随着工业化进程的加快和人口的增长，污水处理成为环境保护的重要任务之一。传统的污水处理方法存在处理效率低下、成本高昂等问题，难以满足现代社会对环境保护和可持续发展的要求。膜生物反应技术作为一种新型的污水处理技术，具有处理效率高、能耗低、占地面积小等优点，逐渐受到广泛关注。本文介绍了一种新型的污水处理用膜生物反应池，旨在进一步提高污水处理效率和降低处理成本。

1、膜生物反应池（MBR）技术概述

1.1 MBR技术基本原理

MBR技术是一种利用生物膜法技术和高效沉淀工艺的高效废水处理工艺。在污水处理中，MBR又称膜生物反应器，是由活性污泥法与膜分离技术相结合的新型水处理技术。其基本原理在于，原水在中空纤维膜外部（膜丝之间）沿丝外壁轴向流动的过程中，在压力的作用下（外高内低）向膜丝内部渗透。污染物被膜外壁截留，而清水则透过膜壁在中空纤维膜丝内汇聚成水。

1.2 MBR技术分类

MBR技术可根据不同的分类标准进行划分，有按分离机理分类的反应膜、离子交换膜、渗透膜等；按膜的性质分类的天然膜（生物膜）和合成膜（有机膜和无机膜）；按膜的结构型式分类的平板型、管型、螺旋型及中空纤维型等。

1.3 MBR技术特点

MBR技术能高效地进行固液分离，将废水中的悬浮物质、胶体物质、生物单元流失的微生物菌群与已净化的水分开。可使生物处理单元内生物量维持在高浓度，使容积负荷大大提高，同时膜分离的高效性，使处理单元水力停留时间大大的缩短，生物反应器的占地面积相应减少。由于可防止各种微生物菌群的流失，有利于生长速度缓慢的细菌（硝化细菌等）的生长，从而使系统中各种代谢过程顺利进行。使一些大分子难降解有机物的停留时间变长，有利于的分解。膜处理技术与其他过滤分离技术一样，在长期的运转过程中，膜作为一种过滤介质可能堵塞，但有效的反冲洗和化学清洗可减缓膜通量的下降，维持MBR系统的有效使用寿命。

1.4国内外研究现状

MBR技术在全球多个国家和地区得到了广泛的应用和研究。70年代起，美国、日本、南非和欧洲许多国家就已开始将膜生物反应器用于污水和废水处理的研究工作。目前，全球多个国家和地区已建设和运营了MBR污水处理厂，如美国、欧洲、日本、中国等。此外，MBR工艺不仅在城市污水处理中得到广泛应用，还在工业废水处理领域以及生态修复领域展现出广阔的应用前景。

2、一种污水处理用膜生物反应池的设计

2.1设计原则与目标

该污水处理用膜生物反应池通过优化设计和组合使用多种技术手段，实现了高效性、经济性和稳定性的设计原则，并达成了提高污水处理效率、降低能耗与运行成本、减少污泥产量等设计目标。

通过设立的反应组件，利用反应水泵对反应池内的水体进行循环抽取并向膜反应器排出，增加了水体与膜反应器反应效率，节约反应所需时间。使用水质检测器对清水池内的水质进行实时监测，当水质不达标时通过循环水泵将水体抽回反应池进行二次反应，确保了污水处理的高效性，如图1所示。

图1污水处理用膜生物反应池加压泵内部结构图  

图中：8-加压泵、9-加压管、1001-顶板、1002-连接板、1003-膜反应器、1004-反应水泵、1005-底板.

使用连通组件替代了传统的多池多次过滤，大大降低了膜生物反应池的建造成本。设计优化减少了能耗和运行成本，通过水质检测器和循环水泵的组合使用，避免了不必要的能源消耗和污水再次处理，如图2所示。

图2污水处理用膜生物反应池分解图 

图中：1-池体、2-反应池、6-进水管、8-加压泵、401-连通管、402-循环水泵、403-止回阀.

止回阀的设立防止了反应池内的水体通过连通管回流至清水池，保证了清水与污水的分离，增强了系统的稳定性。通过反应水泵的搅拌作用和加压泵的加压作用，确保了污水能够均匀、稳定地与膜反应器进行接触反应。

2.2工艺流程设计

在实际应用中，进水预处理、生物反应单元、膜分离单元和出水消毒与排放等步骤是污水处理中常见的关键步骤，确保出水水质符合排放标准。在污水进入反应池之前，设置有一个预处理阶段以去除悬浮物、油脂等杂质，确保后续处理步骤的顺利进行。污水在反应池内通过反应水泵的搅拌与膜反应器接触，实现微生物降解有机污染物的目的。通过膜分离技术得到高质量的出水。在反应池内处理后的污水通过膜反应器过滤，固体杂质被截留，清水则通过出水管排至清水池。当清水池内的水质经检测合格后，通过启动电磁阀，清水可沿排水管排出，达到排放标准。

