超滤膜生物反应器(UltrafiltrationMembraneBioreactor，UMBR)是将超滤膜与生物反应器相结合的一种水处理设备。根据膜组件和生物反应器的位置和流体流程的不同，可分为内置式膜生物反应器(SubmergedMembraneBioreactor，SMBR)和外置式膜生物反应器(Re—circulatedMembraneBioreactor，RMBR)。外置式超滤膜生物反应器(Re—circulatedUltrafiltrationMembraneBioreactor，RUMBR)是将超滤膜外置于生物反应器的一种水处理设备。20世纪60年代末，Smith等…首次用超滤膜过滤活性污泥，开始了用超滤膜处理废水的研究。UMBR处理效率高、操作运行简便、容易实现一体化自动控制、不受污泥膨胀的影响J，但存在超滤膜通量小、寿命短、易堵塞等缺点，使其推广应用受到限制。
随着膜技术的发展成熟，UMBR在废水处理方面的应用前景将极为广阔。我国大部分油田己进人中后期开采阶段，采出液含水量已达80％～90％，水质也随着工艺的复杂化而更加恶化，大大增加了废水的处理难度。仅胜利油田每天就有约700kt的采油废水需要处理，其中有约100kt的废水要求精细过滤后回注。本工作采用RUMBR对胜利油田某区块采出液(废水)进行处理，收到了较好的效果。
1实验部分
1.1废水水质
废水为胜利油田某区块采出液，黑褐色，有油污和腥臭味，pH7.0～7.1，其中含有ca¨，Mg，K，Na等阳离子和c1一，HC03-，s0一，CH3COO一等阴离子，总矿化度为23lllmg/L，P(总磷)为0.064mg/L，P(总氮)为3.77mg/L，P(油)为26.0mg/L，P(悬浮物)为78me./L，硫酸盐还原菌(SRB)浓度为750个/mL，腐生菌浓度为250个/mL，烃类氧化菌浓度为0.7个/mL；采出液COD为679mg/L，BOD为260mg/L，BOD5/COD为0.38，可生化性良好。
1.2工艺流程与装置
RUMBR处理废水的工艺流程见图l。
实验采用间歇式运行。缓冲池容积为200L。生物接触氧化池由有机玻璃制成，长0.4m，宽0.4m，高0.96m，有效容积为140L，池内填料为聚乙烯软性纤维束。空气压缩机通过生物接触氧化池底部设有的直径为l0mill的曝气头对池内的废水进行曝气，水中溶解氧质量浓度为3～4me./L。膜组件为内压式中空纤维超滤膜。膜材料为聚偏氯乙烯(PVDF)，其切割相对分子质量为6×l0，膜面积为0.2m，长为0.386m，新膜在0.08MPa下纯水通量为48L/h。
1.3高效原油降解菌的筛选驯化
采用石油筛选培养基(以该区块原油为惟一碳源)进行石油降解菌的分离纯化。从胜利油田某区块取含油水样、土样和油样进行富集培养，经多次平板分离和进一步增值培养得到单一菌种。经过筛选、驯化得到3株高效原油降解菌，经分类鉴定，2株为假单胞菌，l株为芽孢杆菌。
1.4生物接触氧化法处理含油废水
1.4.1配制培养液
模拟废水水质，向自来水中加入无机及有机营养物，配方：NaCl5g，葡萄糖3g，蛋白胨3g，酵母膏3g，KHPO42.7g，蒸馏水lL，培养液pH为7.0。BOD：P(N)：P(P)为100：5：l。
1.4.2生物膜的培养和驯化
第一阶段，将筛选得到的3株高效原油降解菌接人到培养液中，间歇曝气培养5d，每次曝气24h，停止曝气4h；第二阶段静态培养15d，向生物接触氧化池中加入废水和无机氮、磷，逐渐降低培养液的浓度；第三阶段动态培养l0d，生物接触氧化池进水改为连续进水，调节进水流量，控制废水在生物接触氧化池中的水力停留时间为l0h、溶解氧质量浓度3～4mg/L。经过1个月的挂膜实验，各项运行参数基本趋于稳定，填料挂膜成功。
1.5超滤膜处理含油废水
在0.04～0.12MPa的压力下，考察了膜通量随压力变化的情况。在20～50℃每问隔5℃考察温度对超滤过程的影响(排除水质和膜清洗等因素的影响)，得到膜通量随温度变化的情况。针对膜污染，设计了一种分别用超滤水反冲洗、稀碱、稀酸、杀菌剂(如NaCIO溶液)和超滤水冲洗的膜清洗方法，考察了不同清洗剂对膜通量恢复的情况。实验运行20d后，在生物接触氧化池后增加一个沉淀池，池中加入杀菌剂(NaCIO溶液)，考察膜污染减少的情况。最后对生物接触氧化池和膜过滤出水的水质(油、悬浮物质量浓度)进行分析检测。
2结果与讨论
2.1生物接触氧化池
细菌浓度在5d时达到最大值1×10个/mL，并在此浓度下保持几天，随着废水的加入，由于营养的降低及细菌和原生动物的生物竞争，使生物接触氧化池内细菌浓度逐渐降至1×10个/mL，细菌对废水适应后，细菌浓度稳定在1×10。个/mL。
