在污水處理領(lǐng)域，MBR又稱膜生物反應(yīng)器(Membrane Bio-Reactor)，是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。膜的種類繁多，按分離機(jī)理進(jìn)行分類，有反應(yīng)膜、離子交換膜、滲透膜等;按膜的性質(zhì)分類，有天然膜(生物膜)和合成膜(有機(jī)膜和無機(jī)膜) ;按膜的結(jié)構(gòu)型式分類，有平板型、管型、螺旋型及中空纖維型等。

一、工藝組成：

膜--生物反應(yīng)器主要由膜分離組件及生物反應(yīng)器兩部分組成。通常提到的膜--生物反應(yīng)器實(shí)際上是三類反應(yīng)器的總稱：

1.曝氣膜：

曝氣膜--生物反應(yīng)器(AMBR)最早見于Cote.P 等1988年報(bào)道，采用透氣性致密膜(如硅橡膠膜)或微孔膜(如疏水性聚合膜)，以板式或中空纖維式組件，在保持氣體分壓低于泡點(diǎn)( Bubble Point)情況下，可實(shí)現(xiàn)向生物反應(yīng)器的無泡曝氣。該工藝的特點(diǎn)是提高了接觸時(shí)間和傳氧效率，有利于曝氣工藝的控制，不受傳統(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時(shí)間的因素的影響。

2.萃取膜：

萃取膜--生物反應(yīng)器，又稱為EMBR(Extractive Membrane Bioreactor)。因?yàn)楦咚釅A度或?qū)ι镉卸疚镔|(zhì)的存在，某些工業(yè)廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理;當(dāng)廢水中含揮發(fā)性有毒物質(zhì)時(shí)，若采用傳統(tǒng)的好氧生物處理過程，污染物容易隨曝氣氣流揮發(fā)，發(fā)生氣提現(xiàn)象，不僅處理效果很不穩(wěn)定，還會(huì)造成大氣污染。

為了解決這些技術(shù)難題，英國學(xué)者Livingston研究開發(fā)了EMB。廢水與活性污泥被膜隔開來，廢水在膜內(nèi)流動(dòng)，而含某種專性細(xì)菌的活性污泥在膜外流動(dòng)，廢水與微生物不直接接觸，有機(jī)污染物可以通過選擇性透過膜被另一側(cè)的微生物降解。由于萃取膜兩側(cè)的生物反應(yīng)器單元和廢水循環(huán)單元是各自獨(dú)立，各單元水流相互影響不大，生物反應(yīng)器中營養(yǎng)物質(zhì)和微生物生存條件不受廢水水質(zhì)的影響，使水處理效果穩(wěn)定。系統(tǒng)的運(yùn)行條件如HRT和SRT可分別控制在最優(yōu)的范圍，維持最大的污染物降解速率。

3.固液分離型：

固液分離型膜--生物反應(yīng)器是在水處理領(lǐng)域中研究得最為廣泛深入的一類膜--生物反應(yīng)器，是一種用膜分離過程取代傳統(tǒng)活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術(shù)。其通過膜組件將固體有機(jī)物回流至反應(yīng)器中，再將處理過的有機(jī)水排出。膜分離生物反應(yīng)器的類型可以根據(jù)膜組件與生物反應(yīng)器位置進(jìn)行分類有一體式膜生物反應(yīng)器、分置式膜生物反應(yīng)器、復(fù)合式膜生物反應(yīng)器。

分置式膜生物反應(yīng)器通過泵對(duì)其加壓，混合液在壓力的作用下進(jìn)行過濾，這樣大分子有機(jī)物將被膜過濾出來，再回流到生物反應(yīng)器中進(jìn)行降解，如此循環(huán)操作進(jìn)一步地對(duì)有機(jī)污水中的有機(jī)物進(jìn)行分解。分置式膜生物反應(yīng)器具有穩(wěn)定、容易操作、膜容易清洗等特征，是有機(jī)污水處理的有效方法之一，但是由于為了提高循環(huán)泵的壓力會(huì)消耗較高的動(dòng)能。一體式膜生物反應(yīng)器是將膜組件置于生物反應(yīng)器中，再通過泵將過濾液抽出。

