膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用研究

1 膜生物反应技术的原理及其分类

膜生物反应技术的核心在于将生物处理与膜分离工艺有机结合，形成协同处理系统。其基本原理是通过微生物代谢作用降解污水中的有机污染物，同时利用微滤膜或超滤膜的物理截留功能，实现活性污泥与处理水的有效分离。这一双重作用机制既保留了传统活性污泥法对有机物的高效降解能力，又通过膜分离显著提升了出水水质，使悬浮物、细菌等指标达到更高标准。

从系统构型角度划分，膜生物反应技术可分为分置式和一体式两大类型。分置式系统中，生物反应器与膜分离单元相互独立，通过泵送装置实现混合液循环，其特点是膜通量稳定且易于维护，但能耗相对较高。一体式系统则将膜组件直接浸没于生物反应器内，依靠负压抽吸或重力作用出水，具有结构紧凑、能耗较低的优势，更适合中小规模污水处理场景。

按照处理功能差异，该技术又可细分为三类典型工艺：膜分离型生物反应器主要强化固液分离效果，适用于对悬浮物去除要求严格的场合；膜耦合型通过特殊膜材料实现同步脱氮除磷，常见于富营养化水体治理；膜强化型则利用膜组件优化传质效率，专门处理高浓度有机废水。在实际工程中，动态内循环反应技术通过水力循环增强污染物扩散，EGSB-MBR 重组技术结合厌氧工艺提升难降解有机物处理效率，曝气滤池技术则通过优化气水比改善脱氮性能。

2 膜生物反应技术在污水处理中的实验设计与分析

2.1 实验设计与研究方法

实验设计以验证膜生物反应技术在污水处理中的实际效能为核心目标，采用对照实验与参数优化相结合的研究方法。系统构建了包含两组平行反应器的实验平台：一组为传统活性污泥反应器（对照组），另一组为配置PVDF 中空纤维膜组件的膜生物反应器（实验组）。两组反应器均采用相同规格的有机玻璃材质，有效容积均为50 升，确保实验条件的可比性。进水采用模拟城市生活污水，其COD、氨氮等主要指标参照典型市政污水处理厂进水水质配制，通过恒流泵实现连续进料，水力停留时间统一设定为8 小时。

研究方法重点考察三个关键维度：处理效能、膜污染特性及运行参数优化。在处理效能评估中，每日定时采集进出水样品，检测 COD、氨氮、总磷、浊度等常规指标，采用国家标准方法进行分析。为量化膜污染发展规律，实验设置了跨膜压差在线监测系统，记录通量衰减曲线，并结合电子显微镜观察膜表面污染层形态。运行参数优化采用单因素轮换法，依次考察曝气强度（ 0.5-3.0m³/h ）、抽吸周期（8-15分钟）、污泥浓度（6-12g/L）等变量对系统性能的影响，每个参数设置5 个梯度水平，通过正交试验确定最优组合。

针对膜污染控制这一技术难点，实验设计了周期性物理-化学联合清洗方案。物理清洗采用反向脉冲曝气，每运行 30 分钟实施一次，持续时间30 秒；化学清洗选用 0.5% 次氯酸钠溶液，当跨膜压差上升至初始值1.5 倍时启动，浸泡时间为2 小时。为评估清洗效果，引入膜比通量恢复率作为评价指标，计算公式为：

其中，η 为通量恢复率， J_iffΨ_iff 为清洗后稳定通量， 为膜初始通量。该指标可直观反映不同清洗策略的实际效果。

实验过程严格遵循质量控制规范。所有检测项目均设置三组平行样，数据取算术平均值；仪器设备使用前均进行校准；异常数据需经Grubbs 检验法剔除。数据分析采用SPSS 软件进行方差检验（显著性水平 ⋅=0.05, ），确保结论的统计学有效性。通过上述实验设计，可系统获取膜生物反应器在不同工况下的运行特征，为后续工程应用提供可靠的技术参数。

