根据我国目前的经济发展情况来看，工业与生活污水的排放量将逐年增大。由于污水处理能力的不足，仅很少一部分污水得到有效的处理，大部分城市污水与工业污水经简单处理便直接排入江河，对环境造成了极为严重的危害。同时，我国每年人均占有水量仅为 人均占有量的1/4，加剧了我国的用水矛盾。由此可见，减少污水排放量是缓解我国用水矛盾的有效途径，探讨新的有效污水处理技术是实现这一目的的重要措施之一。

通常，工业污水的处理方法可分为：

（1）物理法：沉降、沉淀和过滤等。

（2）化学法：氧化、还原、中和及吸附等。

（3）生物法：好氧性和厌氧性处理。

在生物学处理法中，因利用微生物，故在处理过程的阶段，须进行微生物和处理水的固液分离。但该固液分离一直沿用占地面积大、耗时、低效的自然沉降法。近年来，将分离膜引入生物学处理法（活性污泥法）中，形成了新型的污水处理方法——膜分离活性污泥法（MSAS），它包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）等膜分离技术。另外，膜分离技术以及它与其它技术的集成技术将逐步地有针对性地取代目前采用的传统分离技术，并对化工、石化、环保等领域产生深远影响。膜分离技术具有低耗、高效和不产生二次污染的特点，在化工、石化、医药、轻工等能耗较高，污染较重的领域广泛推广应用后，不仅能提高这些相关产业的技术装备水平和产品质量，还可以帮其减少污染物的排放，节能降耗，降低成本。在污水净化领域中，膜分离技术的应用及基础研究主要有：

（1）膜的形成、孔径和膜厚度等材料性能对分离效率的影响。

（2）操作条件，如清洗周期不恰当和杂质在膜面上的附着沉积速度过大。

（3）流程设计，如膜组件前处理不足、清洗效率低下、监控手段少和不便于拆卸等措施的进行等。

虽然有关膜清洗恢复的研究很多，但对连续运行的污水处理装置，现有的清洗恢复方法遇到的困难较多。

根据以上情况，在总结了水处理膜分离技术及应用的发展历史基础上，本文重点分析了国内外污水处理领域的现状、技术难点和市场需求，讨论了膜分离技术的机理、特性、分类、膜分离的形式等，并展望了污水处理膜分离技术的发展方向。

1 污水处理膜分离技术国外的进展

自从1748年法国学者Abbe Nollet 提示了膜分离现象。近二、三十年以来，膜分离技术得到迅猛发展，出现了各种有使用价值的MF、UF、NF和RO分离膜等，并在工业给水处理、纯水处理、海水淡化、苦咸水淡化等低浊度水处理中得到推广和应用。近几年来，膜分离技术已渗透到高浊度污水处理的领域，并与各种工艺结合来解决传统方法难以解决的问题，特别是对于高COD、高SS、有毒难降解有机工业废水的处理，在传统的生物处理法中引进膜分离技术显得更为迫切。在高浊度污水处理中，膜组件应该具有：膜通量大、抗污染、耐酸碱、耐细菌腐蚀、强度大、不易老化等优点。

在污水处理中，美国的Smith于1969年 报道了活性污泥法和超滤结合处理城市污水的方法。在生活污水的处理中，以超滤膜分离替代二沉池，获得了 的处理效果，BOD＜1mg/L，COD在20～30mg/L，系统的处理能力为10～100m³/d。1970年英国人Hardt报道了超滤与活性污泥法结合处理COD为23000mg/L的高浓废水的研究。1972年Shelf等开始了厌氧型滤膜生物反应器的研究工作。Grethlein（1978）利用厌氧消化池结合膜系统处理生活污水。尽管这些工艺取得了良好的出水水质，但由于当时膜技术发展相对落后，膜材料种类少，膜价格昂贵，使用寿命短，限制了该工艺的长期稳定运行，污水膜生物反应器仍处于初期研究阶段。

八十年代以后，随着膜制造技术的发展、膜分离工艺研究的完善、膜清洗方法的改进和污水厂出水水质要求的提高，膜分离与活性污泥法结合作为固液分离设备的研究重新获得重视，并且得到较广泛的工程应用。污水膜生物反应器的研究工作有了很大的进展，特别是在以下几个方面：