2.3反应池结构设计

反应池采用钢筋混凝土结构，具有良好的耐腐蚀性和稳定性。在污水处理中，反应池通常采用耐腐蚀和具有良好稳定性的钢筋混凝土，以确保结构的持久性和抗腐蚀性。反应池的尺寸和形状通常根据所需处理的水量和水质要求来确定。这涉及到流量计算、反应动力学分析和工程设计等多方面的因素，如图3所示。曝气系统对于保证反应池内微生物的活性至关重要。微孔曝气器能够均匀地将空气或氧气引入水中，确保池内溶解氧充足。反应池内的混合和搅拌对于提高处理效率和确保反应均匀性非常重要。机械搅拌方式是通过搅拌器或搅拌桨等设备实现池内液体的混合。

图3污水处理用膜生物反应池外观图  

图中：1-池体、3-清水池、4-连通组件、5-排水管、7-水质检测器、10-反应组件、11-隔板、12-电磁阀.

2.4膜组件选型与布置

膜生物反应池在选用膜组件时需要考虑材料、类型、规格和数量，以及布置方式等因素，这些因素都是基于处理水量和水质要求来确定的。考虑到PVDF材料因其优良的耐污染性和机械强度在膜生物反应器中的广泛应用，该膜生物反应池在选用膜组件材料时使用PVDF。根据处理水量和水质要求来确定膜组件类型选用平板式或中空纤维式。平板式和中空纤维式是膜生物反应器中常见的两种膜组件类型，各自具有不同的特点和适用范围。膜组件的规格和数量同样是基于处理水量和水质要求来确定的。不同的处理水量和水质条件需要不同数量和规格的膜组件来满足处理需求。膜组件的布置方式采用垂直悬挂式或水平放置式，这是为了确保膜组件能够充分利用空间，同时也方便维护和更换。垂直悬挂式和水平放置式各有优缺点，需要根据实际情况进行选择。

3、膜生物反应池的性能评估方法

目前，对反应池性能的评估方法主要有三种：第一种是对膜通量进行检测，第二种是对生物处理效果进行检测，第三种是通过现场试验对其进行评估。通过这三种方法可以有效地判断反应池性能的优劣。

3.1实验方法与条件

膜生物反应池作为一种高效的污水处理设备，在现代水环境治理中发挥着重要作用。其设计理念是通过膜材料的选择和优化，以达到提升处理效率、降低能耗的目的。本反应池的结构设计采用了标准化的立方体形式，尺寸精确到cm级别，确保了在实验室或生产现场均能稳定运行，本次实验选取进水水质指标（详见表1）。

该反应池由两个紧密相连的膜管单元构成，每个膜管的孔径大小为1.0μm，这意味着能够有效地分离水中的污染物，同时保证气体的顺利透过膜。每个膜管单元都配备了一个透水量高达30m3/h的膜组件，以及一个透水率达到600L/（m2·h）的特殊装置，这个指标反映出膜材料的优良性能和工作效率。

表1进水水质指标 

为了实现对进水流速的精准控制，设计者巧妙地设置了两个进水堰，分别位于反应池的两端。进水端的进水堰高度为30cm，直径为2.5cm，这样的设计既可以防止大流量的冲击影响，又能在短时间内迅速将水引入膜组件中。而出水端的出水堰则具有5cm的高度和10cm的直径，这样的配置有助于提高液体的流速，减少滞留时间，从而更好地实现水力剪切力对污染物去除的效果。

在整个实验过程中，进水口和出水口的压力调节也至关重要。进水口的进水压力设置为0.15兆帕，以确保足够的水流动力；而出水口则设有0.5兆帕的出水压力，以保持良好的水力平衡。这种精确的压力控制系统，不仅为实验提供了可靠的数据支持，而且还确保了水体在进出水口的流动速度和方向都能得到恰当的控制。

本实验装置的另一个亮点是其可控性强，能够适应不同的运行条件和需求。进水流量可以在0至30m3/h之间调节，以适应不同水质和处理要求；出水流量同样可以在0至25m3/h范围内调整，以应对复杂多变的实际情况；膜面积则可以从0.5m2扩展至0.8m2，以满足不同规模的实验需求。膜管直径的调整范围控制在50mm以内，而膜管的长度最长可达40m，这为研究人员提供了广阔的操作空间和灵活性。

