膜生物反應器的開發除了涉及生物處理理論和膜過濾理論問題外，真正能開發成產品的關鍵 是如何克服膜的污染和堵塞，使膜能長時間維持較大的通量，即在保持正常通量的情況下，盡量能延長膜的壽命；同時要降低曝氣量，以減少工藝的電力消耗［1］。
本研究擬檢驗國產膜的可應用性，同時省去傳統的出水抽吸泵［2］，采用位差驅動出水，省去復雜的氣或水反沖洗設備，低水頭間斷工作，盡量降低曝氣量和動力消耗，以使開發的設備盡快投入實際應用。
1 試驗方法和材料
設備如圖1所示。反應器為聚氯乙烯塑料制造，矩形截面柱體(截面積為0.3m2)，有效水深H=3.6～3.9 m，有效容積V=1.08～1.17m3(浮球閥液位控制器控制反應器的比較高和比較低水位，高低水位差為0.3m)，反應器內置6只中空纖維膜膜組件。膜出水靠水位差驅動，集水管統一收集出水，出水流量由流量計調節控制。?
試驗中采用的中空纖維膜組件及其特性如表1所示。
| 膜材質 | 膜孔直徑（μm) | 組件表面積（m2） | 制造商 |
| 聚偏氟乙烯（PVDF） | 0.22 | 2.0 | 天津紡織工學院 |
中空膜生物床處理生活污水試驗在1998年6月至1998年11月期間共采集數據約150d。設計出水流量200 L/h，采用間歇運行方式，運行期間無反洗，無人工及化學藥劑清洗。原水采用人工配制模擬生活污水(見表2)。
| 成分 | C | CO（NH3） | KH2PO4 | CaCl2 | MgCl2 | CuSO4 |
| 濃度 | 300 | 22.5 | 7.32 | 0.8 | 1.0 | 0.002 |
試驗裝置運行的其他條件：?
① 曝氣紊流：運行出水期間曝氣氣水比35∶1。
② 低壓出水：出水流量采用閥門、流量計控制恒定，人為降低了出水水頭。
③ 間歇運行：7min出水，3min停止出水空曝。
1.3 水質分析方法
COD分析采用重鉻酸鉀法，氨氮分析采用納氏試劑比色法，溶解氧分析采用JPB-607便攜式溶解氧分析儀，pH值分析采用PHS-2C精密級酸度計，濁度分析采用GDS-3B光電濁度計，細菌分析采用平板計數法。
2 試驗結果與討論
為了解國產膜的透水特性，用清水研究了出水水位差與膜出水量間的關系。在清水試驗中，出水水位差與膜通量間呈直線關系，直線的斜率稱為膜的比通量，即單位水位差、單位面積、單位時間的出水量。國產膜與國外膜的比通量比較見表3。從表中可見，該膜比通量較大，但機械強度較低，易于折斷。
表3 不同來源膜組件的清水試驗
| 膜來源 | 國產聚偏氟乙烯膜 | 加拿大膜 | 日本膜 |
| 膜比通量[L/（h.m2.m）] | 27.28 | 15.36 | 12.79 |
2.2 COD的降解和反應器中的MLSS變化
運行期間進水COD的平均值為366.4 mg/L，比較大值為780.9 mg/L，比較小值為228.0 mg/L。出水COD的平均值為13.1mg/L，比較大值為25.2mg/L，比較小值為4.4mg/L，COD的平均去除率為96.0%；沖擊負荷對出水COD去除沒有影響，這說明系統的穩定性和可靠性。試驗結果如圖2所示。
從運行結果看，國產膜分離性能良好，運行過程中無剩余污泥排放，MLSS變化如圖3所示。
平板記數法檢測出水細菌總數共三次(前期、中期、后期)，細菌總數均＜10個/mL，見表4.試驗結果表明，采用膜生物反應器后，出水不需消毒，可直接回用。
表4 不同運行時間的細菌分析結果
| 運行時間（d） | 2 | 51 | 106 |
| 出水細菌總數（個/mL) | 8 | 0 | 3 |
2.4 出水濁度
出水濁度的分布如表5所示。95%的出水濁度＜1.0NTU。試驗中濁度＞1.0NTU的情況都與裝置調整有關：重新啟動真空系統或調整浮球閥等。
表5 出水濁度分布
| 濁度范圍（NTU） | 0 | 0-1 | 1-2 | ＞2 |
| 頻率（%） | 69 | 26 | 2 | 3 |
2.5 膜通量變化與COD沖擊負荷
在正常運轉的情況下，采用出水控制閥控制出水流量衡定，此時出水流量為200 L/h,折合膜 通量16.7 L/(m2·h)。在出水控制閥全開的情況下，出水流量可以達到350L/h，折合膜通量29.2L/(m2·h)。考慮到工作水頭，國產膜的性質與加拿大Zenon膜類似，而劣于日本Kubota板式膜［3］。研究COD沖擊負荷時，短時間全開閥門，以觀察比較大流量的變化，從而了解膜阻力的變化，如圖4所示。?
