一、概述

生物濾膜反應(yīng)槽系結(jié)合濾膜過濾技術(shù)與生物反應(yīng)槽來處理污染廢水，一般濾膜在生物反應(yīng)槽中主要用途可分為三種，最常見系利用濾膜優(yōu)良固液分離能力，將活性污泥與處理水分離，藉此取代傳統(tǒng)終沉池效用；第二種形式則是利用濾膜來當(dāng)作生物反應(yīng)槽中的無泡式曝氣系統(tǒng)，將氧氣通入濾膜中，作為反應(yīng)槽中氧氣質(zhì)量傳輸之用；第三種則是利用濾膜來萃取廢水中無法被傳統(tǒng)污泥程序所去除的有機(jī)污染物，而剩余污染物再由生物處理程序去除。

MBR 名詞最早出現(xiàn)于1969年文獻(xiàn)中，當(dāng)時(shí)是利用微濾膜當(dāng)作固液分離設(shè)備，以此取代并省下傳統(tǒng)活性污泥法的終沉池所需面積。1970年代濾膜技術(shù)引進(jìn)日本市場，日本學(xué)者Yamamoto首先將中空纖維濾膜結(jié)合于活性污泥系統(tǒng)，利用孔徑為0.1mm 之中空纖維濾膜置入傳統(tǒng)活性污泥好氧槽內(nèi)，再經(jīng)由泵浦直接將處理完成之放流水抽出，結(jié)果顯示經(jīng)處理后之放流水質(zhì)極佳，其COD與TOC去除率分別可達(dá)到95%和97%，60%的氮亦藉由間歇曝氣的脫硝作用去除，因而逐漸引起各界高度重視，紛紛開始著手進(jìn)行相關(guān)研究。到今日，MBR系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于家庭廢水處理、城市廢水處理、紡織廠廢水處理、紙漿廢水處理及面包食品工廠廢水處理等。

自冷戰(zhàn)結(jié)束后，美國及世界各國面臨傳統(tǒng)武器及核子武器過剩、需分解破壞的難題，在這些武器當(dāng)中發(fā)現(xiàn)最常使用的致癌性化學(xué)藥品為RDX（Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine）。根據(jù)研究指出，RDX可以利用堿水解來快速破壞分解，但會(huì)產(chǎn)生含甲酸、乙酸、甲醛、胺及亞硝酸的高污染性廢水。Zoh and Stenstrom嘗試?yán)�用連續(xù)流式缺氧MBR系統(tǒng)來處理人工仿真合成廢水并探討其處理效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明 MBR系統(tǒng)可以有效處理仿真RDX水解后廢水，其COD、NO3--N及NO2--N去除率分別為97%、93.3%及55%，在操作負(fù)荷上最高可達(dá)0.50kg N/kg MLVSS/d與1.82kg COD/kg MLVSS/d（F/M=0.5kg N/kg SS/d）。

二、薄膜單元

近年來在水處理程序上應(yīng)用薄膜已經(jīng)相當(dāng)廣泛，唯須考慮其經(jīng)濟(jì)性。依水回收用途及原水水質(zhì)狀況才能決定采用適當(dāng)?shù)谋∧�。目前主要使用�?A style="TEXT-DECORATION: none" href="http://www.northcarolinalenders.com/">污水處理的薄膜大都為MF與UF。其主要功能是去除污水中的懸浮顆粒、細(xì)菌、病毒、有機(jī)物。若使用RO，則可更進(jìn)一步去除有機(jī)物、氮、磷等物質(zhì)。生物薄膜程序中，一個(gè)重要單元即為薄膜分離單元，故對(duì)薄膜的基本原理與性質(zhì)亦需有正確的了解，茲以薄膜分類與功能、薄膜操作影響因子與應(yīng)用與薄膜使用的限制及缺點(diǎn)等項(xiàng)目分述如下：

1、薄膜的材質(zhì)分類

薄膜程序是利用不同種類的薄膜材料，通過篩濾、滲透或電泳等方式達(dá)到溶質(zhì)分離的效果。一般常用于水及廢水處理之薄膜，其孔徑介于0.0001-2micron之間，分為MF、UF、NF、RO，孔徑最大為MF，最小為RO。由于MF及UF孔徑較大，能截留分子量較大之物質(zhì)，故多使用于工業(yè)廢水處理及二級(jí)處理水再利用。而RO由于孔徑小、成本高，用于海水淡化及家庭用凈水器較多。

