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膜序批式生物反应器在废水处理中的研究进展 安长生 北京市门头沟区环境监测站，北京 102300 摘要 膜序批式生物反应器是将 SBR 与 MBR 结合， 具有出水水质好， 浊度低， 生物浓度高， 脱氮除磷效果好， 减缓膜污 染等优点。对膜序批式生物反应器的构造， 特点及研究进展进行综述， 并对未来研究前景进行展望。 关键词 膜序批式生物反应器; 膜污染; 颗粒污泥 RESEARCH PROGRESS OF MEMBRANE SEQUENCING BATCH REACTOR APPLIED TO WASTEWATER TREATMENT An Changsheng Beijing Mentougou Environmental Monitoring Station，Beijing 102300，China AbstractThe membrane sequencing batch reactor MSBRis the combination of SBR and the MBR，which features good water quality，low turbidity，high bio-concentration，high removal rate of nitrogen and phosphorus and slow-down of membrane fouling. In this paper，sequencing batch membrane bioreactor structure，characteristics and study history were reviewed，and prospects for future research are also given. Keywordsmembrane sequencing batch reactor MSBR ; membrane fouling; granular sludge 0引言 序批式生物反应器是常规活性污泥法的一种变 型。它介于完全混合类型与理想推流式类型之间， 在 空间上属于完全混合型反应器， 但在运行时间上又符 合理想推流式反应器， 因此， 兼有两者的特点。通过 灵活控制曝气时间和搅拌时间， 利用厌氧 /好氧交替 的特点， 实现对反应器内营养物质的去除。作为生物 脱氮工艺， 由于不需要 A2/O 系统的污泥回流和混合 液回流， 降低了运行费用， 所有反应在同一反应器中 实现， 占地面积小。 膜生物反应器是常规活性污泥法的进一步发展， 它主要由膜组件和生物反应器两部分组成， 大量的微 生物 活性污泥在膜生物反应器内与基质 废水中 的可降解有机物等充分接触， 通过氧化分解作用进 行新陈代谢以维持自身生长繁殖， 同时使有机污染物 降解。膜组件通过机械筛分、 截留等作用对废水和污 泥混合液进行固液分离。 近年来， 将 SBR 与 MBR 结合起来的膜序批式生 物反应器 MSBR ， 使两种运行方式发挥各自长处， 互相弥补了不足， 成为一种极具潜力的处理方法， 逐 渐得到研究及工程人员的关注 ［ 1- 5］。本文对膜序批式 生物反应器的特点及研究现状进行概述。 1膜序批式生物反应器的特点 膜序批式生物反应器是在传统的连续流 MBR 中 进行序批式操作， 实现反应器中的厌 /好氧交替， 促进 脱氮除磷过程。将膜处理过程与序批式生物反应器 结合， 同时促进了二者的发展。 1通过膜组件的高效截流作用使得泥水彻底分 离， 省去了 SBR 的沉淀和静置阶段， 缩短了运行周 期， 在泥水混合的反应阶段同时出水， 使得反应器的 反应时间与运行周期达到了统一。 2膜组件的引入实现了良好的固液分离效果， 出水悬浮固体和浊度接近于零， 可以去除大部分的细 菌和病毒， 弥补了传统 SBR 出水水质在浊度和微生 物含量等方面的不足， 促进了 SBR 在废水回收领域 的进一步利用。 