关于膜生物反应器MBR改进的构想

膜生物反应器MBR以其优良稳定的出水水质和优越的抗冲击能力脱颖而出，成为当前的水处理领域中备受青睐的主要处理工艺之一。它在一些场合的优异表现，也带给人们很多的遐想。随着人们对环境保护要求的提高和对水资源回用的迫切需要，膜生物反应器以它那难以取代的优越性将成为越来越多地为人们所采用的工艺。
随着膜生物反应器实际应用的增加，全球的MBR显现出了一些共同的技术问题。主要包括：1. 浸没式MBR组件拆装复杂，维护和修补困难，并需昂贵的附属设备配置（如大型吊装设备、水下不锈钢支架、令人头痛的连接管等等）；2. 无法有效地清洗膜组件使MBR系统难以维持高负荷和高通量；3. 系统成本昂贵，膜组件寿命短需频繁更换也导致运行成本很高；4. 能耗高，无法与其它处理系统竞争；5. 维持高浓度活性污泥是MBR系统优越性的体现，但因无法有效供氧而难以应用。

根据使用MBR的经验和教训，提出以下的MBR系统改造方案。

一、 对膜组件的改造：
膜组件是MBR工艺技术的核心，所以，对膜组件的改造亦应是系统改进中优先考虑的问题。对此，我提出以下几个观点：
（一） 由于成本原因，目前有机材料制成的膜仍然占有优势。根据我的调查和实际使用经验，利用盐酸、氢氧化钠和次氯酸钠进行膜清洗，不但经济有效，而且对环境影响很小。因此，膜生物反应器选用的膜材料应能有效地耐受5%氢氧化钠、次氯酸钠溶液及1%盐酸溶液的数日浸泡和1% 次氯酸钠药液的日常清洗，如聚偏氟乙烯、聚醚砜等材料。目前市场上的聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等低成本材料，用于化学清洗少，更换勤的给水或循环水中的微滤或超滤尚可，还不太适合MBR的应用场合。
（二） 在膜的使用形式上，我认为中空纤维膜表面积大，实际使用中证明其强度也能够满足使用要求，而且其抖动方便利于清洗，应是首选采用的形式。
（三） 在实际运用中发现，预防膜的污染比考虑有效的化学清洗重要得多。如果采用每天进行定时气水反洗和0.5~1%次氯酸钠30分钟清洗的步骤，膜的通量可望长期保持。但每天只用定时气水反洗或间歇运行（如运行9分钟，间歇1分钟），在中低污泥浓度的生活污水处理系统中MBR尚可维持运行（在污泥浓度不高的情况下，生活污水和医院污水等经过生化后对膜的污染程度很低，有些场合可考虑不采用每日化学清洗），而在工业污水或高浓度活性污泥状况下这种运行方式却容易发生膜污染。我在实践中的观察发现，污染的时间越长，化学清洗效果越差。不彻底的化学清洗非但不能基本恢复膜通量，而且有导致膜污染更难去除的倾向。在膜组件的设计和应用中，应根据它们的特性考虑清洗方案。因此，我认为：坚持定时的气水反洗和每日的小化学清洗来保持膜清洁对保持膜通量是至关重要的。清洗后的次氯酸钠药液可直接混入曝气池。
（四） 在膜的制造工艺方面，采用干式熔融拉伸法拉制的均相中空纤维膜（如日本旭化成的膜）的强度很高，耐化学腐蚀能力强，但容易产生污染，污染后不易清洗；而采用湿式的相转变法制成的异相中空纤维膜（如天津膜天的膜）强度远小于前者，耐化学腐蚀能力亦不如前者，但抗膜污染能力高于前者，目前造价也较低，现在也有应用这种膜于医院污水MBR处理，在不需经常的化学清洗的情况下，数年未更换膜的记录。在膜材料方面，聚醚砜显示其抗化学腐蚀能力更强一些，而聚偏氟乙烯的柔软性更利于清洗。两者制造成本接近，还未能显示出谁更占有优势。
（五） 现在在市场上应用的浸没式MBR普遍存在以下问题：
 结构复杂：需要大量不锈钢支架和大型吊车。有些系统为了节约成本，将膜组件连接部置于水下，但当其维修时，整个系统需停止运行。
 清洗困难：浸没式MBR很难对单一组件进行有效的清洗。膜污染后，要吊出进行化学清洗，不但过程复杂，而且安全性差。
 布气不均匀：膜组件中部和四周由于水利条件的不同，会引起清洗气泡在上升过程中向膜组件四周的溢散，导致膜组件外围清洁，而中部积泥或污染。加装导流板虽有一些改善，但增加成本，也使系统的维护更加困难。
 膜丝破损难以发现和修补：浸没式MBR的膜丝损坏较难监测，通常是到出水浊度变化较大时才发现问题。此时需要将膜组件吊出检查，断丝发生在接近根部时，封堵较为困难。
基于以上这些难以解决的问题，我认为采用外置式膜组件更合理。虽然内压式（滤液从膜丝内侧向外流出方式）膜表面有易清洗的优点，但我认为，在作为MBR模式的使用情况下，由于需要较大流速推动污泥和维持膜壁清洁，会使膜丝入口处由于与水流摩擦产生的静电吸附效应而频繁发生阻塞。为减轻它的负面影响，只好以加大膜丝内径，牺牲膜过滤面积为代价。由于一般需要数倍于滤过液的混合液流量经过膜组件，无论从能耗、流态或过滤面积诸方面考虑，我都认为外压式膜组件更合理。因此，我认为MBR系统使用外置式外压型膜组件是适宜的。
（六） 借鉴于柱式膜组件在膜清洗方面的优越性，我构思了矩形箱式MBR膜组件（见图）。膜丝一排排地顺序排列，膜丝底部弯成U形，U形中心加一固定杆或曝气管使膜丝即能自由运动，又不会互相缠绕。该种方式不但防止了根部积泥，也使膜丝的抖动更佳。箱式设计促使气水定向运动，避免了气流、水流分布不均的现象。膜丝的上端设计成倒U形小凹槽，这样不仅可以减少膜丝根部污染，也可使污泥顺利地导流出组件。组件的顶部是滤过液腔，箱顶设有手孔，可在发生断丝时，用气吹观察断丝部位和用不锈钢钉封堵。由于系统是由一个个独立的组件单元构成，所以可在不影响整个MBR系统工作的情况下做组件单独清洗、化学清洗和维修。这种组件形式亦使每日进行有效的药剂清洗成为可能。另外，这个系统排列在池外，不需大量不锈钢支架和复杂管道，亦无须建造大型吊车移动膜组件。