本膜生物反应池设计的精细之处在于它能够模拟自然水体中微生物群落的相互作用，同时结合先进的膜技术，实现了污水处理与资源化利用的双重目标。通过精心设计和严格控制，这个实验装置为科学研究和工业应用提供了一个实用且高效的平台，有助于推动水处理技术的进步和发展。

3.2实验结果与分析

本文通过一系列严格的试验，对MBR在废水处理方面的性能进行了研究。首先，对悬浮填料表面悬浮的微生物进行精细统计，研究其作为生物膜的重要组分，其生长状态直接影响反应器的运行效果及水质的净化性能。其次，通过调节进水量和污泥负荷，可以更加精确地测量出废水中COD(COD）、氨氮（NH3-N）等污染物的去除率，这是决定废水处理质量的关键，也是影响水质安全的关键因素。

在此基础上，本项目还将系统地监测进水过程中的水质状况，并将其与设定值进行对比，以此来评价污水处理效果，本次出水水质（详见表2）。在此基础上，通过对反应器中微生物种群和活性的长期追踪，阐明反应器中微生物种群的动态演变规律，以及对环境因子的响应。

表2出水水质指标  

基于以上研究，(1)MBR因其独特的膜-生物耦合工艺，使MBR的运行效率提升20%以上；(2)该工艺使出水质量大大提高，不但能达到排放标准，而且比原水有较大幅度的提高；(3)反应器在操作时具有较高的稳定性，可实现长时间稳定运行，降低了维修、管理费用。所以，在长期内，该体系将会是一个很好的发展方向。

3.3性能特点与优势

在本文中，所设计的反应池展现出了其独特的设计理念和结构优势。这种反应池的设计能够彻底解决传统生物池存在的膜污染问题，这一点对于提高污水处理效率和保护环境具有重要意义。

首先，选择了一种新型的中空纤维膜作为反应器，使其在保证高精度的同时，可以提高出水的质量。采用中空纤维膜可以有效减少膜污染，保证出水水质的稳定和洁净，并为后续回水处理提供优质水源。

其次，采用了一种新颖的曝气方式，与常规曝气池相比，该工艺性能得到了显著提高。通过合理的曝气工艺，解决了常规曝气池中常见的“污泥膨胀”问题。污泥膨胀主要是由污泥中的细菌大量繁殖所致，在曝气区域产生大量的污泥，不仅会降低处理效果，还会对装置产生危害。同时，通过对曝气时间和供氧时间的精准控制，可以有效地解决污泥膨胀的问题，确保废水的高效率运行。

再次，该反应器具有良好的脱氮除磷性能。该工艺具有独特的脱氮除磷工艺，能很好地满足废水处理系统的排放标准。该技术不仅能有效地降低氮、磷等污染物的排放，而且还能维护水环境的平衡。

此外，反应器还应具备良好的抗冲击载荷性能。在无法预知的冲击负载下，例如极端天气、大型工业废气等，本系统仍能持续稳定运转。这样的稳定性保证了废水的连续处理，不受外部因素的干扰。

4、实验结果与分析

4.1污水处理效率分析

在本实验的深入探究中，采用了多种反应池技术，将这些反应池与传统的活性污泥法以及结合氧化沟和生物膜法进行了详细比较。

新型反应池在污水处理效能上，尤其是在有机物（COD）和生物降解能力（BOD）的去除效率方面，反应池的性能显著高于传统的活性污泥法与氧化沟。这一点在数据对比中得到了充分的体现，说明新型反应池在处理污水时不仅提高了污染物去除的速率，也在一定程度上降低了对资源消耗的需求。

在处理成本上，新型反应池同样展现了其独特的优势。通过与传统活性污泥法进行比较，发现新型反应池的能耗要更低，这意味着在运行过程中所需的能源更少，从而减少了生产成本，并且在经济效益方面具有潜在的提升空间。因此，从整体角度来看，新型反应池在污水处理领域具有显著的优势，并显示出良好的应用潜力和发展前景。

4.2能耗与运行成本分析

反应池作为一种先进的污水处理技术，其核心在于通过膜过滤工艺对污水中的污染物进行深度净化。在此过程中，膜过滤占据了整个系统能耗的大约60%比例，这意味着与传统的活性污泥法相比，反应池在能源消耗上有着显著的节约。活性污泥法则需要通过大量曝气和搅拌来维持微生物的活性，以促进污染物的去除，这种方法不仅耗费能源，而且运行时所需的人力成本也相当高昂。

反应池的设计考虑到了运行成本的优化，采用了高效的膜组件以及专门的维护系统。这些组件的高效性保证了膜过滤系统可以长时间稳定运行，而专业的维护系统则确保了膜组件始终处于最佳状态。因此，这两方面的优势共同作用下，使得反应池的运行成本远远低于活性污泥法。