3膜组件有效地将微生物截留在反应器中， 在 曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌 特 别是优势菌群 的出现， 提高了生化反应速率; 通过 控制污泥龄和生物污泥浓度， 能有效处理难降解有机 42 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 物， 抵抗污泥膨胀能力强; 低污泥负荷下运行减少了 剩余污泥产量 理论上可达到零污泥排放 。 4对于膜组件的运行性能方面， 厌、 好氧交替的 运行方式改善了系统污泥特性， 特殊的污泥特性和水 力条件、 DO 分配等方面可以减缓膜污染， 延长膜的 使用寿命。 2膜序批式生物反应器在国内外的研究应用进展 2. 1MSBR 对生活污水及工业废水、 特殊废水的处 理效果 MSBR 出水水质优于传统 SBR， 这在 Lee C H 等 及 Arrojo 等 ［ 6］研究中可以得到证实。白晓英、 张捍民 等 ［ 7］比较了中试规模的好氧式膜生物反应器及膜序 批式生物反应器处理生活污水的效果。结果表明 两 者对 COD 及氨氮的去除效果相当， 且都具有良好的 抗冲击负荷能力， 在去除总氮上， 膜序批式生物反应 器优于好氧式膜生物反应器。通过试验结果说明， 在 有脱氮要求的场合下， 膜序批式生物反应器可优先选 择。高玉兰等 ［ 8］研究了膜序批式生物反应器处理生 活污水。结果表明 在气水比为 35 ∶ 1、 运行周期为 5 175 h时， 系统出水稳定， COD、 氨氮和浊度平均去 除率分别为 89. 18 、 99. 13 、 99. 16 ; 膜自身的平 均去除率分别为 10. 12 、 0. 11 、 91. 5 。膜分离 过程强化了系统处理效果; 膜操作压力 TMP 上升 缓慢， 出水水质优于生活杂用水水质标准， 文章还关 注了膜本身对污染物质的去除情况， 膜本身对氨氮几 乎无截留， 但对 COD 及浊度的强化去污作用显著， 对 系统的稳定运行发挥着重要作用。 利用膜的有效分离作用， 较长的污泥龄， 结合 SBR 实现厌氧 /好氧交替环境， 实现对 COD 及氮的去 除。Bae 等 ［ 9］采取序批式 MBR 运行 110 d， 考察反应 器处理乳品有机废水， BOD 去除率达 97 ～ 98 ， 氮 去除率为 96 ， 磷去除率为 80 。Tsilogeorgisa 等 ［ 10］ 研究处理高浓度城市生活垃圾渗滤液， COD 去除率 为 60 ， TN 去除率为 80 左右。系统由于泥龄很 长， 生物活性较一般活性污泥低， COD 去除效果不理 想， 但取得了非常好的脱氮效果， 实现了理想的硝化 和反硝化， 出水氨氮为零， 硝氮含量也非常低。杨宗 政等 ［ 11］研究了利用好氧序批式 MBR 处理高浓度氨 氮废水， 试验采用好氧膜序批式生物反应器， 考察了 对 NH 4 -N 和 COD 的去除效果、 影响硝化效果的因素 以及混合液中残留 COD 与膜通量的关系， 结果表明 在 HRT 为 4. 7 h、 SRT 为 30 d、 气水比为 100 l、 pH 值 为 7. 0 ～ 8. 0、 进水 COD 平均值为 142. 8 mg/L 的条件 下， 当进水氨氮高达 800 mg/L 时出水氨氮值仍能稳 定在 10 mg/L 以下， 出水 COD 平均值为 31. 3 mg/L。 在处理高浓度氨氮废水时反应器启动时间短， 对氨氮 和 COD 均有很好的去除效果。但是， 较高的氨氮浓 度在一定程度上抑制了有机物的降解， 使得 COD 在 膜反应器内产生一定的积累， 这是导致膜污染的主要 原因。 已有研究表明膜序批式生物反应器具有优越的 脱氮能力， 在水质标准日益严格的条件下， 膜序批式 生物反应器是处理高浓度氨氮废水的有效方法。但 是对于在反应中如何兼顾有机物和营养物质的去除 效果， 减缓膜污染方面还缺乏进一步的研究。 2. 2MSBR 运行特性及膜污染的发生与控制的研究 这一方面的研究主要是讨论如何调控运行方式、 曝气及出水方式等操作条件， 减轻膜污染的发生及保 证 MSBR 的长期稳定运行。Lee C H 等 ［ 12］研究了在 MSBR 的不同阶段连续出水 TMP 的变化情况。