膜生物反應(yīng)器工藝由生物反應(yīng)器和膜分離組件組成。按照膜組件的設(shè)置位置，可分為分置加壓式和一體抽吸式兩類(lèi)。根據(jù)膜在反應(yīng)器中所起的作用分為分離膜生物反應(yīng)器、萃取膜生物反應(yīng)器和無(wú)泡曝氣膜生物反應(yīng)器。由于一體式膜生物反應(yīng)器具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、耐沖擊負(fù)荷、出水好等優(yōu)點(diǎn)，因此備受關(guān)注。然而，一體式膜生物反應(yīng)器具有其與生俱來(lái)的缺點(diǎn)，比如氧利用率低、膜污染嚴(yán)重、通量下降、需要定期清洗等問(wèn)題，嚴(yán)重妨礙了一體式膜生物反應(yīng)器在工程中的推廣普及，也制約了其處理能力的進(jìn)一步提高。因此，膜生物反應(yīng)器的推廣應(yīng)用關(guān)鍵在于解決膜污染和經(jīng)濟(jì)上是否可行的問(wèn)題。當(dāng)前人們主要從膜的制備、工藝運(yùn)行以及生物處理技術(shù)等方面進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)研究總結(jié)目前防治膜污染、提高氧利用率等方面的措施，從膜生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面對(duì)膜生物反應(yīng)進(jìn)行了改進(jìn)，為膜生物反應(yīng)器的改進(jìn)提供一個(gè)新的途徑。

　　當(dāng)前一體式膜生物反應(yīng)器存在膜污染嚴(yán)重、通量下降的問(wèn)題膜污染是指與膜接觸的料液中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)分子與膜存在物理、化學(xué)作用或機(jī)械作用，在膜面或膜孔內(nèi)吸附、沉積，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜的透過(guò)流量與分離特性下降的現(xiàn)象。

　　膜污染主要來(lái)源于三個(gè)方面。其一是凝膠層，即濾餅，主要是水透過(guò)膜后被截留下來(lái)的部分活性污泥和膠體物質(zhì)，沒(méi)來(lái)得及送走在濾壓差和透過(guò)水流的作用下堆積在膜表面，形成膜面污染，這是一種可逆污染，水力清洗一般可消除。其二是溶解性的有機(jī)物，它可以透過(guò)凝膠層，被膜內(nèi)的微孔表面所吸附或結(jié)晶，堵塞孔道，使膜通量減小。其三是微生物污染，膜面和膜內(nèi)的微孔中存在微生物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因而不可避免地有大量的微生物滋生，劉銳等通過(guò)電鏡對(duì)中空纖維膜的內(nèi)表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)膜內(nèi)的微孔中有大量的絲狀菌、球狀菌和短桿狀菌。

　　反應(yīng)器中污泥濃度大、需要量高，采用傳統(tǒng)的鼓風(fēng)曝氣方式供氧存在氧利用率低、能耗高的問(wèn)題。由于一體式膜生物反應(yīng)器中膜組件的高效截留作用提高了反應(yīng)器中的混合液濃度，將水力停留時(shí)間與污泥停留時(shí)間相分離，大大延長(zhǎng)了污泥齡，使大量弱勢(shì)菌種得以濃縮，從而提高了對(duì)有機(jī)物的降解能力。也正是一體式膜生物反應(yīng)器的特點(diǎn)決定了其需要極大的溶解氧才能滿(mǎn)足反應(yīng)器中眾多微生物的需求。然而，現(xiàn)有膜生物反應(yīng)器由于采用鼓風(fēng)曝氣的大氣泡供氧方式，大部分氣體以氣泡方式進(jìn)入液體隨出水帶出，大大增加了氧的用量和消耗；存在能耗高、氧利用率低的不足，使一體式膜生物反應(yīng)器的好氧處理能力大打折扣。

　　化學(xué)方法清洗膜組件使膜污染、通量下降是當(dāng)前膜生物反應(yīng)器在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的問(wèn)題，清洗膜組件是膜生物反應(yīng)器運(yùn)行周期的一個(gè)必需環(huán)節(jié)。尤其是在采用化學(xué)清洗的過(guò)程中應(yīng)用酸或堿對(duì)膜組件浸泡，不但會(huì)造成膜的損傷，而且還存在化學(xué)清洗廢水的處理問(wèn)題。

