膜生物反应器的开发除了涉及生物处理理论和膜过滤理论问题外，真正能开发成产品的关键 是如何克服膜的污染和堵塞，使膜能长时间维持较大的通量，即在保持正常通量的情况下，尽量能延长膜的寿命；同时要降低曝气量，以减少工艺的电力消耗［1］。
本研究拟检验国产膜的可应用性，同时省去传统的出水抽吸泵［2］，采用位差驱动出水，省去复杂的气或水反冲洗设备，低水头间断工作，尽量降低曝气量和动力消耗，以使开发的设备尽快投入实际应用。
1 试验方法和材料
设备如图1所示。反应器为聚氯乙烯塑料制造，矩形截面柱体(截面积为0.3m2)，有效水深H=3.6～3.9 m，有效容积V=1.08～1.17m3(浮球阀液位控制器控制反应器的比较高和比较低水位，高低水位差为0.3m)，反应器内置6只中空纤维膜膜组件。膜出水靠水位差驱动，集水管统一收集出水，出水流量由流量计调节控制。?
试验中采用的中空纤维膜组件及其特性如表1所示。
| 膜材质 | 膜孔直径（μm) | 组件表面积（m2） | 制造商 |
| 聚偏氟乙烯（PVDF） | 0.22 | 2.0 | 天津纺织工学院 |
中空膜生物床处理生活污水试验在1998年6月至1998年11月期间共采集数据约150d。设计出水流量200 L/h，采用间歇运行方式，运行期间无反洗，无人工及化学药剂清洗。原水采用人工配制模拟生活污水(见表2)。
| 成分 | C | CO（NH3） | KH2PO4 | CaCl2 | MgCl2 | CuSO4 |
| 浓度 | 300 | 22.5 | 7.32 | 0.8 | 1.0 | 0.002 |
试验装置运行的其他条件：?
① 曝气紊流：运行出水期间曝气气水比35∶1。
② 低压出水：出水流量采用阀门、流量计控制恒定，人为降低了出水水头。
③ 间歇运行：7min出水，3min停止出水空曝。
1.3 水质分析方法
COD分析采用重铬酸钾法，氨氮分析采用纳氏试剂比色法，溶解氧分析采用JPB-607便携式溶解氧分析仪，pH值分析采用PHS-2C精密级酸度计，浊度分析采用GDS-3B光电浊度计，细菌分析采用平板计数法。
2 试验结果与讨论
为了解国产膜的透水特性，用清水研究了出水水位差与膜出水量间的关系。在清水试验中，出水水位差与膜通量间呈直线关系，直线的斜率称为膜的比通量，即单位水位差、单位面积、单位时间的出水量。国产膜与国外膜的比通量比较见表3。从表中可见，该膜比通量较大，但机械强度较低，易于折断。
表3 不同来源膜组件的清水试验
| 膜来源 | 国产聚偏氟乙烯膜 | 加拿大膜 | 日本膜 |
| 膜比通量[L/（h.m2.m）] | 27.28 | 15.36 | 12.79 |
2.2 COD的降解和反应器中的MLSS变化
运行期间进水COD的平均值为366.4 mg/L，比较大值为780.9 mg/L，比较小值为228.0 mg/L。出水COD的平均值为13.1mg/L，比较大值为25.2mg/L，比较小值为4.4mg/L，COD的平均去除率为96.0%；冲击负荷对出水COD去除没有影响，这说明系统的稳定性和可靠性。试验结果如图2所示。
从运行结果看，国产膜分离性能良好，运行过程中无剩余污泥排放，MLSS变化如图3所示。
平板记数法检测出水细菌总数共三次(前期、中期、后期)，细菌总数均＜10个/mL，见表4.试验结果表明，采用膜生物反应器后，出水不需消毒，可直接回用。
表4 不同运行时间的细菌分析结果
| 运行时间（d） | 2 | 51 | 106 |
| 出水细菌总数（个/mL) | 8 | 0 | 3 |
2.4 出水浊度
出水浊度的分布如表5所示。95%的出水浊度＜1.0NTU。试验中浊度＞1.0NTU的情况都与装置调整有关：重新启动真空系统或调整浮球阀等。
表5 出水浊度分布
| 浊度范围（NTU） | 0 | 0-1 | 1-2 | ＞2 |
| 频率（%） | 69 | 26 | 2 | 3 |
2.5 膜通量变化与COD冲击负荷
在正常运转的情况下，采用出水控制阀控制出水流量衡定，此时出水流量为200 L/h,折合膜 通量16.7 L/(m2·h)。在出水控制阀全开的情况下，出水流量可以达到350L/h，折合膜通量29.2L/(m2·h)。考虑到工作水头，国产膜的性质与加拿大Zenon膜类似，而劣于日本Kubota板式膜［3］。研究COD冲击负荷时，短时间全开阀门，以观察比较大流量的变化，从而了解膜阻力的变化，如图4所示。?