二、对MBR系统的改造：

（一） 人们一般对外置式膜组件的主要疑虑是它的能耗高，为此我设计了以下方案用以节能： （参见论文全文）
（二） 采用富氧曝气方法解决MBR供氧问题。
采用空气曝气时，氧的分压只有21%, 在30℃水温条件下，其在清水中的饱和溶解氧值只有7.6 mg/L, 氧的溶解推动力不大，在污水中，特别是在高污泥浓度的情况下，由于饱和溶解氧值更低，氧就更难溶入水中。为得到需要的溶解氧量不得不加大曝气量，对于不同的生活污水和工业污水，目前使用的MBR系统去除每一公斤的化学需氧量（COD）, 所使用的空气曝气总量在50～100立方米之间，不仅极耗能，而且使活性污泥大量破碎，导致泥水分离困难，膜污染加速。
由于富氧（含氧70～95%）生产技术的迅速发展，现在采用的变压吸附空分制氧技术或真空变压吸附空分制氧技术,现场生产1立方米93%纯度的氧气只需约0.45千瓦时的电耗，因此利用此技术生产的氧气以富氧曝气形式用于膜生物反应器系统中有其特别的优越性。
以90%氧纯度计算，根据氧分压和亨利定律可以推出：在相同条件下，90%富氧与空气相比，在水中的饱和溶解氧值增加约3.3倍, 在30℃水温条件下，其在清水中的饱和溶解氧值可达32.7 mg/L。如果实际要求达到溶解氧浓度3 mg/L,则空气曝气时氧亏值(氧饱和浓度和实际达到的溶解氧浓度之差)为4.6 mg/L,而富氧曝气时氧亏值高达 29.7mg/L。显然，富氧曝气时溶解氧的增长推动力是空气曝气时的29.7/4.6≈6.5倍。因此，运用富氧曝气可有效地解决膜生物反应器维持高污泥浓度时的供氧问题。根据试运行的结果，该方法氧的利用率一般达80～90%。以80%计，并考虑一倍的余量，在去除每公斤化学需氧量（COD）提供1公斤氧的条件下，向水中的富氧曝气量亦只有：0.8x2/1.33 = 1.2 m3富氧气/kgCOD
由于富氧曝气只相当于空气曝气量的1～2%，所以不会破坏活性污泥絮体，从而可改善污泥沉淀性状，减轻了胞外聚合物及微细污泥颗粒对膜造成的污染。
（三）我在实践中并未发现每日进行的30分钟低浓度次氯酸钠清洗会造成对聚偏氟乙烯膜和聚醚砜膜的伤害，而这种清洗却可大大减少甚至避免使用1%~5%的酸碱及次氯酸钠的化学清洗。这种日常清洗方式已经证明在某些污水处理系统中可长期保持良好的通量和过膜压差，但其是否能在各类污水中抵御膜污染尚待实践考验。我所设计的膜组件是按这种每日清洗的运行方式考虑的。由此延长膜组件的使用寿命，便可有效地降低MBR的应用成本。
这种系统维持每日清洗所需的药剂量也很少，以10000立方米/日的系统来说，使用0.5~1%浓度的次氯酸钠溶液进行清洗，每日仅需要市售10~12%的次氯酸钠溶液1~1.5立方米。将其混入污水中对出水水质和活性污泥并无大的影响。