顧 平， 姜立群， 楊造燕
（天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 天津 300072）

　　 摘要：采用國產(chǎn)中空纖維膜研究了膜生物反應(yīng)器（MBR）處理生活污水。試驗(yàn)結(jié)果表明：MBR工藝出水懸浮物為零，細(xì)菌總數(shù)優(yōu)于飲用水標(biāo)準(zhǔn)，COD和氨氮去除率高于95%，出水可以直接回用。對MBR工藝進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)分析表明：與傳統(tǒng)的三級處理相比，MBR工藝的基建費(fèi)用低，但運(yùn)行費(fèi)用較高(目前MBR工藝的電耗為1.0kW·h/m³)。?
　　關(guān)鍵詞：生活污水； 中空膜生物床； 出水水質(zhì)； 經(jīng)濟(jì)分析?
　　中圖分類號： X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2000)03-0005-04

Pilot-Scale Study on Treatment of Domestic Wastewater with Membrane Bio reactor (MBR) Process

GU Ping, JIANG Li?qun, YANG Zao yan?
(School of Construction Eng., Tianjin Univ., Tianjin 30007 2, China)?

　　Abstract： A study on treatment of domestic wastewater with membrane bioreac tor (MBR) process was carried out using domestic hollow fiber membrane. The resu lts showed that suspended solids in MBR effluent was zero; the total count of ba cteria was lower than the requirement of drinking water standard; the removals of COD and ammonia were higher than 95%. The effluent could be reused directl y. E conomic analysis on MBR process indicated that the construction cost of MBR proc ess was lower than that of traditional tertiary process, but the operation cos t was higher due to the cost of membrane and the power consumption of MBR ( 1.0 kW·h/m³). ?
　　Keywords: domestic wastewater; MBR; effluent quality; economic analysis

　　膜生物反應(yīng)器是將膜分離技術(shù)和生物處理技術(shù)直接相結(jié)合，幾乎能將所有的微生物截留在生物反應(yīng)器中，這使反應(yīng)器中的生物污泥濃度極高，理論上污泥泥齡可以無限長，使出水的有機(jī)污染物含量降到最低，極有效地去除氨氮，對難降解的工業(yè)廢水也非常有效。膜過濾作用使出水清澈透明，無懸浮物，可直接回用。尤其是將中空纖維膜直接淹沒在生物反應(yīng)器水下而構(gòu)成的淹沒式中空膜生物床，能耗較低、體積較小、構(gòu)造簡單、運(yùn)行方便。一體化的中空膜生物床可取代混凝、沉淀、過濾、吸附、消毒等多項處理工藝，同樣獲得高質(zhì)量出水水質(zhì)，因此它的研究更受重視。
　　膜生物反應(yīng)器的開發(fā)除了涉及生物處理理論和膜過濾理論問題外，真正能開發(fā)成產(chǎn)品的關(guān)鍵 是如何克服膜的污染和堵塞，使膜能長時間維持較大的通量，即在保持正常通量的情況下，盡量能延長膜的壽命；同時要降低曝氣量，以減少工藝的電力消耗^［1］。
本研究擬檢驗(yàn)國產(chǎn)膜的可應(yīng)用性，同時省去傳統(tǒng)的出水抽吸泵^［2］，采用位差驅(qū)動出水，省去復(fù)雜的氣或水反沖洗設(shè)備，低水頭間斷工作，盡量降低曝氣量和動力消耗，以使開發(fā)的設(shè)備盡快投入實(shí)際應(yīng)用。

1 試驗(yàn)方法和材料

1.1 中試設(shè)備
　　設(shè)備如圖1所示。反應(yīng)器為聚氯乙烯塑料制造，矩形截面柱體(截面積為0.3m²)，有效水深H=3.6～3.9 m，有效容積V=1.08～1.17m³(浮球閥液位控制器控制反應(yīng)器的最高和最低水位，高低水位差為0.3m)，反應(yīng)器內(nèi)置6只中空纖維膜膜組件。膜出水靠水位差驅(qū)動，集水管統(tǒng)一收集出水，出水流量由流量計調(diào)節(jié)控制。?

