一、文献综述
1. 膜分离技术和膜生物反应器
在废水污水处理中，目前膜法应用在城镇废水处理领域的技术主要是微滤、超滤、纳滤、反渗透和电渗析等方法。而微滤、超滤因其操作压力低、能耗低、通量大、分离效率高、可以回收和回用有用物质等特点，使其成为城镇废水处理中应用最为广泛的膜分离技术。根据技术类别，膜法水处理技术主要包括膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor，MBR）、连续膜过滤（Continuous Membrane Filtration，CMF）、浸没式膜过滤（Submerged Membrane Filtration，SMF）、双向流膜过滤（Bidirectional Membrane Filtration，TWF）。
膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor）简称MBR，其主要工艺是利用微滤或超滤膜分离技术取代传统活性污泥法中的二沉池和常规过滤单元，实现高效固液分离和生物菌群的截留。它主要包括分置式、复合式以及一体式等三种的类型。分置式反应器（RMBR）即将膜组件置于生物反应器外侧，由外部压泵提供动力源，在增压后将混合液输入膜组件中，借以压力差推动得到的膜过滤液成为处理出水，截留大分子物质和活性污泥，出水再回流至反应器中。RMBR的膜操作压力一般在0.1~0.4 MPa，膜通量在50~120 L/m2·h[1]。由于分置式MBR运行较为稳定，外部动力源充足保证膜通量，膜组件也易于清洗和更换，但由于料液流速较高，因此也需要的较高的动力消耗。在RMBR中，膜组件形式主要应用平板式和管式。
一体式反应器（SMBR）则是将膜组件置于生物反应器内，靠水头压差或真空泵提供动力。SMBR中曝气器位于膜组件的正下方，空气扰动使得过滤液在膜表面产生错流剪切力，从而实现对膜的清洗作用，减轻膜表面污染。同时也可以采取间歇式运行延长膜的使用寿命。SMBR的操作压力在0~0.4 MPa，膜通量一般在10~30 L/m2·h。由于一体式将两组件合并，因此SMBR相对占地面积小，但相对而言膜组件的清洗和更换步骤较为复杂；而抽吸泵的压力显著小于RMBR的循环泵，因此能耗低于RMBR，但同时也会带来膜通量较低的问题。
MBR具有出水水质稳定、装置占地面积小、硝化效率高、便于维护管理等优势，相较于曝气生物滤池等处理工艺，在各项指标特别是出水水质可以满足目前最严格的的污水排放或回用标准。但是，膜生物反应器在实际应用中存在的一系列问题使其仍然无法取代传统的水处理技术，例如由于膜污染带来的高费用和高能耗、设备运行费用高、膜材料和组件及工程设计的非标准化等。
在与膜分离技术结合中，传统的活性污泥法设计和运行的若干问题，在MBR工艺中仍十分重要，如水力负荷、有机负荷、微生物浓度、曝气时间、污泥龄（SRT）、水力停留时间（HRT）、氧传递速率、回流污泥率、pH和溶解氧浓度等，这方面国内外学者都做了大量的研究，试图解决限制膜技术应用的几项关键性问题。
2. 膜污染及其产生原因
膜污染是指废水处理中各种污泥絮体、胶体、溶解性有机物或无机盐类，与膜表面之间发生复杂的相互作用，进而导致污染物在膜孔内的吸附、堵塞或在膜表面的堆积，使水通过膜时阻力增加、过滤性下降，引起膜通量下降或跨膜压差（TMP）升高的现象。目前，膜污染影响过滤效率、增加运行成本、减少使用寿命，是制约MBR技术发展的主要因素。按照污染物的形态，膜污染可分为膜孔堵塞、膜表面凝胶层和滤饼层等类型。
其中，膜孔堵塞污染又可分为标准堵塞、完全堵塞和中间堵塞三种类型，其主要由污泥混合液中的小分子有机物和无机物吸附在膜孔入口或膜孔内导致。标准堵塞是由于膜孔入口周围的颗粒沉积而导致孔隙开口的收缩，完全堵塞是小颗粒堵塞膜孔孔隙，中间堵塞是前两者的组合，因为沉积颗粒的堆积开始膜孔架桥。膜表面凝胶层污染主要由混合液中的大分子有机物质吸附或截留而沉积在膜表面造成。滤饼层污染则是混合液中的颗粒物质进一步沉积在凝胶层上的现象。
近年来，国内外科研者开发了各种新的工艺，以期改善膜污染的影响，研究方向主要集中在抗污染膜材料的开发、操作条件的优化以及混合液的调控三个方面：（1）开发新型膜材料：现有研究通过合成新的膜材料或对膜材料进行改性，以期达到通量高、亲水性强、化学稳定性好和强度高的新型膜。如现在普遍使用的聚偏氟乙烯膜（PVDF）、聚醚砜、聚氯乙稀和氧化石墨烯等膜材料，以及对其进行改性和合成等形成的新材料[2,3]。（2）对膜装置进行改进：采取错流循环、漂悬式、气提式、生化单元式和脉冲间歇式等多项技术，以提高单位时间单位面积的出水量[4]。（3）对工艺进行改进：提出如多相组合MBR技术和生物强化MBR技术等[5]。
MBR中膜过滤的对象是活性污泥混合液，也是膜表面污染物的主要来源，因此混合液的性质对膜污染有着重要的影响。通过向MBR中投加吸附剂和混凝剂，可以实现去除上清液有机物以达到控制膜污染的目的。如复合膜生物反应器（HBR-MBR），它是将生物膜法或生物接触氧化法与活性污泥法结合而构成的符合生物反应器与膜分离的联用技术。
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