在傳統(tǒng)的廢水生物處理技術(shù)中，泥水分離是在二沉池中靠重力作用完成的，其分離效率依賴于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分離效率越高。而污泥的沉降性取決于曝氣池的運(yùn)行狀況，改善污泥沉降性必須嚴(yán)格控制曝氣池的操作條件，這限制了該方法的適用范圍。由于二沉池固液分離的要求，曝氣池的污泥不能維持較高濃度，一般在 1.5~3.5g/L左右，從而限制了生化反應(yīng)速率。水力停留時(shí)間(HRT)與污泥齡(SRT)相互依賴，提高容積負(fù)荷與降低污泥負(fù)荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的25% ～40% 。傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)還容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，出水中含有懸浮固體，出水水質(zhì)惡化。

針對(duì)上述問題，MBR將分離工程中的膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，大大提高了固液分離效率;并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌(特別是優(yōu)勢(shì)菌群)的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率;同時(shí)，通過降低F/M比減少剩余污泥產(chǎn)生量(甚至為0)，從而基本解決了傳統(tǒng)活性污泥法存在的許多突出問題。

二、工藝類型：

根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合方式，可將膜--生物反應(yīng)器分為分置式、一體式以及復(fù)合式三種基本類型。(以下討論的均為固液分離型膜--生物反應(yīng)器)

把膜組件和生物反應(yīng)器分開設(shè)置。生物反應(yīng)器中的混合液經(jīng)循環(huán)泵增壓后打至膜組件的過濾端，在壓力作用下混合液中的液體透過膜，成為系統(tǒng)處理水;固形物、大分子物質(zhì)等則被膜截留，隨濃縮液回流到生物反應(yīng)器內(nèi)。

分置式膜--生物反應(yīng)器的特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定可靠，易于膜的清洗、更換及增設(shè);而且膜通量普遍較大。但一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積，延長膜的清洗周期，需要用循環(huán)泵提供較高的膜面錯(cuò)流流速，水流循環(huán)量大、動(dòng)力費(fèi)用高(Yamamoto,1989)，并且泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力會(huì)使某些微生物菌體產(chǎn)生失活現(xiàn)象(Brockmann and Seyfried,1997)。

1一體式：

把膜組件置于生物反應(yīng)器內(nèi)部。進(jìn)水進(jìn)入膜--生物反應(yīng)器，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在外壓作用下由膜過濾出水。

這種形式的膜--生物反應(yīng)器由于省去了混合液循環(huán)系統(tǒng)，并且靠抽吸出水，能耗相對(duì)較低;占地較分置式更為緊湊，近年來在水處理領(lǐng)域受到了特別關(guān)注。但是一般膜通量相對(duì)較低，容易發(fā)生膜污染，膜污染后不容易清洗和更換。

2復(fù)合式：

形式上也屬于一體式膜--生物反應(yīng)器，所不同的是在生物反應(yīng)器內(nèi)加裝填料，從而形成復(fù)合式膜--生物反應(yīng)器，改變了反應(yīng)器的某些性狀。

三、工藝特點(diǎn)：

與許多傳統(tǒng)的生物水處理工藝相比，MBR 具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

1出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定：

由于膜的高效分離作用，分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)沉淀池，處理出水極其清澈，懸浮物和濁度接近于零，細(xì)菌和病毒被大幅去除，出水水質(zhì)優(yōu)于建設(shè)部頒發(fā)的生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJ25.1-89)，可以直接作為非飲用市政雜用水進(jìn)行回用。

同時(shí)，膜分離也使微生物被完全被截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，使得系統(tǒng)內(nèi)能夠維持較高的微生物濃度，不但提高了反應(yīng)裝置對(duì)污染物的整體去除效率，保證了良好的出水水質(zhì)，同時(shí)反應(yīng)器對(duì)進(jìn)水負(fù)荷(水質(zhì)及水量)的各種變化具有很好的適應(yīng)性，耐沖擊負(fù)荷，能夠穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)。

2剩余污泥產(chǎn)量少：

該工藝可以在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷下運(yùn)行，剩余污泥產(chǎn)量低(理論上可以實(shí)現(xiàn)零污泥排放)，降低了污泥處理費(fèi)用。

