水资源短缺是21世纪人类面临的最为严重的资源问题目前

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第一章 综述

1.1 引言

水资源短缺是21世纪人类面临的最为严重的资源问题。目前全世界只有1／4人群饮用到合乎标准的清水，1／3的人口得不到安全用水，而且缺水的形势日趋严峻。我国人口占世界的22％，淡水资源只有世界的7％，人均供水量只有世界人均占有量的1／4。据统计，我国每年因缺水造成的粮食减产达50多亿公斤，因缺水造成的经济损失达1200亿元，水资源的短缺严重地制约着经济的发展速度。因此，解决水资源不足，开辟第二水资源——污水回用，是21世纪解决水资源危机的最有效途径。

活性污泥法一直以来都是处理生活污水的主要手段。但由于活性污泥法是采用重力式沉降池来使处理后的出水和污泥分离，由此带来了以下几个方面的问题：[2]

①由于沉淀池固、液分离效率不高，曝气池内的污泥难以维持到较高浓度，致使处理装置容积负荷低，占地面积大；

②处理的出水水质较差，且不稳定，不利于水资源的再利用； ③传氧效率低，能耗高； ④剩余污泥量大； ⑤管理操作复杂。

在这种背景和需求下，各种新型高效的废水生物处理技术应运而生，而其中最为引人瞩目的是膜生物反应器技术。

膜生物反应器技术，是用膜取代活性污泥法中的二沉池而得到的一种新方法。与传统活性污泥法相比,膜生物反应器具有如下优点:固液分离效率高,设备简单,易实现自动化控制,不需二沉池,耐冲击负荷好,污泥产量少,出水水质好等。传统的活性污泥法由于难以在曝气池内维持较高的生物量，故其生物处理能力较低；二沉池中单靠重力分离水中的胶体及微细颗粒难以达到出水水质要求；活性污泥法中污泥膨胀、上浮等问题也会影响整个工艺的正常进行；另外

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活性污泥系统以世代较短的异养菌为主，主要去除易降解有机物，对难降解有机物缺乏处理能力，对氮、磷等无机营养物质的去除率也很低。目前各种活性污泥法都不可避免要排剩余污泥，并且污泥的处理技术和费用历来是污水处理厂的难题。膜生物反应器技术就是针对以上问题对活性污泥法进行改进而得到的一种膜分离与生物处理相结合的方法。

膜生物反应器MBR（Membrane Bio-reactor ）是一种正在发展的水处理再生技术。该技术是一种将传统的生物处理工艺与膜分离技术相结合的新型污水处理技术。

膜分离技术是指用天然的或人工合成的膜材料，以外界能量或化学位差等为推动力，对溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法[3]，一般认为，不宜单纯使用膜分离技术处理污水（含油污水例外），因为污水成分复杂，很有可能造成膜污染，难以保证工艺的稳定运行。然而，在膜生物反应器中，大多数溶解性污染物都可以转化为易于过滤的微生物，通过超滤膜或微滤膜组件几乎以一种强制的机械拦截作用将来自生物反应器的混合液中的固液进行分离。这里的膜不是用来滤除和获得污染物，而是用来保留生物反应器中的微生物的。该组合工艺除了可以减轻膜污染外，还由于它完全保留了反应器内微生物并改善了活性污泥系统的性能，进而提高了污水的处理效果和出水水质。

1.2 膜生物反应器（MBR）

1.2.1 膜－SBR生物反应器发展状况

20世纪60年代美国Smith等学者利用膜将活性污泥从出水中截留回生物反应器的曝气池，提出具有减少活性污泥产量，能保持较高的污泥浓度，减少污水厂占地等优点的MBR工艺。20世纪70年代初，密歇根州Ann Arbor的Thetford Systems公司开发了一种简单的膜生物反应器系统Cycle-Let，用于处理和回用来自商业区的冲洗水。80年代，一体式MBR首先出现在日本。

1.2.2 膜－SBR生物反应器工作原理

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膜生物反应器(MBR)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的分离出反应产物并截留催化剂而进行连续反应的装置。它最早使用于生物化工行业中的连续发酵工艺。但自从美国的Smith于1969年创造性地把MBR引进到废水处理中以来,世界上又开发出各种各样的MBR法,用在城市生活污水和可生物处理的工业废水处理工艺中,既克服了传统活性污泥法本身的一些不可避免的弊病,同时又具有膜分离占地少、高效和操作方便的优点。

MBR法处理废水技术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一种新型的污水处理工艺,其中活性污泥法已经发展得较成熟,应用也很广泛;超滤膜分离技术在化工、生物、医药等行业的研究和应用较多,在含油废水以及给水深度处理中作为反渗透的预处理也有应用。可以说,两种技术各自都已有了相当的发展,这无疑为MBR法处理废水的研究提供了坚实的基础和方便。

本文采用膜生物反应器处理生活污水，利用膜组件进行固液分离，膜组件代替了传统生物处理系统中的二沉池，处理装置简单紧凑，占地面积小，出水清澈、透明、无臭味、色度浊度极微，可直接作为中水回用。

1.2.3 MBR活性污泥法工艺特点

在MBR工艺中有机污染物的最终去除仍是微生物细胞的新陈代谢作用,只是超滤膜高效的固液分离强化了这种生物处理作用,与常规的活性污泥法相比较,既克服了常规法不可避免的弊病,又具有一系列无可比拟的优点。