在正常负荷条件下，比较大出水量非常缓慢地下降。从装置开始运行到第83 d，每天平均降低幅度约为0.6 L/d；而当冲击负荷出现后，比较大出水量呈现下降趋势，大约2d之后，出现大幅度下降，每天平均降低幅度高达7 L/d；当进水负荷正常之后，比较大出水量逐步回升。图5中给出冲击负荷出现之后反应器内MLSS的变化情况。
关于膜通量降低的原因可分析如下：COD冲击负荷使反应器内活性污泥浓度迅速增加，微生物进入生命活动旺盛的对数增长期，细胞繁殖速度加快，MLSS迅速增大说明了这一点。污泥浓度的提高增加了混合液的粘度，从而使液—固分离困难；同时处于对数增长期的污泥活性 高、有大量细胞外聚合物存在［4］，增加了膜过滤阻力，也是膜比较大出水量降低的原因。
2.6 氨氮的去除
在膜生物反应器中，由于污泥泥龄长，而且溶解氧充足，有利于硝化菌生长，因此氨氮去除良好。试验期间内，进水氨氮浓度为10～20mg/L，其平均值为16mg/L，出水氨氮浓度＜1mg/L，氨氮去除率在97%以上。
3 膜生物反应器的经济分析
膜生物反应器技术具有出水水质良好、运行管理简单、占地面积小等优点，是污水回用的适用技术。本研究对一个规模为806m3/d居住区污水回用工程分别采用厌氧→好氧→絮凝→沉淀→过滤→消毒工艺（以下简称工艺1）和中空膜生物床工艺（以下简称工艺2）进行了初步设计，同时进行了经济分析和比较。经济分析和比较依照有关手册进行[5]。就出水水质而言，工艺2出水的浊度、SS、COD和NH3-N优于工艺1，但是出水中的NO3--N会劣于工艺1。经济分析比较的主要结论见表6。
| 比较项目 | 工艺1 | 工艺2 |
| 主要构筑物的基建投资（万元） | 110.68 | 39.72 |
| 主要设备、材料的基建投资（万元） | 76.60 | 7.30 |
| 总基建投资（万元） | 187.28 | 47.02 |
| 单位处理水量的基建投资[元/（m3.d)] | 2325 | 583 |
| 单位处理水量的电力消耗（kW.h/m3【生活污水处理设备】) | 0.631 | 0.988 |
| 单位处理水量的运行费用（元/m3） | 1.08 | 1.50 |
| 注 *膜的费用计入运行费用 。 | ||
根据以上分析可以看出，工艺1的总基建投资是工艺2的2.78倍。由于目前国产膜组件的成本较高且工作寿命较低，更换膜组件的费用占了运行费用的约50%，如果膜组件的费用可以减低20%，工艺2的运行费用与工艺1的基本持平。由于工艺2的基建费用低，它的企业内部收益率高于工艺1。?
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