生化水處理技術——MBR工藝

在污水處理，水資源再利用領域，有這樣一種生化水處理技術-MBR。MBR又稱膜生物反應器，是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術。膜的種類繁多，按分離機理進行分類，有反應膜、離子交換膜、滲透膜等；按膜的性質分類，有天然膜（生物膜）和合成膜（有機膜和無機膜）；按膜的結構型式分類，有平板型、管型、螺旋型及中空纖維型等。

一、MBR的工藝組成

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

①曝氣膜-生物反應器（ Aeration membrane bioreactor，AMBR）；

②萃取膜-生物反應器（ Extractive Membrane bioreactor，EMBR）；

③固液分離型膜-生物反應器（ Solid/Liquid SeparationMembrane Bioreactor, SLSMBR簡稱MBR）。

1、曝氣膜

曝氣膜-生物反應器（AMBR）最早見于 Cote. P等于1988年報道，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（Bubble point）情況下，可實現向生物反應器的無泡曝氣。該工藝的特點是提高了接觸時間和傳氧效率，有利于曝氣工藝的控制，不受傳統曝氣中氣泡大小和停留時間的因素的影響。

2、萃取膜

萃取膜-生物反應器，又稱為EMBR（Extractive membrane bioreactor）。因為高酸堿度或對生物有毒物質的存在，某些工業廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理；當廢水中含揮發性有毒物質時，若采用傳統的好氧生物處理過程，污染物容易隨曝氣氣流揮發，發生氣提現象，不僅處理效果很不穩定，還會造成大氣污染為了解決這些技術難題。

英國學者Livingston研究開發了EMB。廢水與活性污泥被膜隔開來，廢水在膜內流動，而含某種專性細菌的活性污泥在膜外流動，廢水與微生物不直接接觸，有機污染物可以通過選擇性透過膜被另一側的微生物降解。由于萃取膜兩側的生物反應器單元和廢水循環單元各自獨立，各單元水流相互影響不大，生物反應器中營養物質和微生物生存條件不受廢水水質的影響，使水處理效果穩定。系統的運行條件如HRT和SRT可分別控制在最優的范圍，維持最大的污染物降解速率。

3、固液分離膜

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

（1）分置式膜生物反應器

通過泵對其加壓，混合液在壓力的作用下進行過濾，這樣大分子有機物將被膜過濾出來，再回流到生物反應器中進行降解，如此循環操作進一步地對有機污水中的有機物進行分解。

分置式膜生物反應器具有穩定、容易操作、膜容易清洗等特征，是有機污水處理的有效方法之一，但是由于為了提高循環泵的壓力會消耗較高的動能。

（2）一體式膜生物反應器

是將膜組件置于生物反應器中，再通過泵將過濾液抽出，在傳統的廢水生物處理技術中，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狀況，改善污泥沉降性必須嚴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/左右，從而限制了生化反應速率。水力停留時間（HRT）與污泥齡（SRT）相互依賴，提高容積負荷與降低污泥負荷往往形成矛盾。系統在運行過程中還產生了大量的剩余污泥，其處置費用占污水處理廠費用的25%~40%。傳統活性污泥處理系統還容易出現污泥膨脹現象，出水中含有懸浮固體，出水水質惡化。

針對上述問題，MBR將分離工程中的膜分離技術與傳統廢水生物處理技術有機結合，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（特別是優勢菌的出現，提高了生化反應速率；同時，通過降低FM比，減少剩余污泥產生量（甚至為0），從而基本解決了傳統活性污泥法存在的許多突出問題。

二、MBR的工藝類型

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

1、分置式

把膜組件和生物反應器分開設置。生物反應器中的混合液經循環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，成為系統處理水；固形物、大分子物質等則被膜截留，隨濃縮液回流到生物反應器內。

分置式膜-生物反應器的特點是運行穩定可靠，易于膜的清洗、更換及增設；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，需要用循環泵提供較高的膜面錯流流速，水流循環量大、動力費用高（ Yamamoto，1989），并且泵的高速旋轉產生的剪切力會使某些微生物菌體產生失活現象（ Brockmann and Seyfried1997）。

2、一體式

把膜組件置于生物反應器內部。進水進入膜-生物反應器，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-生物反應器由于省去了混合液循環系統，并且靠抽吸出水，能耗相對較低；占地較分置式更為緊湊，近年來在水處理領域受到了特別關注。但是一般膜通量相對較低，容易發生膜污染，膜污染后不容易清洗和更換。