3占地面積小，不受設(shè)置場(chǎng)合限制：

生物反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負(fù)荷高，占地面積大大節(jié)省;該工藝流程簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積省，不受設(shè)置場(chǎng)所限制，適合于任何場(chǎng)合，可做成地面式、半地下式和地下式。

4可去除氨氮及難降解有機(jī)物：

由于微生物被完全截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，從而有利于增殖緩慢的微生物如硝化細(xì)菌的截留生長，系統(tǒng)硝化效率得以提高。同時(shí)，可增長一些難降解的有機(jī)物在系統(tǒng)中的水力停留時(shí)間，有利于難降解有機(jī)物降解效率的提高。

5操作管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制：

該工藝實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間(HRT)與污泥停留時(shí)間(SRT)的完全分離，運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中容易實(shí)現(xiàn)裝備化的新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)控制，從而使操作管理更為方便。

6易于從傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改造：

該工藝可以作為傳統(tǒng)污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級(jí)污水處理廠出水深度處理(從而實(shí)現(xiàn)城市污水的大量回用)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

膜--生物反應(yīng)器也存在一些不足。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)膜造價(jià)高，使膜--生物反應(yīng)器的基建投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝;

(2)膜污染容易出現(xiàn)，給操作管理帶來不便;

(3)能耗高：首先MBR泥水分離過程必須保持一定的膜驅(qū)動(dòng)壓力;其次是MBR池中MLSS濃度非常高，要保持足夠的傳氧速率，必須加大曝氣強(qiáng)度;還有為了加大膜通量、減輕膜污染，必須增大流速，沖刷膜表面，造成MBR的能耗要比傳統(tǒng)的生物處理工藝高。

四、工藝用膜：

膜可以由很多種材料制備，可以是液相、固相甚至是氣相的。目前使用的分離膜絕大多數(shù)是固相膜。根據(jù)孔徑不同可分為：微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜;根據(jù)材料不同，可分為無機(jī)膜和有機(jī)膜，無機(jī)膜主要是微濾級(jí)別膜。膜可以是均質(zhì)或非均質(zhì)的，可以是荷電的或電中性的。廣泛用于廢水處理的膜主要是由有機(jī)高分子材料制備的固相非對(duì)稱膜。

膜的分類依據(jù)及分類：

1.膜材質(zhì)：

(1)高分子有機(jī)膜材料：聚烯烴類、聚乙烯類、聚丙烯腈、聚砜類、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。

有機(jī)膜成本相對(duì)較低，造價(jià)便宜，膜的制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式也較為多樣，應(yīng)用廣泛，但運(yùn)行過程易污染、強(qiáng)度低、使用壽命短。

(2)無機(jī)膜：是固態(tài)膜的一種，是由無機(jī)材料，如金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無機(jī)高分子材料等制成的半透膜。

目前在MBR中使用的無機(jī)膜多為陶瓷膜。優(yōu)點(diǎn)是：它可以在pH=0~14、壓力P<10MPa、溫度<350 ℃的環(huán)境中使用，其通量高、能耗相對(duì)較低，在高濃度工業(yè)廢水處理中具有很大競(jìng)爭(zhēng)力;缺點(diǎn)是：造價(jià)昂貴、不耐堿、彈性小、膜的加工制備有一定困難。

2膜孔徑：

MBR 工藝中用膜一般為微濾膜(MF)和超濾膜(UF)，大都采用0.1～0.4μm膜孔徑，這對(duì)于固液分離型的膜反應(yīng)器來說已經(jīng)足夠。

微濾膜常用的聚合物材料有：聚碳酸酯、纖維素酯、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亞胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚酰胺等。

超濾常用聚合物材料有：聚砜、聚醚砜(PES)、聚酰胺、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯、纖維素酯、聚醚醚酮、聚亞酰胺、聚醚酰胺等。

3膜組件：

為了便于工業(yè)化生產(chǎn)和安裝，提高膜的工作效率，在單位體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的膜面積，通常將膜以某種形式組裝在一個(gè)基本單元設(shè)備內(nèi)，在一定的驅(qū)動(dòng)力下，完成混合液中各組分的分離，這類裝置稱為膜組件(Module)。