（1）提高膜组件性能，具体为提高膜通量与截留率以及减轻膜污染，为膜组件的连续操作创造条件。

（2）开拓污水膜生物反应器应用的新领域，探求可行的工作条件和工艺参数。

（3）降低污水膜处理工艺的动力损耗，使其成为节能型新工艺。

（4）探讨膜分离阻力、污泥滤饼与膜通量等的机理。

Yamamato等（1989）研究了将中空纤维膜直接浸于曝气池内的一体式膜生物反应器，证明了采用间歇抽滤和低压操作，可在很大程度上防止不可恢复的膜堵塞，并使能耗进一步降低。Yamamato等（1991）还进行了SBR工艺与中空纤维超滤膜组件构成的膜生物反应器处理制革废水研究。Wong等（1990）研究了中空纤维膜的物理排列与堵塞的程度关系。Sato（1991）研究了膜通量与活性污泥浓度、溶解性COD、污泥粘度的动力学关系。Tonelli（1991）研制了处理汽车制造厂含油污水的膜生物反应器系统。Kolega（1991）等研究了中空纤维微滤系统去除细菌和病毒的能力。Chaize（1991）用完全混合生物反应器和板框式膜组件系统处理生活污水，研究了污泥产量、稳态下悬浮固体浓度、SRT和HRT对膜生物反应器的影响等。Yuichi等（1992）进行了活性污泥加微滤膜生物反应器脱氮的研究。Hogetsu（1992）等进行 固定床厌氧消化器与管式中空纤维膜组件组合处理羊毛清洗废水的研究。Kiat（1992）等进一步研究了中空纤维膜的纤维间污泥积累机制及其较佳设计密度。Pillay（1992）等对微滤系统凝胶层形成过程、影响因素、条件控制及模型预测进行了研究。

Krauth（1993）等考察了加压活性污泥法与超滤膜构成膜生物反应器。Ayahidenori等（1993）进行了厌氧膜生物反应器去除磷酸盐的研究。Chiemchaisri（1992）等研究了在中空纤维膜下部装射流曝气装置以增加膜通量的滤膜生物反应器。Scott（1994）等进行了消除膜污染方法的研究。Ronald（1994）等研究了膜生物反应器处理含大量油脂及重金属的废水。Hideki（1994）等对厌氧消化器与板框型超滤组件组合处理高浓度有机颗粒废水进行了试验。Arai等（1995）评估了中空纤维膜组件对一体式膜分离活性污泥程（SMSAS）的影响。Ueda等（1996）利用中空纤维膜组件进行了处理城市污水一体式膜分离活性污泥法（SMSAS）的工业化试验。Zhang（1996）等对膜生物反应器与传统活性污泥法，在微生物种群和细菌活性的对比方面进行了研究。Nagaoka（1996）等，对细菌胞外聚合物（EPS）和污泥粘滞度对膜过滤阻力的影响，进行了动力学分析。Choo（1996）等则对厌氧消化液组分对膜渗透性能的影响进行了研究。近年来，国外污水膜生物反应器有的已进入实用阶段。自1978年以来，如日本已有20多家公司采用膜分离活性污泥过程处理大楼废水，经处理后的水可回用。

2 污水处理膜分离技术国内现状

近二十年来，国内的污水处理技术有了很大的发展。以混凝沉淀、气浮、中和、氧化等为主的物理化学工艺和以厌氧生物法、好氧生物法为主的生物处理工艺得到了普遍应用。由于污水性质的复杂性，这些常规技术远远无法满足污水处理的技术需求。至于高浓度有机废水是一种较普遍的点源污染，全国造纸、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行业每年高浓度有机污水的排放量很大。对这类污水采用常规活性污泥处理尽管有一定作用，但出水水质远差于 综合排放标准的要求。此外，为防止污泥流失还需要精心管理，而实际操作人员的素质往往难以满足这方面要求。要解决上述问题，急需开发一种处理效果好、自动化程度高、管理简单方便和较经济的污水处理技术。

国内早在70年代末就开始了超滤膜污水处理的研究和应用工作，目前超滤膜分离已应用于电泳漆废水、乳化液废液、羊毛洗涤废水、印钞废水等工程中，如超滤在电泳漆废水治理中的应用，通过超滤膜分离将混有大量重金属离子杂质的电泳漆从废水中回收出来重新回用。当超滤膜分离用于污水处理时，浓缩液的产生是必然的，根据环保法规，浓缩液必须处理，如果无有用物质回收，错流运行的高能耗往往使膜分离得不偿失，由此可见，超滤膜分离在污水处理中的应用受到极大限制。为了扩展膜分离的应用范围，解决浓缩液的处理问题是其中的关键之一。