研究 认为 DO 浓度对膜过滤性能产生重要的作用， DO 浓 度升高， TMP 变化速率降低， 膜污染小。膜阻力、 污 泥的密实程度及粒子的大小是 DO 的函数。高的 DO 浓度有利于活性污泥粒径的增大， 空隙率的增大， 可 溶有机物减少， 从而控制泥饼层的形成， 减缓膜污染 的发生。Lee C H 等 ［ 12］还进行了 － A/O － 和 － O － 两 种运行方式的 SBR 与膜结合的反应器的运行情况， 对比了两种不同的 MSBR 的溶解氧和微生物分布、 膜 通透情 况 的 异 同。通 过 平 行 运 行， 对 比 试 验 发 现 － A/O － 运行方式下， TMP 的积累更依赖于膜通量和 曝气流速。由于在 － A/O － 运行条件下易形成新的 污泥虚体和颗粒， 导致泥饼层阻力的上升， 该系统的 膜通透能力不如 － O － 方式的 MSBR。以上问题使得 － A/O － 的 MSBR 系统中更易产生不可逆膜污染。 Han 等 ［ 13］考察了 SRT 对膜污染的影响， 在不同 SRT 条件下， COD 去除率在 92 ， 营养物质去除效果较 好， SRT 在 30， 50， 70， 100 d 的临界通量分别为 47， 43， 42， 36 L/ m2h ， 研究认为 SRT 越长， 营养物质 去除效果越弱。Han 等研究结果发现， 长的 SRT 条 件下， 系统对 COD 的去除上没有较大的影响， 去除率 保持在 92 。SRT 在 75 d 以下时， 氮的去除率随 SRT 的增大而增大， 在 100 d 时， 由于污泥生长减慢 及反硝化速率下降， 氮的去除率则下降。长的 SRT 系统临界通量下降， 膜污染速率提高， 需控制膜污染 52 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 的曝气强度增大， 同时在长的 SRT 条件下对磷的去 除率下降。McAdam 等 ［ 14］研究了 MSBR 在临界通量 下运行的情况， 主要是分析了传统的间歇出水方式引 起的水头损失对过滤性能的影响。通过变水头和恒 定水头的两个系统中过滤性能的长短期表现的比较， 分析了系统在低浓度下短时间的次临界通量、 间歇过 滤、 曝气率的影响以及引起的长期运行的膜污染现 象， 发现即使在次临界通量下运行， 膜污染仍然会发 生， 随着出水， 反应器中污泥浓度暂时骤增， 膜污染有 增加的倾向。进 一 步 提 出， 在 低 交 换 比 下 0. 1 ～ 0. 3 ， 有利于膜污染的减轻和脱氮效果的提高。 SBR 反应器由于它特殊的运行方式， 表现出不同 于一般膜生物反应器的膜污染机制和现象， 因此探明 MSBR 膜污染机制和研究如何控制反应过程中的各 运行参数， 优化运行方式是 MSBR 进一步研究的重 点， 也是拓展 MSBR 使用范围和领域的关键步骤。 2. 3好氧颗粒膜生物反应器的研究进展 好氧颗粒污泥是近几年发现的在好氧条件下自 发形成的细胞自身固定化颗粒， 具有良好的沉淀性 能、 较高的生物量和在高容积负荷条件下降解高浓度 有机废水的良好生物活性污泥。目前有关好氧颗粒 污泥反应器的研发工作正在广泛进行， 已有学者利用 序批式反应器对好氧颗粒污泥的形成、 污泥性能及影 响因素等进行了初步研究。 2. 3. 1颗粒污泥膜生物反应器处理一般生活污水的 运行特性研究 Tay 等 ［ 15］研究了一体式膜序批式生物反应器运 行形成颗粒污泥膜生物反应器的运行情况和过滤特 性。序批式好氧反应器运行 40 d， 形成和稳定运行的 颗粒污泥 以 0. 7 mm 左右为主 ， 然后加入膜组件形 成颗粒污泥膜生物反应器， 与平行运行的浸没式膜生 物反应器进行对比研究。通过对比， 颗粒污泥膜生物 反应器表现出了优越的过滤特性， TMP 增加缓慢。 运行 4 个月， TMP 保持 3 ～ 4 kPa， 不需要任何清洗。 陈坚等 ［ 16］进行了利用颗粒污泥膜生物反应器处理生 活废水及膜污染控制的试验研究。结果表明， 颗粒污 泥膜生物反应器运行稳定， 处理效果好， 可以有效的 控制膜污染的发生。文章认为颗粒污泥膜生物反应 器可以作为一种新型有潜力的处理系统， 但要深入了 解它的运行特性还需要更多的研究。 