1.2 中空纖維膜組件和裝置的運(yùn)行 ?
　　試驗(yàn)中采用的中空纖維膜組件及其特性如表1所示。 表1　　試驗(yàn)中采用的中空纖維膜組件 膜材質(zhì) 膜孔直徑（μm) 組件表面積（m²） 制造商 聚偏氟乙烯（PVDF） 0.22 2.0 天津紡織工學(xué)院

　　中空膜生物床處理生活污水試驗(yàn)在1998年6月至1998年11月期間共采集數(shù)據(jù)約150d。設(shè)計出水流量200 L/h，采用間歇運(yùn)行方式，運(yùn)行期間無反洗，無人工及化學(xué)藥劑清洗。原水采用人工配制模擬生活污水(見表2)。 表2 人工配水的組成 mg/L 成分 C CO（NH₃） KH2PO₄ CaCl₂ MgCl₂ CuSO₄ 濃度 300 22.5 7.32 0.8 1.0 0.002

　　 試驗(yàn)裝置運(yùn)行的其他條件：?
　?、?曝氣紊流：運(yùn)行出水期間曝氣氣水比35∶1。
　?、? 低壓出水：出水流量采用閥門、流量計控制恒定，人為降低了出水水頭。
　?、?間歇運(yùn)行：7min出水，3min停止出水空曝。
1.3 水質(zhì)分析方法
　　COD分析采用重鉻酸鉀法，氨氮分析采用納氏試劑比色法，溶解氧分析采用JPB-607便攜式溶解氧分析儀，pH值分析采用PHS-2C精密級酸度計，濁度分析采用GDS-3B光電濁度計，細(xì)菌分析采用平板計數(shù)法。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 中空纖維膜的透水特性
　　為了解國產(chǎn)膜的透水特性，用清水研究了出水水位差與膜出水量間的關(guān)系。在清水試驗(yàn)中，出水水位差與膜通量間呈直線關(guān)系，直線的斜率稱為膜的比通量，即單位水位差、單位面積、單位時間的出水量。國產(chǎn)膜與國外膜的比通量比較見表3。從表中可見，該膜比通量較大，但機(jī)械強(qiáng)度較低，易于折斷。 表3 不同來源膜組件的清水試驗(yàn) 膜來源 國產(chǎn)聚偏氟乙烯膜 加拿大膜 日本膜 膜比通量[L/（h.m².m）] 27.28 15.36 12.79

2.2 COD的降解和反應(yīng)器中的MLSS變化
　　運(yùn)行期間進(jìn)水COD的平均值為366.4 mg/L，最大值為780.9 mg/L，最小值為228.0 mg/L。出水COD的平均值為13.1mg/L，最大值為25.2mg/L，最小值為4.4mg/L，COD的平均去除率為96.0%；沖擊負(fù)荷對出水COD去除沒有影響，這說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

　　從運(yùn)行結(jié)果看，國產(chǎn)膜分離性能良好，運(yùn)行過程中無剩余污泥排放，MLSS變化如圖3所示。

2.3 出水細(xì)菌總數(shù)?
　　平板記數(shù)法檢測出水細(xì)菌總數(shù)共三次(前期、中期、后期)，細(xì)菌總數(shù)均＜10個/mL，見表4.試驗(yàn)結(jié)果表明，采用膜生物反應(yīng)器后，出水不需消毒，可直接回用。 表4 不同運(yùn)行時間的細(xì)菌分析結(jié)果 運(yùn)行時間（d） 2 51 106 出水細(xì)菌總數(shù)（個/mL) 8 0 3

2.4 出水濁度
　　出水濁度的分布如表5所示。95%的出水濁度＜1.0NTU。試驗(yàn)中濁度＞1.0NTU的情況都與裝置調(diào)整有關(guān)：重新啟動真空系統(tǒng)或調(diào)整浮球閥等。 表5 出水濁度分布 濁度范圍（NTU） 0 0-1 1-2 ＞2 頻率（%） 69 26 2 3

2.5 膜通量變化與COD沖擊負(fù)荷
　　在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，采用出水控制閥控制出水流量衡定，此時出水流量為200 L/h,折合膜 通量16.7 L/(m²·h)。在出水控制閥全開的情況下，出水流量可以達(dá)到350L/h，折合膜通量29.2L/(m²·h)?？紤]到工作水頭，國產(chǎn)膜的性質(zhì)與加拿大Zenon膜類似，而劣于日本Kubota板式膜^［3］。研究COD沖擊負(fù)荷時，短時間全開閥門，以觀察最大流量的變化，從而了解膜阻力的變化，如圖4所示。?