4工業(yè)上常用的膜組件形式有五種：

板框式、螺旋卷式、圓管式、中空纖維式和毛細(xì)管式。前兩種使用平板膜，后三者使用管式膜。圓管式膜直徑>10mm;毛細(xì)管式0.5~10.0mm;中空纖維式<0.5mm。

附表：各種膜組件特性：

MBR 工藝中常用的膜組件形式有：板框式、圓管式、中空纖維式。

（1）板框式：

MBR工藝最早應(yīng)用的一種膜組件形式，外形類似于普通的板框式壓濾機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)：制造組裝簡(jiǎn)單，操作方便，易于維護(hù)、清洗、更換。

缺點(diǎn)：密封較復(fù)雜，壓力損失大，裝填密度小。

（2）圓管式：

由膜和膜的支撐體構(gòu)成，有內(nèi)壓型和外壓型兩種運(yùn)行方式。實(shí)際中多采用內(nèi)壓型，即進(jìn)水從管內(nèi)流入，滲透液從管外流出。膜直徑在 6~24mm 之間。

優(yōu)點(diǎn)：料液可以控制湍流流動(dòng)，不易堵塞，易清洗，壓力損失小。

缺點(diǎn)：裝填密度小。

（3）中空纖維式：

組裝形式如下圖所示：外徑一般為40～250μm，內(nèi)徑為25～42μm。在MBR中，常把組件直接放入反應(yīng)器中，不需耐壓容器，構(gòu)成浸沒式膜--生物反應(yīng)器。一般為外壓式膜組件。

(4)柱形中空纖維膜：

優(yōu)點(diǎn)：耐壓強(qiáng)度高，不易變形，不需支撐材料;裝填密度高;造價(jià)相對(duì)較低;壽命較長，可以采用物化性能穩(wěn)定，透水率低的尼龍中空纖維膜。

缺點(diǎn)：對(duì)堵塞敏感，污染和濃差極化對(duì)膜的分離性能有很大影響。

(5)螺旋卷式：

螺旋卷式簡(jiǎn)稱卷式，主要部件為多孔支撐材料，兩側(cè)是膜，三邊密封，開放邊與一根多孔的中心產(chǎn)品水收集管密封連接，在膜袋外部的原水側(cè)墊一層網(wǎng)眼型間隔材料，把膜袋-隔網(wǎng)依次迭合，繞中心集水管緊密地卷起來，形成一個(gè)膜卷，裝進(jìn)圓柱形壓力容器內(nèi)，就制成了一個(gè)螺旋卷式膜組件。

優(yōu)點(diǎn)：膜的裝填密度高;膜支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;濃差極化小;容易調(diào)整膜面流態(tài)。

缺點(diǎn)：中心管處易泄漏;膜與支撐材料的粘結(jié)處膜易破裂而泄漏;膜的安裝和更換困難。

五、應(yīng)用領(lǐng)域：

1城市污水處理及建筑中水回用：

1967年第一個(gè)采用MBR工藝的廢水處理廠由美國的Dorr-Oliver公司建成，這個(gè)處理廠處理14m3/d廢水。 1977年，一套污水回用系統(tǒng)在日本的一幢高層建筑中得到實(shí)際應(yīng)用。1980年，日本建成了兩座處理能力分別為 10m3/d 和50m3/d的MBR處理廠。90年代中期，日本就有39座這樣的廠在運(yùn)行，最大處理能力可達(dá)500m3 /d，并且有100 多處的高樓采用MBR將污水處理后回用于中水道。1997年，英國Wessex公司在英國Porlock建立了當(dāng)時(shí)世界上最大的MBR系統(tǒng)，日處理量達(dá)2000m3，1999年又在Dorset的Swanage建成了13000m3/d的MBR工廠。

1998年5月，清華大學(xué)進(jìn)行的一體式膜--生物反應(yīng)器中試系統(tǒng)通過了國家鑒定。2000年初，清華大學(xué)在北京市海淀鄉(xiāng)醫(yī)院建起了一套實(shí)用的MBR系統(tǒng)，用以處理醫(yī)院廢水，該工程于2000年6月建成并投入使用，目前運(yùn)轉(zhuǎn)正常。2000 年9 月，天津大學(xué)楊造燕教授及其領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在天津新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)普辰大廈建成了一個(gè)MBR示范工程，該系統(tǒng)日處理污水25t，處理后的污水全部用于衛(wèi)生間的沖洗及綠地澆灑，占地面積為10平方米，處理每噸污水的能耗為0.7kW˙h。