⑴ 分离效率高。超滤膜的孔径一般0.1μｍ左右,截留相对分子质量一般为200～2000,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,使得污水处理构筑物结构紧凑,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,优于传统法中二沉池的自由重力沉降作用,不会因为污泥膨胀现象而导致出水超标或恶化。其出水水质相对稳定,波动小,优于国家二级排放标准,甚至可达到建设部生活杂用水水质标准；而且出水中悬浮物浓度低,浊度几乎为零,适于作清洁水、园艺用

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水等多种用途的回用水。当然,具体的出水水质与所用膜的膜孔径尺寸有直接的关系,膜孔径偏小的,出水水质会更好。

⑵ 活性污泥浓度高。由于超滤膜对混合液的高效分离,活性污泥几乎没有流失,使得曝气中的活性污泥浓度(MLSS)得到很大提高,可达10～20g/L(好氧型),比传统的MLSS浓度高出近10倍左右,这无疑会产生两个方面的优势:①容积负荷率高。COD负荷一般为4～5kg/(ｍ3·d)。在池容相同的情况下,MLSS越高就意味着单位体积混合液中含有微生物细胞的数目会更多,因而对有机污染物的去除能力会更强,世代时间长的硝化细菌,随着时间的推移会在曝气池中不断积累增多,使得MBR法具有较好的脱氮能力。同时高MLSS浓度对进水波动的抗冲击性能更好,使得较难生物降解的污染物质最终得到充分的降解,甚至可象氧化沟工艺一样,省去初沉池,使MBR工艺的占地小。在相同的进水条件下,若提高容积负荷率,则可缩减曝气池的体积,从而使处理设备和构筑物小型化,达到高效和精小的目的。②污泥负荷率低。在污泥浓度高而进水水质低的情况下,即F/M(营养和微生物比率)低,当这个比率保持在某一低值时,活性污泥就会处于一个因生殖而增长和因内源呼吸而消耗的动态平衡之中,达到这个理论平衡时,活性污泥增长为零,即不会有剩余污泥产生。把以微生物维持自身生命的营养物质合成的人工废水放在MBR中进行处理研究,发现污泥负荷率(以干污泥计)低到0.043kgCOD/(kg·d)(约为常规污泥负荷率1/10) 时,将不会产生剩余污泥,同时指出,为了排除MBR中惰性或有毒物质的积累,适当降低曝气能耗和运行成本,应考虑适当排放一些污泥,即是选择一个最佳活性污泥浓度。这一研究成果对解决常规处理中剩余污泥的问题具有重大的实际意义。

1.2.4 膜—SBR生物反应器的循环过程

膜—SBR工艺运行过程包括进水、搅拌、曝气、停曝搅拌以及曝气和排水5个阶段并组成其运行的一个周期 ① 进水工序

进水工序是反应池接纳污水的过程。在污水开始流入以前是前个周期的排水或待机状态，反应池内剩有高浓度的活性污泥混合液，这相当于传统活性污泥法中污泥回流的作用，此时反应器内水位最低。在进水过程所确定的时间内

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或者到达最高水位之前，反应池的排水系统一直都是处在关闭状态。

膜－SBR工艺的进水过程为单纯注水缓慢搅拌。在污水流入的过程中，不仅仅水位上升，而且还进行生化反应，如聚磷菌进行厌氧反应放磷和反硝化菌脱氮等。具体来说是这样的：在进水过程中反应池内活性污泥混合液处于缺氧过渡到厌氧状态，混合液污泥浓度逐渐降低，虽然进水过程中基质也会缓慢降解，但速度很慢，基质将不断积累，反硝化细菌则会利用水中有机物为碳源，通过反硝化作用可以去除部分NO3 --N，将其还原为N2。聚磷菌在厌氧条件下释放磷，当进水结束时其易生物降解基质浓度值更高，则兼性厌氧细菌将易生物降解基质浓度转化为低分子脂肪酸的转化速率更大，其诱导聚磷菌的释磷速率就更高，释磷量就更大，聚磷菌好氧条件下摄磷量更高，除磷效率提高。

另外进水时缓慢搅拌可提前进入厌氧状态，利于释磷，并缩短厌氧反应时间。

由于进水工序仅流入污水，而不排放处理水，因此理论上不需要设置调节池，反应池即起到调节池的作用，因此可以不像连续进水连续出水的传统活性污泥法那样易受负荷变动的影响，在运行中即使是有水量与水质的变化，对处理水质的影响也不大。 ② 搅拌工序

在废水流入反应池中达到预定容积后，停止进水，继续进行缓慢搅拌，反应池内活性污泥混合液处于厌氧状态，进一步脱氮除磷。 ③ 曝气工序

该阶段内停止搅拌，对反应池内活性污泥混合液进行曝气，使之处于好氧状态。该阶段将完成BOD的降解，并进行硝化反应以脱氮以及摄磷。曝气量应满足BOD降解和硝化需氧以及聚磷菌摄磷过程的高氧环境。由于聚磷菌的好氧摄磷速率低于硝化速率，因此，以摄磷来考虑曝气时间较合适，但不宜过长，否则聚磷菌内源呼吸使自身衰减死亡和溶解，导致磷的释放。 ④ 停曝搅拌工序

该阶段内停止曝气，只进行混合搅拌，反硝化细菌进行硝化脱氮。属缺氧反应。由于经曝气阶段之后有机物已被耗尽，反硝化细菌只能进行内源反硝化，既利用细胞内储存的有机物作为电子供体进行反硝化，在进水期活性污泥也会

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