MBR处理工艺：结构、膜组件、设计、应用及展望

文章导读

在污水处理、水资源再利用领域，MBR又称膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor），它是一种结合膜分离单元和生物处理单元的新型水处理技术。膜种类繁多，包括反应膜、离子交换膜、渗透膜等。根据膜的性质，包括天然膜（生物膜）和合成膜（有机膜和无机膜） ；根据膜的结构类型，包括板、管、螺旋和空心纤维。

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工艺组成

膜--生物反应器主要由膜分离组件和生物反应器组成。通常提到的膜--生物反应器实际上是三类反应器的总称：

①曝气膜--生物反应器(Aeration Membrane Bioreactor,AMBR) ；

②萃取膜--生物反应器（ExtractiveMembrane Bioreactor,EMBR）；

③固液分离膜--生物反应器（Solid/Liquid SeparationMembrane Bioreactor,SL BR,简称 MBR）。

1曝气膜

曝气膜--生物反应器（AMBR）较早见于Cote.P 等1988年报道，透气致密膜(如硅橡胶膜)或微孔膜(如疏水聚合膜)用于保持气体分压低于气泡点( Bubble Point）在这种情况下，可以实现生物反应器的无气泡曝气。该工艺的特点是提高接触时间和氧传输效率，有利于控制曝气过程，不受传统曝气中气泡大小和停留时间的影响。

2萃取膜

萃取膜--又称生物反应器EMBR（Extractive Membrane Bioreactor）。由于高pH值或生物有毒物质的存在，部分工业废水不应直接接触微生物；当废水中含有挥发性有毒物质时，如果采用传统的好氧生物处理工艺，污染物容易随着曝气流挥发，不仅处理效果不稳定，还会造成空气污染。

英国学者Livingston研究开发了EMB。废水与活性污泥分离，废水在膜内流动，含有特定细菌的活性污泥在膜外流动，废水与微生物不直接接触，有机污染物可通过膜选择性降解。由于提取膜两侧的生物反应器单元和废水循环单元独立，各单元的水流相互影响不大，生物反应器中的营养物质和微生物生存条件不受废水水质的影响，水处理效果稳定。系统的运行条件，如HRT和SRT污染物降解率可分别控制在较佳范围内。

3固液分离型

固液分离膜--生物反应器是水处理领域研究较广泛、较深入的膜--生物反应器是用膜分离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的一种水处理技术。固体有机物通过膜组件返回反应器，然后排出处理过的有机水。膜分离生物反应器的类型可根据膜组件和生物反应器的位置进行分类。

分离膜生物反应器通过泵加压，混合物在压力作用下过滤，使大分子有机物被膜过滤，然后回流到生物反应器进行降解，从而进一步分解有机污水中的有机物。分离膜生物反应器具有稳定、操作方便、膜清洗方便的特点，是有机污水处理的有效方法之一，但由于循环泵的压力，会消耗更高的动能。集成膜生物反应器将膜组件放置在生物反应器中，然后通过泵提取过滤液。

在传统的废水生物处理技术中，泥浆和水的分离是通过重力在二沉池中完成的，其分离效率取决于活性污泥的沉降性能。沉降越好，泥浆和水的分离效率就越高。污泥的沉降取决于曝气池的运行状态，必须严格控制曝气池的运行条件，这限制了该方法的应用范围。由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能保持较高的浓度，一般为 1.5~3.5g/L从而限制了生化反应速率。水力停留时间（HRT）与污泥龄（SRT）相互依赖，增加体积负荷和减少污泥负荷往往形成矛盾。系统在运行过程中还产生大量剩余污泥，占污水处理厂运行成本的25% ~40% 。传统的活性污泥处理系统也容易出现污泥膨胀，其中含有悬浮固体，水质恶化。

针对上述问题，MBR将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合，大大提高了固液分离效率；由于曝气池中活性污泥浓度的增加和污泥中*菌（特别是优势菌群）的出现，提高了生化反应率；同时，通过降低F/M从而基本解决了传统活性污泥法存在的诸多突出问题，减少了剩余污泥的产量(甚至0)。

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工艺类型

膜组件和生物反应器的组合可以根据膜组件和生物反应器的组合进行--生物反应器分为三种基本类型：分离型、一体型和复合型。（以下讨论均为固液分离膜--生物反应器)

分置式

分别设置膜组件和生物反应器。生物反应器中的混合物通过循环泵加压到膜组件的过滤端。在压力作用下，混合物中的液体通过膜成为系统处理水；固体物质和大分子物质被膜拦截，并随浓缩液返回生物反应器。