2工業(yè)廢水處理：

90年代以來，MBR的處理對(duì)象不斷拓寬，除中水回用、糞便污水處理以外，MBR在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用也得到了廣泛關(guān)注，如處理食品工業(yè)廢水、水產(chǎn)加工廢水、養(yǎng)殖廢水、化妝品生產(chǎn)廢水、染料廢水、石油化工廢水，均獲得了良好的處理效果。90年代初，美國在Ohio建造了一套用于處理某汽車制造廠的工業(yè)廢水的MBR系統(tǒng)，處理規(guī)模為151m3/d，該系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷達(dá)6.3kgCOD/m3˙d ，COD去除率為94%，絕大部分的油與油脂被降解。在荷蘭，一座脂肪提取加工廠采用傳統(tǒng)的氧化溝污水處理技術(shù)處理其生產(chǎn)廢水，由于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，結(jié)果導(dǎo)致污泥膨脹，污泥難以分離，最后采用Zenon的膜組件代替沉淀池，運(yùn)行效果良好。

3微污染飲用水凈化：

隨著氮肥與殺蟲劑在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，飲用水也不同程度受到污染。LyonnaisedesEaux公司在90年代中期開發(fā)出同時(shí)具有生物脫氮、吸附殺蟲劑、去除濁度功能的MBR工藝，1995 年該公司在法國的Douchy建成了日產(chǎn)飲用水400m3的工廠。出水中氮濃度低于0.1mgNO2/L，殺蟲劑濃度低于0.02μg/L 。

4糞便污水處理：

糞便污水中有機(jī)物含量很高，傳統(tǒng)的反硝化處理方法要求有很高污泥濃度，固液分離不穩(wěn)定，影響了三級(jí)處理效果。MBR的出現(xiàn)很好地解決了這一問題，并且使糞便污水不經(jīng)稀釋而直接處理成為可能。

日本已開發(fā)出被稱之為NS系統(tǒng)的屎尿處理技術(shù)，最核心部分是平板膜裝置與好氧高濃度活性污泥生物反應(yīng)器組合的系統(tǒng)。NS系統(tǒng)于1985年在日本琦玉縣越谷市建成，生產(chǎn)規(guī)模為10kL/d，1989年又先后在長崎縣、熊本縣建成新的屎尿處理設(shè)施。NS系統(tǒng)中的平板膜每組約0.4m2共幾十組并列安裝，做成能自動(dòng)打開的框架裝置，并能自動(dòng)沖洗。膜材料為截流分子量20000的聚砜超濾膜。反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度保持在15000~18000mg/L范圍內(nèi)。到 1994 年，日本已有1200多套MBR系統(tǒng)用于處理4000多萬人的糞便污水。

5土地填埋場(chǎng)/肥滲濾液處理：

土地填埋場(chǎng)/堆肥滲濾液含有高濃度的污染物，其水質(zhì)和水量隨氣候條件與操作運(yùn)行條件的變化而變化。 MBR技術(shù)在1994年前就被多家污水處理廠用于該種污水的處理。通過MBR與RO技術(shù)的結(jié)合，不僅能去除SS、有機(jī)物和氮，而且能有效去除鹽類與重金屬。最近美國Envirogen公司開發(fā)出一種MBR用于土地填埋場(chǎng)滲濾液的處理，并在新澤西建成一個(gè)日處理能力為40萬加侖(約1500m3/d)的裝置，在2000年底投入運(yùn)行。該種MBR使用一種自然存在的混合菌來分解滲濾液中的烴和氯代化合物，其處理污染物的濃度為常規(guī)廢水處理裝置的50 ～ 100倍。能達(dá)到這一處理效果的原因是，MBR能夠保留高效細(xì)菌并使細(xì)菌濃度達(dá)到50000g/。在現(xiàn)場(chǎng)中試中，進(jìn)液COD為幾百至40000mg/L，污染物的去除率達(dá)90%以上。

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