　　針對(duì)一體式膜生物反應(yīng)器采用泡式供氧存在能耗高、氧利用率低以及膜污染嚴(yán)重等不足，在總結(jié)目前提高氧氣利用率、防治膜污染、恢復(fù)膜通量的措施的基礎(chǔ)上，對(duì)一體式膜生物反應(yīng)器形成如下改進(jìn)思路：

　　（1）在供氧方式上，借鑒無(wú)泡曝氣膜生物反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，采用無(wú)泡供氧方式來(lái)提高氧的利用率并降低能耗。

　?。?）摒棄能造成二次污染的化學(xué)液處理膜組件的方式，采用環(huán)保的反沖洗方式減緩、防治膜污染防治膜污染并恢復(fù)膜通量。

　　基于以上考慮，把無(wú)泡曝氣原理和反沖洗原理相結(jié)合對(duì)一體式膜生物反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型的一體式膜生物反應(yīng)器。新型膜生物反應(yīng)器由兩組膜組件構(gòu)成，采用氣體反沖洗的方式，反沖洗氣體同時(shí)作為無(wú)泡曝氣的供氧氣體；無(wú)泡供氧氣體也即是反沖洗氣體，在無(wú)泡供氧的同時(shí)，對(duì)膜組件進(jìn)行了反沖洗。二者做到統(tǒng)一的原理是，無(wú)泡曝氣氣體和反沖洗氣體都是在低壓的條件下在膜腔中運(yùn)行的，因此無(wú)泡曝氣氣體和反沖洗氣體可作為同一種氣體成為可能。反沖洗氣體只有在低壓下運(yùn)行才可避免對(duì)膜面（膜孔）的物理?yè)p傷；氣體也只有在低壓條件下運(yùn)行才能保證不會(huì)因氣壓高造成膜損傷而由無(wú)泡變成有泡氣體。對(duì)膜的反沖洗可減緩微細(xì)顆粒和微生物體在膜微孔內(nèi)的吸附和沉積，從而能夠有效地減緩膜污染。改進(jìn)型膜生物反應(yīng)器采用兩組簾式膜組件交替運(yùn)行（交替出水、曝氣）的方式，即一組出水，另一組微曝氣，曝氣氣體同時(shí)作為反沖洗氣體，達(dá)到充氧和反沖洗一氣兩用的目的。這樣在運(yùn)行過(guò)程中始終保持著氧的高效利用，同時(shí)膜組件每隔一段時(shí)間就會(huì)得到反沖洗，因此，膜污染得到延緩、膜通量得以恢復(fù)。

　　新型膜生物反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)

　　1、高溶氧率

　　變大氣泡和小氣泡的供氧方式為無(wú)泡曝氣供氧方式，可極大地提高氧的利用率。在相同供氧條件下，新型一體式膜生物反應(yīng)器比傳統(tǒng)型具有更高的溶氧率。由于新型反應(yīng)器裝置采用了無(wú)泡供氧的方式，在運(yùn)行過(guò)程中，氣體進(jìn)入污水中不產(chǎn)生氣泡，氧直接以分子態(tài)擴(kuò)散進(jìn)入液體，幾乎百分之百被吸收，可以滿(mǎn)足各種需氧要求。其次，中空纖維膜組件與混合液的接觸面積很大，混合液中氧的溶解效率很高，因此該種新型反應(yīng)器的處理效果也會(huì)很好，此結(jié)論已在與傳統(tǒng)型的實(shí)驗(yàn)對(duì)比中得到證實(shí)。

　　2、低能耗

　　新型膜生物反應(yīng)器具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)。新型膜生物反應(yīng)器由于采用了無(wú)泡供氧技術(shù)，供氧壓力低，氧的傳質(zhì)效率高，因此，新型膜生物反應(yīng)器是節(jié)能的。

　　3、小的膜阻力

　　新型一體式膜生物反應(yīng)器比傳統(tǒng)型就有更小的膜阻力。由于兩組膜組件交替出水、反沖洗（曝氣），交替的頻率比一般的一體式膜生物反應(yīng)器的清洗周期要短地多；其次，在一組膜組件（出水的組件）污染程度還不嚴(yán)重時(shí)（這時(shí)的膜污染是可逆的），就開(kāi)始變換為曝氣膜組件（氣體反沖洗），通量恢復(fù)也較為容易。因此，膜阻力要比傳統(tǒng)型要小。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新型的過(guò)濾壓力明顯低于傳統(tǒng)型，說(shuō)明氣體反沖洗是非常有效。