分置膜--生物反应器运行稳定可靠，易于清洗、更换和增加膜；膜通量一般较大。但一般来说，为了减少膜表面污染物的沉积，延长膜的清洗周期，循环泵需要提供较高的膜错流量、较大的水流量和较高的电力成本（Ya moto,1989），泵高速旋转产生的剪切力会导致某些微生物菌体失活（Brock nn and Seyfried,1997）。

1一体式

将膜组件放置在生物反应器内。进入膜的水--混合液中的活性污泥去除了生物反应器中的大部分污染物，然后在外压作用下通过膜过滤出水。

这种形式的膜--由于生物反应器节省了混合液循环系统，并通过吸水，能耗相对较低；占地面积比分离更紧凑，近年来在水处理领域受到特别关注。但一般膜通量相对较低，容易发生膜污染，膜污染后不易清洗更换。

2复合式

也属于一体式膜--生物反应器的区别在于在生物反应器中安装填料，形成复合膜--生物反应器改变了反应器的某些特性。

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工艺特点

与许多传统的生物水处理工艺相比，MBR 具有以下主要优点：

1优质稳定的出水水质

由于膜的有效分离，分离效果远好于传统沉淀池，处理出水非常清澈，悬浮物和浊度接近零，细菌和病毒大大去除，出水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准（CJ25.1-89），可直接作为非饮用市政杂用水回用。

同时，膜分离也使微生物在生物反应器中完全切断，使系统能够保持较高的微生物浓度，不仅提高污染物反应装置的整体去除效率，保证良好的水质，同时反应器对进水负荷（水质和水）变化具有良好的适应性，抗冲击负荷，能稳定获得高质量的水质。

2剩余污泥产量较少

该工艺可在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低(理论上可实现零污泥排放)，降低了污泥处理成本。

3占地面积小，不受设置场合限制

生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积大大节省；该工艺流程简单、结构紧凑、占地面积省，不受设置场所限制，适合于任何场合，可做成地面式、半地下式和地下式。

4可去除氨氮和难降解有机物

由于微生物在生物反应器中被完全截流，有利于硝化细菌等微生物的缓慢生长，提高了系统的硝化效率。同时，可以增加系统中一些难降解有机物的水力停留时间，有利于提高难降解有机物的降解效率。

5操作管理方便，易于实现自动控制

该工艺实现了水力停留时间（HRT）与污泥停留时间（SRT）完全分离，操作控制更加灵活稳定，是污水处理中易于实现设备化的新技术，可实现微机自动控制，使操作管理更加方便。

6从传统工艺进行改造很容易

该工艺可作为传统污水处理工艺的深度处理单元，在城市二级污水处理厂（实现大量城市污水回用）等领域具有广阔的应用前景。

膜--生物反应器也存在一些不足。主要表现在以下几个方面：

(1)膜成本高，使膜成本高--生物反应器基础设施投资高于传统污水处理工艺；

(2)膜污染易发生，给操作管理带来不便；

（3）能耗高：首先MBR泥浆分离过程必须保持一定的膜驱动压力；二是MBR池中MLSS浓度很高，为了保持足够的氧传输速率，必须增加曝气强度；为了增加膜通量，减少膜污染，必须增加流量，清洗膜表面，造成MBR能耗高于传统的生物处理工艺。

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工艺用膜

膜可以由多种材料制成，可以是液相、固相甚至气相。目前使用的绝大多数分离膜都是固相膜。根据不同的孔径可分为：微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；根据不同的材料，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要是微滤膜。薄膜可以是均质或非均质的，也可以是电荷或电中性的。广泛用于废水处理的薄膜主要由有机聚合物材料制成。

膜的分类依据及分类：

1膜材质

聚合物有机膜材料：聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯腈、聚啶、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。

有机膜成本相对较低，成本低，膜制造工艺成熟，膜孔径和形式多样，应用广泛，但操作过程易污染，强度低，使用寿命短。

2、无机膜：是一种由金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机聚合物材料等无机材料制成的半透膜。

目前在MBR陶瓷膜多用于无机膜。优点是:它可以在那里pH=0~14、压力P<10MPa、温度<350 ℃在环境中，其通量高、能耗相对较低，在高浓度工业废水处理中具有竞争力；缺点是成本高、耐碱性低、弹性小、膜加工制备困难。

2膜孔径

MBR 工艺中的薄膜一般为微滤膜（MF）和超滤膜（UF），大都采用0.1～0.4μm膜孔径对于固液分离膜反应器来说已经足够了。

微滤膜常用的聚合物材料有酸酯、纤维素酯、聚偏二氟乙烯、聚醚、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚酰胺等。

聚合物材料常用于超滤：聚硫、聚醚硫（PES）、聚酰胺、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯、纤维素酯、聚醚醚酮、聚亚酰胺、聚醚酰胺等。