实验研究显示，经过反应池处理后的出水水质显著优于国家标准。具体来说，根据国家颁布的一级排放标准（GB8978-1996），对于出水水质提出了严格的要求，包括悬浮固体含量、化学需氧量（COD）、氨氮等多个指标。使用反应池技术处理后的水质数据表明，这些指标均达到或超过了一级排放标准，充分证明了反应池在污水处理领域的卓越效果和明显优势。

4.3污泥产量与处置分析

随着我国城市化进程的加快，城市污水处理厂已逐渐成为处理生活及工业废水的重要环节。当这些工业污水变成清澈的自来水时，剩下的淤泥就很难处理了。污泥是废水处理后产生的固体废弃物，其中含有大量的有机质及养分，如处理不当将对生态环境构成极大的危害。

目前国内外对污泥处理的研究主要集中在几个方面。其中，污泥的处理方法引起了人们的重视。当前，填埋，焚烧，土地使用是其主要的处理方式。虽然填埋是最常用的处理方法，可以快速地移除淤泥，减少场地，但也有其明显的缺点。污泥填埋场因其长期暴露在大气中，容易遭受地下水等二次污染，给生态环境与人类健康带来很大的危害。另外，填埋也会消耗原本可以被更多利用的珍贵土地。

焚烧是处理城市污水的一种有效途径，但同时也带来了二噁英等有害气体的二次污染。相对来说，土地利用似乎是适度的，把污泥用作化肥或者是土壤改良剂，不仅可以保护环境，而且可以提高农业产量。但目前该技术还存在诸多问题，例如，如何保证污泥在稳定处置后不发生水土流失或结构性损伤。

为解决上述问题，人们一直在寻找新的方法。反应池技术是一种新型的污水处理技术，其目的是在保证出水质量的前提下，达到安全、高效处理污泥的目的。这样既可以降低对环境的不利影响，又可以提高能源的使用效率。

虽然电解法是一种很有前途的方法，但是它仍然在研究中，有待于进一步的研究。对反应器结构的优化、操作机理的完善和新的反应器的研制等方面进行了深入的研究。只有如此，才能在保证环境质量的前提下，找到既经济又有效的处理污泥的方法。

4.4膜污染与清洗分析

本文以PVDF为研究对象，选取了一种新型的PVDF中空纤维膜作为研究对象。该薄膜以优异的透气性著称，不但可以轻易穿透水分子，而且可以防止任何杂质和细菌的侵入。聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜因其特殊的结构及化学特性，具有长周期、高稳定性、高效率的特点。

但是，与其他材料类似，PVDF空心纤维膜也具有一定的抗压性能和稳定性。因此，长期持续运行下，膜内壁易积聚污染物，对膜的性能产生不利影响。针对此问题，本研究拟采用一种柔和的方式，即在膜中加入一定浓度的次氯酸钠，并对其进行初步的净化试验。

试验的结果是令人满意的。次氯酸钠是目前应用最广的一种消毒剂，对多种污染物均有较好的去除作用。在使用次氯酸钠处理一段时间后，可以明显的看到，大多数的污染物被去除，而剩余的物质也明显的降低。实验结果显示，经过适当的洗涤处理，PVDF中空纤维膜的性质可以得到很好的修复，并能维持较高的过滤效能。

另外，用次氯酸钠洗涤后的超滤膜，其出水率也有较大提高。虽然一开始会有轻微的减少，但是之后流量会慢慢地回到正常值。实验结果表明，次氯酸钠清洗工艺是一种高效、可靠的方法。本项目的研究，既能较好地解决实际问题，又能为今后类似的工程应用提供借鉴。在此基础上，实现PVDF中空纤维膜在不同工况下的长期、稳定运行。

5、结束语

本文设计了一种高效、经济的污水处理用膜生物反应池，并通过实验评估了其对各类污染物的去除效果、出水水质稳定性、能耗与运行成本以及污泥产量等方面的性能。结果显示，MBR池展现出了优异的处理效果与经济效益。本文的创新点在于提出了一种新型的MBR池设计方案，并建立了全面的性能评估体系，为MBR技术的推广与应用提供了理论支撑和实践指导。然而，研究也存在一定的局限性，如实验条件限制导致部分参数测定受限，以及MBR池在实际运行中可能面临的复杂问题。因此，未来的研究可以进一步探索MBR池的优化设计、运行管理策略及其在不同水质条件下的适应性，以推动MBR技术的持续发展和应用。

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文章来源:刘旭东,李锦亮,李飞飞.一种污水处理用膜生物反应池的设计与性能评估[J].价值工程,2024,43(20):5-8.