微生物在生物接触氧化池内的填料上形成生物膜，直接影响微生物对废水中有机物降解的效率。第一阶段：培养液产生大量泡沫，且变浑浊。镜检观察，细菌在池中大量繁殖，挂膜5d，填料上有少量生物膜，生物相主要以细菌为主，并有圆球衣藻、变形裸藻等低等原生动物出现。第二阶段：细菌浓度降低。开始时废水中的油和COD去除率分别为60％和40％左右，15d后出水水质稳定，油和COD去除率分别达到91.6％和78％，BOD去除率达到80％，悬浮物也有很大程度的减少，此时生物膜已基本适应了水质条件。镜检观察，发现有一些变形虫、漫游虫。第三阶段：25d时镜检观察，发现帆口虫、钟虫、草履虫等原生动物，30d时出现轮虫、线条三足虫等后生动物，标志着生物膜已逐渐长至成熟，填料表面生长了薄薄一层棕褐色生物膜，膜厚1～2rnnl，生物接触氧化池各项参数趋于稳定，至此，填料挂膜成功。
2.2超滤膜过滤
2.2.1压力对膜通量的影响压力对膜通量的影响见图2。
超滤膜过滤生化处理后的废水时，存在一个临界压力。从图2可见，压力为0.04～0.08MPa时，膜通量随压力的升高而增大；压力大于0.08MPa后，再升高压力，膜通量增幅减缓。另外，操作压力过高，使动力消耗加大，且影响膜的使用寿命¨。因此，0.08MPa即为超滤膜的临界压力。观察反冲洗物，发现有微小油滴出现，证明有油滴进入膜孔内，造成膜孔堵塞，导致膜通量减小。
2.2.2温度对膜通量的影响
温度对膜通量的影响(排除水质和膜清洗等因素的影响)见图3。
从图3可见，随着温度的升高，膜通量基本呈线性增大。用线性回归方法对实验结果进行处理得关系式：Y=0.2289x+15.201：R：0.9916表明温度与膜通量之间存在良好的线性关系。考虑到升高温度对能量的需求和对生物接触氧化池内细菌、膜组件及设备的影响，温度也并非是越高越好。因此，确定实验温度为20～28℃。
2.2.3时问对膜通量的影响
在0.08MPa压力下实验进行5h，考察时问对膜通量的影响，结果见图4。从图4可见，实验初期膜通量为48L/h；当实验进行约150min后，膜通量逐渐减至17L/h并趋于稳定。由此可见，超滤膜的通量存在一个稳定的最低值。
在0.08MVa压力下实验进行31d，每天运行5h，每1h反冲洗1次，考察膜通量与时问的关系。实验结果表明，经过清洗，膜通量基本可恢复至初始值(48L/h)。
2.2.4膜污染与清洗
实验运行1h后，膜通量降至初始膜通量的40％左右，认为膜已发生污染，需通过清洗来恢复膜通量。首先，用超滤水冲洗超滤膜，以去除附着在超滤膜表面的无机固体颗粒和部分细菌体，清洗前膜通量为初始膜通量的40％，清洗后膜通量可增至初始膜通量的63％；然后用稀碱清洗，清洗后膜通量可增至初始膜通量的74％；再用稀酸进行清洗，清洗后膜通量可增至初始膜通量的90％；最后在清洗液中加入杀菌剂(如NaCIO溶液)，清洗后膜通量可增至初始膜通量的98％以上。整个清洗过程约15rnin，清洗时问比文献报道的方法缩短。
许坚等认为，微生物及其菌胶团在膜纤维表面的附着、繁殖形成生物膜，从而对超滤膜形成污染。为验证该结论的正确性，实验进行20d后在生物接触氧化池后增加一个沉淀池并加入杀菌剂(质量分数为0.3％的NaC10溶液)。未加沉淀池时，每运行1h时膜通量降至初始的41.59％(平均)；增加沉淀池后，每运行1h后，膜通量降至初始的44.82％(平均)，膜污染可减少约7.77％。。
2.3废水处理效果
2.3.1油质量浓度
进水、生物接触氧化池出水及RUMBR出水中油质量浓度与时间的关系见图5。经生物接触氧化池、RUMBR处理后的出水水质相对稳定，出水中油质量浓度在1mg/L以下，达到低渗透油田回注水A1级要求。
2.3.2悬浮物
进水、生物接触氧化池出水及RUMBR出水中悬浮物质量浓度与时间的关系见图6。经生物接触氧化池、RUMBR处理后，出水中悬浮物质量浓度在3mg/L以下，达到低渗透油田回注水A3级要求。
3结论
a)外置式超滤膜生物反应器(RUMBR)对含油废水适应能力强，在油质量浓度大于25mg/L时也能正常运行，未出现油黏附在生物膜上造成缺氧而脱落的情况。
b)经过筛选、驯化得到3株高效原油降解菌，经分类鉴定，2株为假单胞菌，1株为芽孢杆菌。
C)生物膜培养成熟后，系统中氮、磷等营养成分可以循环利用，无需再加入营养成分。控制生物接触氧化池内溶解氧质量浓度为3～4mg/L。
d)废水在生物接触氧化池中的水力停留时间为10h，生物接触氧化池中细菌浓度为1×10。个/mL，RUMBR出水中油质量浓度在1mg/L以下，悬浮物质量浓度在3mg/L以下。
e)操作压力增大可使膜通量增加，温度升高和膜通量增加基本呈线性关系。实验得出的适宜操作压力为0.08MPa，温度为20～28℃。
f)对污染后的超滤膜采用超滤水反冲洗、稀碱、稀酸、杀菌剂(如NaCIO溶液)加超滤水冲洗的方法，膜通量可恢复到初始膜通量的98％以上。在生物接触氧化池后增加一个沉淀池，池中加入杀菌剂(质量分数为0.3％的NaC10溶液)，膜污染可以减少约7.77％。