　　在正常負(fù)荷條件下，最大出水量非常緩慢地下降。從裝置開始運(yùn)行到第83 d，每天平均降低幅度約為0.6 L/d；而當(dāng)沖擊負(fù)荷出現(xiàn)后，最大出水量呈現(xiàn)下降趨勢，大約2d之后，出現(xiàn)大幅度下降，每天平均降低幅度高達(dá)7 L/d；當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷正常之后，最大出水量逐步回升。圖5中給出沖擊負(fù)荷出現(xiàn)之后反應(yīng)器內(nèi)MLSS的變化情況。

　　反應(yīng)器內(nèi)MLSS的變化規(guī)律與最大出水量的降低有類似之處，2d之后開始大幅度增加。當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷正常之后，MLSS又恢復(fù)正常值。?
　　關(guān)于膜通量降低的原因可分析如下：COD沖擊負(fù)荷使反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度迅速增加，微生物進(jìn)入生命活動旺盛的對數(shù)增長期，細(xì)胞繁殖速度加快，MLSS迅速增大說明了這一點(diǎn)。污泥濃度的提高增加了混合液的粘度，從而使液—固分離困難；同時處于對數(shù)增長期的污泥活性 高、有大量細(xì)胞外聚合物存在^［4］，增加了膜過濾阻力，也是膜最大出水量降低的原因。
2.6 氨氮的去除
　　在膜生物反應(yīng)器中，由于污泥泥齡長，而且溶解氧充足，有利于硝化菌生長，因此氨氮去除良好。試驗(yàn)期間內(nèi)，進(jìn)水氨氮濃度為10～20mg/L，其平均值為16mg/L，出水氨氮濃度＜1mg/L，氨氮去除率在97%以上。

3 膜生物反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)分析

　　膜生物反應(yīng)器技術(shù)具有出水水質(zhì)良好、運(yùn)行管理簡單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，是污水回用的適用技術(shù)。本研究對一個規(guī)模為806m³/d居住區(qū)污水回用工程分別采用厭氧→好氧→絮凝→沉淀→過濾→消毒工藝（以下簡稱工藝1）和中空膜生物床工藝（以下簡稱工藝2）進(jìn)行了初步設(shè)計，同時進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析和比較。經(jīng)濟(jì)分析和比較依照有關(guān)手冊進(jìn)行^[5]。就出水水質(zhì)而言，工藝2出水的濁度、SS、COD和NH₃-N優(yōu)于工藝1，但是出水中的NO₃^--N會劣于工藝1。經(jīng)濟(jì)分析比較的主要結(jié)論見表6。 表6 兩種污水處理工藝的經(jīng)濟(jì)比較 比較項目 工藝1 工藝2 主要構(gòu)筑物的基建投資（萬元） 110.68 39.72 主要設(shè)備、材料的基建投資（萬元） 76.60 7.30 總基建投資（萬元） 187.28 47.02 單位處理水量的基建投資[元/（m³.d)] 2325 583 單位處理水量的電力消耗（kW.h/m³) 0.631 0.988 單位處理水量的運(yùn)行費(fèi)用（元/m³） 1.08 1.50 注 *膜的費(fèi)用計入運(yùn)行費(fèi)用 。

　　根據(jù)以上分析可以看出，工藝1的總基建投資是工藝2的2.78倍。由于目前國產(chǎn)膜組件的成本較高且工作壽命較低，更換膜組件的費(fèi)用占了運(yùn)行費(fèi)用的約50%，如果膜組件的費(fèi)用可以減低20%，工藝2的運(yùn)行費(fèi)用與工藝1的基本持平。由于工藝2的基建費(fèi)用低，它的企業(yè)內(nèi)部收益率高于工藝1。?

4 結(jié)論

　?、僦锌漳ど锎蔡幚砑夹g(shù)與傳統(tǒng)的處理工藝比較，取代了二次沉淀池和三級處理工藝，設(shè)備體積小，運(yùn)行管理簡單，膜生物反應(yīng)器出水懸浮物、濁度為零，細(xì)菌總數(shù)優(yōu)于飲用水標(biāo)準(zhǔn)，COD和氨氮的去除率高達(dá)95%以上，出水可以直接回用。
　?、趪a(chǎn)PVDF膜透水性能良好，能夠有效地截留懸浮物以及細(xì)菌，運(yùn)轉(zhuǎn)150d后未見通量顯著降低。在膜生物反應(yīng)器中透水通量與加拿大的Zenon膜類似，但低于日本Kubota板式膜，此外膜的機(jī)械強(qiáng)度仍需要改進(jìn)。
　?、鄄捎梦徊铗?qū)動出水和低水頭間斷工作，可省去復(fù)雜的氣或水反沖洗設(shè)備，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡單。?
　　④中空膜生物床處理工藝的基建投資低于傳統(tǒng)工藝。但由于膜的造價較高，需要的曝氣量較大，目前運(yùn)行費(fèi)用仍較高。在本試驗(yàn)中，單位處理水量的電力消耗約為1.0kW·h/m³， 進(jìn)一步研究是必要的。

參考文獻(xiàn)：?
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作者簡介：顧平(1955- )，男，江蘇人，天津大學(xué)教授， 碩士，主要從事水污染控制的科研和教學(xué)工作。
電　　話：(022)27890415 27407017?
E-mail:guping@public.tjuc.com.cn
收稿日期：1999-09-13