2. 3. 2颗粒污泥膜生物反应器的膜污染问题 颗粒污泥具有良好的沉淀性能、 生物量高等特 点， 使其成为近些年的研究热点， 但浊度及 SS 的去除 率不尽人意， 因此 Thanh 等 ［ 17］研究了在 SBR 之后放 置折板膜生物反应器的复合膜序批式生物反应器的 运行情况。在 SBR 之后连接膜过滤装置， 对颗粒污 泥上清液进一步去除浊度及 SS。试验考察了不同有 机负荷运行下系统运行特性和膜污染发生的状况。 结果表明， 此种复合反应器可以在高负荷下运行， 膜 污染主要有可溶多聚物引起， 随着有机负荷的增加， 上清液可溶多聚物含量上升。周军等 ［ 18］对好氧颗粒 污泥和普通活性污泥在短期运行条件下的膜污染情 况进行了对比分析。结果表明 好氧颗粒污泥对膜污 染的减轻有明显的作用， 在短期运行中膜通量下降缓 慢。通过分析对比还发现， 普通活性污泥引起的膜污 染主要是因为泥饼层污染， 而颗粒污泥引起的膜污染 主要是孔 堵 塞， 说明 颗粒 污 泥 更 易 产 生 不 可 逆 的 污染。 3对于膜序批式生物反应器研究应用的总结与未来 展望 1MSBR 将是一种很有潜力的废水处理和回用 的工艺， 可应用于废水回用， 农业回灌， 高氨氮废水处 理及垃圾渗滤液处理等方面。 2MSBR 可有效地改善传统 MBR 的污泥特性， 如增大污泥粒径及改善絮凝性及调整污泥亲疏水性， 胞外多聚物组成及含量的差异以及絮体表面电荷和 亲疏水性、 胶体稳定性和粒径分布等， 特别是在膜序 批式生物反应器中应用颗粒污泥， 可以有效的减缓膜 污染的发生。从微生物角度， SBR 厌氧 /好氧交替运 行方式及基质梯度、 DO 的梯度变化抑制了丝状菌的 生长， 也是减缓膜污染发生的重要方面。 3尽管目前对于 MSBR 的运行特性和调控特点 已有很多讨论和研究， 但是对于它的运行特点和如何 优化操作条件并没有一个统一的结论， 这一方面是因 为 SBR 工艺本身运行灵活， 可以选择间歇或连续进 出水等多种进出水方式， 可以选择膜出水在不同阶段 以及厌好氧的具体分配等， 因此， 选择最优的运行方 式还需要更多的论证和研究; 另一方面， 膜的污染是 一个复杂的过程， 受膜本身、 污泥特性及操作条件等 多个因素影响， 在 MSBR 中体现出更复杂的现象， 因 此如何调控可以真正达到减缓膜污染的目的尚需要 进一步的研究。 4对于 MSBR 的研究大多仅限于实验室和小型 规模的应用， 如何在大规模应用中实现稳定运行和良 62 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 好的性能， 需要更多的试验和研究。另一方面， 现有 MSBR 的研究多数停留在一般运行特性研究， 只是关 注去除效果和简单的膜过滤性能和污染发生的状态 方面， 缺乏对于这种反应系统内部微生物群落分析、 污染发生状况以及特有的污染机制等方面的研究， 需 要深入挖掘序批式运行方式相对于传统膜生物反应 器的特殊之处， 才能对于 MSBR 的优势有进一步的验 证和研究。 5对于越来越受到关注的颗粒污泥膜生物反应 器， 可以有效减缓膜污染， 但是对于颗粒污泥如何在 膜生物反应器中稳定地长期运行还鲜有报道， 并且如 何应用在实际中还是未知， 这也会随着颗粒污泥领域 的研究有更广泛深入地了解。一些新的研究手段也 将应用到 MSBR 的研究中， 例如 FISH、 DGGE 等生物 技术， 有助于进一步了解 MSBR 内部微生物群落结构 和生物特性， 从而发现 MSBR 与传统处理工艺的微观 特性的差异， 从微生物分布及生长代谢特性等微观角 度分析， 找出其减缓膜污染的机制所在。 总之， MSBR 是一种满足未来废水处理与回用要 求的很有前景的处理工艺， 随着对 MSBR 的不断深入 研究和开发， MSBR 可以应用在更多的行业和领域。 参考文献 ［1 ］ Jorge Lobos，Christelle Wisniewski，Marc Heran，et al. 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