3膜组件

为了便于工业生产和安装，提高膜的工作效率，实现单位体积中较大的膜面积，膜通常以某种形式组装在基本单元设备中，在一定的驱动力下完成混合物中各组分的分离，称为膜组件（Module）。

工业上常用的膜组件有五种形式：

板框、螺旋卷、圆管、中空纤维和毛细管。前两种使用平板膜，后三种使用管膜。圆管膜的直径>10mm；毛细管式0.5~10.0mm；中空纤维式<0.5mm。

附表：各种膜组件的特点

MBR 工艺中常用的膜组件有:板框、圆管、中空纤维。

(1)板框式

MBR较早使用的膜组件形式与普通板框压滤机相似。

优点：制造组装简单，操作方便，维护、清洁、更换方便。

缺点：密封复杂，压力损失大，填充密度小。

(2)圆管式

它由膜和膜的支撑体组成，包括内压型和外压型。实际上，内压型主要用于进水从管内流入，渗透液从管外流出。膜直径为 6~24mm 之间。

优点：料液能控制湍流，不易堵塞，易清洗，压力损失小。

缺点：装填密度小。

(3)中空纤维型

组装形式如下图所示：外径一般为40～250μm，内径为25～42μm。在MBR在中间，组件通常直接放入反应器，不需要耐压容器，形成浸没膜--生物反应器。一般为外压膜组件。

(4)柱中空纤维膜

优点：耐压强度高，不易变形，无支撑材料，填充密度高，成本相对较低，使用寿命长，尼龙空心纤维膜物化性能稳定，透水性低。

缺点:对堵塞敏感，污染和浓差极化对膜的分离性能影响很大。

(5)螺旋卷

螺旋卷简称卷，主要部件为多孔支撑材料，两侧为膜，三侧密封，开放边与多孔中心产品水收集管密封连接，在膜袋外原水侧垫一层网状间隔材料，膜袋-网依次重叠，绕中心水管紧密卷，形成膜卷，进入圆柱压力容器，制成螺旋膜组件。

优点：膜填充密度高，膜支撑结构简单，厚差极化小，容易调节膜流态。

缺点:中心管容易泄漏；膜与支撑材料的粘结膜容易破裂泄漏；膜很难安装和更换。

MBR膜组件设计的一般要求：

（1）对膜提供足够的机械支撑，流道通畅，没有流动死角和静水区；

（2）能耗较低，尽量减少浓差极化，提高分离效率，减轻膜污染；

（3）尽可能高的装填密度，安装，清洗、更换方便；

（4）具有足够的机械强度、化学和热稳定性。

膜组件的选用要综合考虑其成本，装填密度、应用场合、系统流程、膜污染及清洗、使用寿命等。

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应用领域

进入90年代中后期，膜--生物反应器在国外已进入了实际应用阶段。加拿大Zenon 公司首先推出了超滤管式膜--生物反应器，并将其应用于城市污水处理。为了节约能耗，又开发了浸入式中空纤维膜组件，其开发出的膜--生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃及等十多个地方，规模从380m3 /d至7600m3/d。日也是世界上浸入式中空纤维膜的知名提供商，其在MBR的应用方面也积累了多年的经验，在日本以及其他国家建有多项实际MBR工程。日本Kubota公司是另一个在膜--生物反应器实际应用中，它所生产的板式膜具有流通量大、耐污染和工艺简单等特点。国内一些研究者及企业也在MBR实用化方面进行着尝试。

现在，膜--生物反应器已应用于以下领域：

城市污水处理及建筑中水回用

1967年第一个采用MBR工艺的废水处理厂由美国的Dorr-Oliver公司建成，这个处理厂处理14m3/d废水。1977年，一套污水回用系统在日本的一幢高层建筑中得到实际应用。1980年，日本建成了两座处理能力分别为 10m3/d 和50m3/d的MBR处理厂。90年代中期，日本就有39座这样的厂在运行，较大处理能力可达500m3 /d，并且有100 多处的高楼采用MBR将污水处理后回用于中水道。1997年，英国Wes 公司在英国Porlock建立了当时世界上较大的MBR系统，日处理量达2000m3，1999年又在Dorset的Swanage建成了13000m3/d的MBR工厂。

1998年5月，清华大学进行的一体式膜--生物反应器中试系统通过了国家鉴定。2000年初，清华大学在北京市海淀乡医院建起了一套实用的MBR系统，用以处理医院废水，该工程于2000年6月建成并投入使用，目前运转正常。2000 年 9 月，天津大学杨造燕教授及其领导的科研小组在天津新技术产业园区普辰大厦建成了一个MBR示范工程，该系统日处理污水25t，处理后的污水全部用于卫生间的冲洗及绿地浇洒，占地面积为10平方米，处理每吨污水的能耗为0.7kW·h。