在正常負荷條件下，比較大出水量非常緩慢地下降。從裝置開始運行到第83 d，每天平均降低幅度約為0.6 L/d；而當沖擊負荷出現后，比較大出水量呈現下降趨勢，大約2d之后，出現大幅度下降，每天平均降低幅度高達7 L/d；當進水負荷正常之后，比較大出水量逐步回升。圖5中給出沖擊負荷出現之后反應器內MLSS的變化情況。
關于膜通量降低的原因可分析如下：COD沖擊負荷使反應器內活性污泥濃度迅速增加，微生物進入生命活動旺盛的對數增長期，細胞繁殖速度加快，MLSS迅速增大說明了這一點。污泥濃度的提高增加了混合液的粘度，從而使液—固分離困難；同時處于對數增長期的污泥活性 高、有大量細胞外聚合物存在［4］，增加了膜過濾阻力，也是膜比較大出水量降低的原因。
2.6 氨氮的去除
在膜生物反應器中，由于污泥泥齡長，而且溶解氧充足，有利于硝化菌生長，因此氨氮去除良好。試驗期間內，進水氨氮濃度為10～20mg/L，其平均值為16mg/L，出水氨氮濃度＜1mg/L，氨氮去除率在97%以上。
3 膜生物反應器的經濟分析
膜生物反應器技術具有出水水質良好、運行管理簡單、占地面積小等優點，是污水回用的適用技術。本研究對一個規模為806m3/d居住區污水回用工程分別采用厭氧→好氧→絮凝→沉淀→過濾→消毒工藝（以下簡稱工藝1）和中空膜生物床工藝（以下簡稱工藝2）進行了初步設計，同時進行了經濟分析和比較。經濟分析和比較依照有關手冊進行[5]。就出水水質而言，工藝2出水的濁度、SS、COD和NH3-N優于工藝1，但是出水中的NO3--N會劣于工藝1。經濟分析比較的主要結論見表6。
| 比較項目 | 工藝1 | 工藝2 |
| 主要構筑物的基建投資（萬元） | 110.68 | 39.72 |
| 主要設備、材料的基建投資（萬元） | 76.60 | 7.30 |
| 總基建投資（萬元） | 187.28 | 47.02 |
| 單位處理水量的基建投資[元/（m3.d)] | 2325 | 583 |
| 單位處理水量的電力消耗（kW.h/m3【生活污水處理設備】) | 0.631 | 0.988 |
| 單位處理水量的運行費用（元/m3） | 1.08 | 1.50 |
| 注 *膜的費用計入運行費用 。 | ||
根據以上分析可以看出，工藝1的總基建投資是工藝2的2.78倍。由于目前國產膜組件的成本較高且工作壽命較低，更換膜組件的費用占了運行費用的約50%，如果膜組件的費用可以減低20%，工藝2的運行費用與工藝1的基本持平。由于工藝2的基建費用低，它的企業內部收益率高于工藝1。?
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