国内有关污水膜生物反应器的研究工作起步较晚，近年来许多高等学校和科研院所都已进行了平板超滤膜、管状膜与活性污泥结合的膜生物反应器处理生活污水和模拟废水的性能研究。利用不同分离材料的膜，研究膜与传统的生物法等废水处理技术结合，来解决工业上高浓度、难降解有机废水治理问题。这些污水膜生物反应器开发研究虽已取得一定的进步，但与国外水平相比尚存在较大的差距。特别是污水膜生物反应器技术装备与规模、产品质量、应用研究与示范装置开发等方面差距更大。

3 污水膜分离生物技术的特点和机理

污水膜分离生物技术的特点如下：

（1）装置紧凑：由于省去了活性污泥的沉降槽，且活性污泥的膜分离可在较高浓度下操作，所以污泥浓缩驻留槽及曝气槽体积小，装置紧凑。

（2）高浓度污水处理：由于能够保持曝气槽内活性污泥的高浓度，所以可适应高浓度污水。

（3）高品质的处理水：由于引入膜分离，所以对SS去除彻底，可得到十分澄清的处理水。同时，对生物分解困难的高分子污染物也能有效去除，处理水的BOD值低。一般不含病菌和病原体，无需消毒，出水中不仅有机物浓度相对较低，而且总氮和总磷的浓度也远低于传统生物法。在污水膜生物反应器中，微生物的种类、数量和泥龄等主要是根据对污染物质降解有利与否来控制，一般无需考虑污泥的絮凝沉降性能，这也就使得微生物更加有利于对污染物的降解转化，可获得更高的去除效率。进水中的大分子、胶体受膜的截留而不断地流到生物反应池，使得这些物质在生物反应器中停留时间延长，从而为它们的进一步降解创造了条件，尤其是本身可生物降解，但降解速度相对较低的大分子和胶体物质。

（4）维护管理容易：传统的活性污泥法，为了维持良好的处理水质，对污泥管理须付注很多劳力和精力。膜分离活性污泥法省去了沉降槽，对污泥浓度管理容易，设备占地面积小，操作的自动化程度高，管理人员少。

污水膜生物反应器是将传统的生物处理法与膜分离相结合。它不仅以膜分离取代二沉池，完全去除悬浮固体引起的污染物量，还通过膜分离的作用，将二沉池无法截留的游离细菌和大分子有机物完全阻隔在生物池内。因此，它改变了传统生物处理中污染物的构成，使得大分子有机物和胶体明显上升。当被膜截留污染物的量小于生物分解量时，有机物浓度不出现累积。当被膜截留污染物的量大于生物分解量时，有机污染物浓度会出现明显累积，这样一来改变生物反应器内有机物的构成，也改变了微生物生长代谢的环境，促进了专性分解累积的有机物微生物的繁殖，并逐渐提高生物池内相应微生物浓度，经过一段时间，有机物的累积速度和微生物降解速度达到一个动态平衡，使得生物池内有机物浓度维持在一个高水平上，但不再持续上升。此外，当被膜截留的污染物质为不可生物降解的物质时，累积有机物的浓度将稳步上升，除非定期排泥，否则，生物系统会遭受致命破坏，而膜水通量也会明显下降，因而不适宜采用膜生物反应器来处理。在污水膜生物技术中，由于膜分离的对象为微生物的聚集体——活性污泥，不再是经过粗过滤的净水，浓差极化现象的程度将远超过水处理的膜分离过程。随着污水膜生物处理时间的延长，膜表面微生物生长或粘附的污泥逐渐增厚而且紧密，具体厚度取决于膜面流速。但是无论厌氧生物工艺还是好氧生物工艺，膜表皮层的污泥始终处于厌氧状态，离膜表皮远的上层污泥则受循环液的溶解氧浓度影响，有不同的氧浓度分布。从污泥浓度看，由主体循环液向膜的表面污泥浓度逐渐提高。如条件控制恶化，造成膜表面污泥的流态发生突变时，膜表面污泥层的阻力急剧增大，透膜水通量迅速下降。