2.2 实验结果及其分析

实验结果表明，膜生物反应器在污水处理效能方面显著优于传统活性污泥法。对比两组反应器的出水水质数据，膜生物反应器对COD的去除率较对照组提高约 20% ，出水 COD 稳定维持在 30mg/L 以下，达到地表水Ⅳ类标准。氨氮去除效果尤为突出，通过膜截留作用延长了硝化细菌的污泥龄，使氨氮去除率提升至 95% 以上。浊度指标方面，膜生物反应器出水浊度始终低于0.5NTU，而对照组出水浊度波动较大（2-5NTU），这验证了微滤膜对悬浮颗粒的高效截留能力。

膜污染发展规律分析显示，跨膜压差随时间呈阶梯式上升趋势。实验初期（0-72 小时）压差增长缓慢，膜表面形成均匀的生物凝胶层；中期（72-240 小时）污染加速，电子显微镜观察到膜孔被胞外聚合物（EPS）堵塞；后期（240 小时后）压差急剧上升至临界值。通过对比不同曝气强度下的污染速率，发现当曝气量达到 2.0m³/h 时，膜表面剪切力可有效延缓污染物沉积，使稳定运行周期延长 40% 以上。

参数优化实验确定了最佳运行条件组合：曝气强度 2.5m³/h 、抽吸周期10 分钟（抽8 停2）、污泥浓度 8g/L 。该组合下系统能耗与处理效能达到最佳平衡，较初始参数设置节能 15% 的同时，膜通量稳定性提高30% 。值得注意的是，污泥浓度存在明确阈值效应——当MLSS 超过10g/L 时，混合液粘度增大反而导致传质效率下降，这与前人研究结论一致。温度影响分析发现， 25-30^∘C 范围内微生物活性与膜通量保持最佳状态，低温（<15℃）条件下需通过增加污泥浓度补偿活性损失。

清洗策略效果评估显示，周期性物理清洗可维持 80% 以上的初始通量，而化学清洗能使严重污染的膜通量恢复至初始值的 92% 。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析污染层成分，发现有机污染物占比达 75% ，这解释了次氯酸钠溶液的有效性。将物理清洗频率优化为每45 分钟一次后，化学清洗间隔从72 小时延长至120 小时，显著降低了运行维护成本。对比不同清洗方式的综合成本，物理-化学联合清洗方案较单一化学清洗节省药剂用量 50% 以上。

系统稳定性测试表明，膜生物反应器在连续运行60 天的过程中，出水水质波动幅度小于传统工艺的1/3。特别是在应对进水负荷冲击时（COD 突然增加 50% ），膜生物反应器能在24 小时内恢复稳定，而对照组需要3-5 天。这种强抗冲击能力主要得益于膜组件对污泥的完全截留作用，保障了反应器内生物量的稳定性。能耗分析指出，膜生物反应器单位处理能耗比传统工艺高 20‰ ，但考虑到其出水水质可直接回用，综合成本效益仍具竞争力。

通过扫描电镜观察膜表面微观结构变化，发现运行200 小时后膜孔出现部分堵塞，但经化学清洗后孔隙率恢复良好。能谱分析（EDS）证实污染层主要元素为C、O、N，与微生物代谢产物特征相符。接触角测试显示，随着运行时间延长，膜表面亲水性逐渐下降，这是通量衰减的重要原因之一。这些微观表征为理解膜污染机制提供了直接证据，也为后续抗污染膜材料开发指明了方向。

结语

综上所述，本研究的主要目的在于系统分析膜生物反应技术在污水处理中的应用特性。首先，需要明确该技术的核心优势及其适用条件，为工程实践提供理论依据。其次，针对当前存在的膜污染、运行成本较高等关键问题，探索切实可行的优化方案。最后，结合我国污水处理现状，提出该技术未来发展的重点方向，为推动其在环境工程中的规模化应用提供参考。通过这项研究，期望能为解决水资源短缺、改善水环境质量提供有力的技术支撑。

参考文献：

[1] 杨凤英.膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用研究[J].《黑龙江环境通报》，2025，（6）：105-107.

[2] 范杭茹.膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用[J].《造纸装备及材料》，2025，（1）：102-104.