依薄膜的材質(zhì)來分，常用的薄膜材質(zhì)有聚酰胺膜醋酸纖膜等。若依處理對(duì)象的性質(zhì)來分，薄膜可以分為親水性與疏水性薄膜，由此可因水樣性質(zhì)不同而選擇適合的薄膜。濾膜材質(zhì)的選擇極為重要，不同材質(zhì)特性會(huì)造成不同的過濾效果，進(jìn)而影響濾膜阻塞與否，對(duì)可以過濾的時(shí)效也會(huì)相對(duì)改變。以日本三菱公司所生產(chǎn)的中空纖維膜而言，采用的材質(zhì)為聚乙烯，其表面經(jīng)過“永久親水性”的處理，因而具有不會(huì)吸附有機(jī)物的特性。由于這些有機(jī)物多半為菌類，大多由蛋白質(zhì)構(gòu)成，且蛋白質(zhì)具有親油性特質(zhì)，因此可減緩濾膜孔徑阻塞的現(xiàn)象。若聚乙烯本身為疏水性材質(zhì)，則會(huì)吸附蛋白質(zhì)、細(xì)菌等有機(jī)物，因此不經(jīng)處理的PE膜在經(jīng)過一段時(shí)間操作后，其過濾通量會(huì)因膜表面阻塞而造成明顯快速的下降，清洗膜的頻率也會(huì)相對(duì)提高。

2、薄膜的應(yīng)用范圍與功能

各種薄膜形式的應(yīng)用范圍與功能見表1，可知薄膜最主要的功能在于過濾機(jī)制。圖1顯示一般在活性污泥槽中污泥的粒徑大小的分布，由圖中可發(fā)現(xiàn)小于0.1µm的顆粒只占總體積分布的0.3%，若采用0.1µm孔徑的中空纖維膜，則濾膜對(duì)懸浮物的去除率可達(dá)99.7%以上。此外若選擇0.4µm孔徑的中空纖維膜，由于當(dāng)污泥濃度高時(shí)污泥會(huì)聚結(jié)，則小于0.4µm的污泥顆粒也會(huì)被去除。因此，不管使用何種孔徑的濾膜皆會(huì)獲得良好的出流水質(zhì)，由此可知將薄膜應(yīng)用于污水中懸浮物的去除有著極佳的功能，當(dāng)選則薄膜孔徑越小時(shí)，薄膜可去除的污染物種類也會(huì)更多。

表1 各式薄膜的區(qū)分

圖1 活性污泥槽中污泥粒徑的分布

三、沉浸式膜反應(yīng)器曝氣系統(tǒng)

Nagaoka指出濾膜單元必須設(shè)置于曝氣系統(tǒng)上方，利用曝氣形成向上流場擾動(dòng)中空纖維濾膜，使曝氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的水剪力能有效去除附著在濾膜孔隙的粒狀物，如此不僅有效提供好氧槽中充足的溶氧，并能有效移除濾膜表面附著物，使過濾時(shí)能保持濾膜穩(wěn)定通量。控制水流產(chǎn)生向上流場需要兩個(gè)重要條件：一是濾膜生物反應(yīng)槽必須有足夠的空間以利水流循環(huán)；二是必須提供充足的空氣，通常曝氣量為100Nm3/m2-hr。沉浸式薄膜在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，設(shè)計(jì)上必須特別注意薄膜在曝氣槽中的配置與打入空氣的流速，不當(dāng)?shù)呐渲门c空氣流速會(huì)造成水流往上流動(dòng)，與再循環(huán)時(shí)流場遭到破壞而失去沖洗膜管表面的情況。此外須山氏等人指出，原水中若含有超過100mg/L的油脂類物質(zhì)，也必須先行去除以避免濾膜堵塞。Huang的研究中指出，薄膜操作在理想狀態(tài)下，流場的線性流速在濾膜表面必須大40cm/s，且須避免生物槽中亂流的發(fā)生。因此在設(shè)計(jì)上，槽體必須在沉浸式膜組單元四周提供足夠的空間以形成向下流場，如圖2所示。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖2 薄膜流場示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，沉浸式膜反應(yīng)器不論是平板式還是中空纖維式，均采用穿孔曝氣器，該形式的曝氣器是在一空氣管上鉆孔，空氣由鼓風(fēng)機(jī)壓送至開孔處流出形成曝氣及攪拌效果。唯其氣泡的粒徑極大，溶氧效率低，故在高濃度的操作條件下，溶氧將形成處理效果的限制條件。因此，川源（中國）機(jī)械有限公司開發(fā)出利用射流式曝氣器為基礎(chǔ)，同時(shí)可進(jìn)行反洗的曝氣系統(tǒng)（見圖3）。

圖3 沉浸式膜反應(yīng)器射流曝氣系統(tǒng)示意圖

用于文托利管原理，提供MBR系統(tǒng)所需的高供氧效率及提供活性污泥攪拌混合之用，同時(shí)可提供高效率膜片的反沖洗系統(tǒng)，以減少膜片堵塞，因而降低膜片的水通量情形。現(xiàn)行的曝氣系統(tǒng)為散氣式曝氣系統(tǒng)，如需高溶氧效率時(shí)，則會(huì)降低對(duì)反應(yīng)槽的攪拌能力，反之亦同。本發(fā)明用于解決MBR系統(tǒng)高供氧及高攪拌能力的需求，射流式曝氣系統(tǒng)的活性污泥相因射流器提供高剪力的環(huán)境，使活性污泥的顆粒較為密致，不易破碎，可防止因高濃度MLSS及高污泥齡造成污泥破碎的情形。同時(shí)可提供一組高速噴流器用于清洗膜片，可降低膜片藥洗頻率，增加系統(tǒng)可靠度。