭氧釋磷的限制性因素.該工藝對COD和TP的去除率分別是92.50%和84.25%。李紹峰等研究證實(shí)存在反硝化聚磷菌.且反硝化除磷的效率在40%80%，還指出高濃度硝酸鹽存在不利于厭氧釋磷或好氧吸磷。肖景霓等在SBMBR工藝中對以硝酸鹽作為電子受體的反硝化聚磷菌的富集進(jìn)行研究，證明經(jīng)過厭氧一好氧和厭氧一缺氧一好氧2個階段的富集，反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的比例從l9.4%上升到69.6%，每周期缺氧段投加硝酸鹽氮120mg時，SBMBR系統(tǒng)運(yùn)行最為穩(wěn)定.缺氧段脫氮和除磷效率分別達(dá)到100%和84%.膜出水總磷的質(zhì)量濃度平均低于0.5mg/L，系統(tǒng)除磷率達(dá)到96.1%。張冰等E38]提出了一種改進(jìn)型A2/O脫氮除磷工藝(MAAO)。通過工藝試驗(yàn)和活性污泥2D模型對其進(jìn)行運(yùn)行和設(shè)計(jì)優(yōu)化。結(jié)果表明.脫氮除磷效果均較好，可分別達(dá)到70%和9O%以上。基于試驗(yàn)結(jié)果建立的MAAO工藝數(shù)學(xué)模型仿真效果良好，可對各單元組合進(jìn)行優(yōu)化。

目前除磷機(jī)理還不很清楚.因此膜生物反應(yīng)器除磷工藝中的一些現(xiàn)象還沒有得到圓滿的解釋。比如，在A/O形式的MBR中.好氧池回流污泥攜帶的硝酸鹽是不利于厭氧環(huán)境的形成.但Ueda等的研究中，A/O工藝仍取得了74%的磷的去除。KubinK等的研究中。一體式MBR對磷有4O%的去除，通過質(zhì)量衡算發(fā)現(xiàn)，如果微生物對磷的合成利用是唯一機(jī)制的話，那么生物質(zhì)組成的20%應(yīng)該是磷。因此，除磷機(jī)理的探討對MBR除磷工藝的開發(fā)有重要意義。具體參見http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

2膜生物反應(yīng)器脫氮除磷技術(shù)的發(fā)展方向

MBR以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在廢水需要回用和占地有限制的場合具有獨(dú)到的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)工藝相比。膜生物反應(yīng)器脫氮除磷工藝還不成熟。需要在工藝設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)性能的提高、系統(tǒng)穩(wěn)定性及較廣泛的適用性、降低系統(tǒng)造價及運(yùn)行費(fèi)用等方面做進(jìn)一步的研究，才有望得到實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用膜技術(shù)對傳統(tǒng)活性污泥污水處理廠進(jìn)行改建是一種結(jié)合現(xiàn)有設(shè)施與新工藝的較為經(jīng)濟(jì)的方法，可增加原有系統(tǒng)的處理能力并提高對有機(jī)物及氮磷的去除。目前MBR脫氮除磷的技術(shù)總體來說還不是很完善.工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不太多.很多研究成果還只停留在實(shí)驗(yàn)室階段。MBR處理目標(biāo)一般是回用水標(biāo)準(zhǔn)，但單獨(dú)依靠生物法還是難以穩(wěn)定達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)，生物脫氮除磷的效果一直都不是很好.在這方面將來研究的重點(diǎn)主要是以下幾點(diǎn)：

(1)研究膜反應(yīng)器內(nèi)自然形成的降解有機(jī)物和脫氮除磷的優(yōu)勢菌，有助于根據(jù)不同處理要求篩選出高效而穩(wěn)定的專性脫氮除磷菌種，從而研究出新型的高效脫氮除磷工藝。

(2)新型MBR脫氮除磷工藝和相關(guān)研究成果的示范工程及推廣。目前的MBR工藝基本上都是基于傳統(tǒng)的污水處理工藝上加膜而形成的MBR，應(yīng)結(jié)合膜生物反應(yīng)器的特點(diǎn).引入多相分離器將反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)有機(jī)結(jié)合.開發(fā)一體化間歇曝氣膜生物反應(yīng)器(IMBR)并用于污水深度處理.以期達(dá)到直接回用的目的。

(3)MBR脫氮除磷工藝是一種新型的脫氮除磷工藝，但與傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝相比，MBR脫氮除磷工藝的研究還不是很成熟。很難同時達(dá)到脫氮除磷最佳狀態(tài).在工藝設(shè)計(jì)上沒有系統(tǒng)的方法。而反硝化除磷菌則可以很好地解決脫氮除磷效率難以同時達(dá)到的矛盾。但是這方面的研究還不成熟，需要在工藝設(shè)計(jì)、系統(tǒng)性能的提高以及運(yùn)行穩(wěn)定性等方面做進(jìn)一步的研究.才能在實(shí)際中廣泛應(yīng)用。

(4)由生物脫氮除磷機(jī)理可知，生物脫氮除磷均需要缺(厭)氧、好氧相交替的環(huán)境。盡管由于膜的高效泥水分離作用，好氧式MBR內(nèi)的污泥濃度一般較高，在一定的曝氣條件下，也可以使菌膠團(tuán)形成表面好氧、內(nèi)部缺氧甚至厭氧的微環(huán)境，但是提供的缺(厭)氧環(huán)境不充分，而如果采用間歇曝氣的工作方式，就能使得MBR在單一反應(yīng)器內(nèi)具備高效的氮、磷去除能力成為可能。因此，開發(fā)好氧和間歇運(yùn)行的工藝尤為重要。