工业废水处理

90年代以来，MBR的处理对象不断拓宽，除中水回用、污水处理以外，MBR在工业废水处理中的应用也得到了广泛关注，如处理食品工业废水、水产加工废水、养殖废水、化妆品生产废水、染料废水、石油化工废水，均获得了良好的处理效果。90年代初，美国在Ohio建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业废水的MBR系统，处理规模为151m3/d，该系统的有机负荷达6.3kgCOD/m3·d ，COD去除率为94%，绝大部分的油与油脂被降解。在荷兰，一座脂肪提取加工厂采用传统的氧化沟污水处理技术处理其生产废水，由于生产规模的扩大，结果导致污泥膨胀，污泥难以分离，较后采用Zenon的膜组件代替沉淀池，运行效果良好。

微污染饮用水净化

随着氮肥与杀虫剂在农业中的广泛应用，饮用水也不同程度受到污染。LyonnaisedesEaux公司在90年代中期开发出同时具有生物脱氮、吸附杀虫剂、去除浊度功能的MBR工艺，1995 年在法国的Douchy建成了日产饮用水400m3的工厂。出水中氮浓度低于0.1mgNO2/L，杀虫剂浓度低于0.02μg/L 。

污水处理

污水中有机物含量很高，传统的反硝化处理方法要求有很高污泥浓度，固液分离不稳定，影响了三级处理效果。MBR的出现很好地解决了这一问题，并且使污水不经稀释而直接处理成为可能。

日本已开发出被称之为NS系统的屎尿处理技术，较核心部分是平板膜装置与好氧高浓度活性污泥生物反应器组合的系统。NS系统于1985年在日本琦玉县越谷市建成，生产规模为10kL/d，1989年又先后在长崎县、熊本县建成新的屎尿处理设施。NS系统中的平板膜每组约0.4m2共几十组并列安装，做成能自动打开的框架装置，并能自动冲洗。膜材料为截流分子量20000的聚砜超滤膜。反应器内污泥浓度保持在15000~18000mg/L范围内。到 1994 年，日本已有1200多套MBR系统用于处理4000多万人的污水。

土地填埋场/肥渗滤液处理

土地填埋场/堆肥渗滤液含有高浓度的污染物，其水质和水量随气候条件与操作运行条件的变化而变化。MBR技术在1994年前就被多家污水处理厂用于该种污水的处理。通过MBR与RO技术的结合，不仅能去除SS、有机物和氮，而且能有效去除盐类与重金属。较近美国Envirogen公司开发出一种MBR用于土地填埋场渗滤液的处理，并在新泽西建成一个日处理能力为40万加仑（约1500m3/d）的装置，在2000年底投入运行。该种MBR使用一种自然存在的混合菌来分解渗滤液中的烃和氯代化合物，其处理污染物的浓度为常规废水处理装置的50 ～ 100倍。能达到这一处理效果的原因是，MBR能够保留高效细菌并使细菌浓度达到50000g/。在现场中试中，进液COD为几百至40000mg/L，污染物的去除率达90%以上。

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发展前景和方向

（1）现有城市污水处理厂的更新升级，特别是出水水质难以达标或处理流量剧增而占地面积无法扩大的水厂。

（2）无排水管网系统的小区，如居民点、旅游度假区、风景区等。

（3）有污水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业、客机、流动厕所等充分发挥MBR占地面积小、设备紧凑、自动控制、灵活方便的特点。

（4）高浓度、有毒、难降解工业废水处理。如造纸、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行业，是一种普遍的点源污染。MBR 可以对这些常规处理工艺无法达标的废水进行有效的处理，并实现回用。

（5）垃圾填埋厂渗滤液的处理及回用。

（6）小规模污水厂（站）的应用。膜技术的特点十分适合处理小规模污水。

未来的研究重点

（1）膜污染的机理及防治。

（2）工艺流程形式及运行条件的优化。

（3）污泥产率与运行条件的关系，以合理减少污泥产量，降低污泥处理费用。

（4）反应器内微生物的代谢特性及其对出水水质、污泥活性等的影响，从而确定适宜的微生物生长及代谢条件。

（5）工艺经济性研究。在目前国内经济发展水平、膜产品供应状况和规范设计要求的条件下，MBR 用于污水处理的较大经济流量的确定。

（6）以节能、处理特殊水质对象、兼具脱氮除磷、操作维护简便、可以长期稳定运行等为目标，开发新型的膜生物反应器。