　　4、在延緩、防治膜污染方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

　　新型一體式膜生物反應(yīng)器在延緩、防治膜污染方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該種新型膜生物反應(yīng)器由于反沖洗的頻繁發(fā)生，使得污染物質(zhì)在膜表面的沉積時(shí)間變短，因此，膜污染較輕，膜通量的恢復(fù)也相對(duì)容易。其次，由于膜組件在沖洗過(guò)程中（供氧過(guò)程）膜表面的氧濃度大，膜表面的生物膜始終處在富氧狀態(tài)，因此微生物凝膠層更替、脫落的周期也會(huì)縮短。再次，由于水力和氣體的交替，傳質(zhì)方向的頻繁改變，膜表面、孔徑及膜腔中的污染物質(zhì)容易被沖刷去除。因此這種新型膜生物反應(yīng)器在抗拒膜污染方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

　　新型膜生物反應(yīng)器存在的問(wèn)題及建議

　　新型膜生物反應(yīng)器具備了無(wú)泡曝氣膜生物反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，應(yīng)用氣體反沖洗的方式減緩膜污染、恢復(fù)膜通量。在提高氧利用率、降低能耗和處理效果方面具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。但也存在以下問(wèn)題：

　?。?）這種新型膜生物反應(yīng)器用了兩組膜組件。在MBR工藝中，膜組件的費(fèi)用占很大的比例。因此，多一組膜組件就會(huì)提高反應(yīng)器的成本費(fèi)用。（2）無(wú)泡曝氣作為反沖洗氣體對(duì)于延緩膜污、恢復(fù)膜通量意義重大，但不能完全地（100%）恢復(fù)膜通量， 因此運(yùn)行時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，也需要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行化學(xué)清洗。這是所有膜過(guò)濾反應(yīng)器的通病。

　　對(duì)這種新型膜生物反應(yīng)器的建議：

　?。?）膜組件的昂貴和在使用過(guò)程中膜污染和通量下降問(wèn)題仍是膜生物反應(yīng)器改進(jìn)所要解決的問(wèn)題。深入對(duì)膜污染機(jī)理的研究解決膜污染問(wèn)題，開(kāi)發(fā)廉價(jià)的過(guò)濾膜和膜組件是膜過(guò)濾技術(shù)應(yīng)解決的重點(diǎn)。

　?。?）將膜過(guò)濾技術(shù)與其他分離技術(shù)和廢水處理技術(shù)相結(jié)合（如與化學(xué)絮凝、 沉淀技術(shù)相結(jié)合以減少膜污染、提高效率，以及將不同級(jí)別孔徑的過(guò)濾膜相結(jié)合的分級(jí)過(guò)濾器等），完善膜分離工藝。充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)和協(xié)同效應(yīng)，以得到最佳處理效果和最佳經(jīng)濟(jì)效益。這也是所有膜生物反應(yīng)器改進(jìn)的方向。

　　通過(guò)對(duì)現(xiàn)有膜生物反應(yīng)器存在的問(wèn)題及解決措施的研究總結(jié)，利用無(wú)泡曝氣和氣體反沖洗膜組件均是在低壓條件下工作的特點(diǎn)，把兩者結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種新型一體式膜生物反應(yīng)器，這種新型反應(yīng)器采用兩組膜組件（一組過(guò)濾、一組曝氣）交替運(yùn)行的方式，不但具有無(wú)泡曝氣膜生物反應(yīng)器的全部?jī)?yōu)點(diǎn)：氧利用率高、能耗低；同時(shí)具有低的膜阻力，在延緩、防治膜污染方面具有的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；該反應(yīng)器還具有操作方便的特點(diǎn)，在處理不同的廢水時(shí)，可根據(jù)具體條件（膜污染的嚴(yán)重情況），確定反沖洗周期的長(zhǎng)短，在反沖洗和出水之間進(jìn)行切換，易于實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的自動(dòng)控制。這種新型反應(yīng)器對(duì)廢水的處理效果明顯高于一般的一體式膜生物反應(yīng)器（已經(jīng)在與傳統(tǒng)一體式膜生物反應(yīng)器處理同質(zhì)、同量的廢水對(duì)比試驗(yàn)中得到證明，實(shí)驗(yàn)部分將在下一篇中論述）。雖然，這種膜生物反應(yīng)器多用了一組膜組件，但隨著生產(chǎn)廉價(jià)膜技術(shù)的成熟，這些問(wèn)題一定能夠得到解決。