3、復合式

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

三、MBR的工藝特點

與許多傳統的生物水處理工藝相比，MBR具有以下主要優點：

1、出水水質優質穩定

由于膜的高效分離作用，分離效果遠好于傳統沉淀池，處理出水極其清澈，懸浮物和濁度接近于零，細菌和病毒被大幅去除，出水水質優于建設部頒發的生活雜用水水質標準（CJ25.189），可以直接作為非飲用市政雜用水進行回用。

同時，膜分離也使微生物被完全被截流在生物反應器內，使得系統內能夠維持較高的微生物濃度，不但提高了反應裝置對污染物的整體去除效率，保證了良好的出水水質，同時反應器對進水負荷（水質及水量）的各種變化具有很好的適應性，耐沖擊負荷，能夠穩定獲得優質的出水水質。

2、剩余污泥產量少

該工藝可以在高容積負荷、低污泥負荷下運行，剩余污泥產量低（理論上可以實現零污泥排放），降低了污泥處理費用。

3、占地面積小，不受設置場合限制

生物反應器內能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負荷高，占地面積大大節省；該工藝流程簡單、結構緊湊、占地面積省，不受設置場所限制，適合于任何場合，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物

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

5、操作管理方便，易于實現自動控制

該工藝實現了水力停留時間（HRT）與污泥停留時間（SRT）的完全分離，運行控制更加靈活穩定，是污水處理中容易實現裝備化的新技術，可實現微機自動控制，從而使操作管理更為方便。

6、易于從傳統工藝進行改造

該工藝可以作為傳統污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級污水處理廠出水深度處理（從而實現城市污水的大量回用）等領域有著廣闊的應用前景。

膜--生物反應器也存在一些不足。主要表現在以下幾個方面：

（1）膜造價高：使膜-生物反應器的基建投資高于傳統污水處理工藝。

（2）膜容易污染：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動壓力；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的能耗要比傳統的生物處理工藝高。

四、MBR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是固相膜。根據孔徑不同可分為：微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜；根據材料不同，可分為無機膜和有機膜，無機膜主要是微濾級別膜。膜可以是均質或非均質的，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高分子材料制備的固相非對稱膜。

1、膜的分類依據及分類

（1）膜材質

①高分子有機膜材料：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。

有機膜成本相對較低，造價便宜，膜的制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式也較為多樣，應用廣泛，但運行過程易污染、強度低、使用壽命短。

②無機膜：是固態膜的一種，是由無機材料，如金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無機高分子材料等制成的半透膜。目前在MBR中使用的無機膜多為陶瓷膜。

（2）膜孔徑

MBR工藝中用膜一般為微膜（MF）和超濾膜（UF），大都采用0.1~0.4μm膜孔徑，這對于固液分離型的膜反應器來說已經足夠，微濾膜常用的聚合物材料有：聚碳酸酯、纖維素酯、聚偏_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。

超濾常用聚合聚醚砜（PES）、聚酰胺、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯、纖維素酯、聚聚亞酰胺、聚醚酰胺等。

膜組件為了便于工業化生產和安裝，提高膜的工作效率，在單位體積內實現最大的膜面積，通常將膜以某種形式組裝在一個基本單元設備內，在一定的驅動力下，完成混合液中各組分的分離，這類裝置稱為膜組件（ Module）。工業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；毛細管式0.5~10.0mm。

2、MBR工藝中常用的膜組件形式

（1）板框式

MBR工藝最早應用的一種膜組件形式，外形類似于普通的板框式壓濾機。

優點：制造組裝簡單，操作方便，易于維護、清洗、更缺點：密封較復雜，壓力損失大，裝填密度小。

（2）圓管式

由膜和膜的支撐體構成，有內壓型和外壓型兩種運行方式。實際中多采用內壓型，即進水從管內流入，滲透液從管外流出。膜直徑在6~24mm之間。

優點：料液可以控制湍流流動，不易堵塞，易清洗，壓力損失小。

缺點：裝填密度小。

（3）中空纖維式

外徑一般為40~250um，內徑為25~42μm。在MBR中，常把組件直接放入反應器中，不需耐壓容器，構成浸沒式膜-生物反應器。一般為外壓式膜組件。

（4）柱形中空纖維膜

優點：耐壓強度高，不易變形，不需支撐材料；裝填密度高；造價相對較低；壽命較長，可以采用物化性能穩定，適水率低的尼龍中空纖維膜。

缺點：對堵塞敏感，污染和濃差極化對膜的分離性能有很大影響。

（5）螺旋卷式

螺旋卷式簡稱卷式，主要部件為多孔支撐材料，兩側是膜，三邊密封，開放邊與一根多孔的中心產品水收集管密封連接，在膜袋外部的原水側墊一層網眼型間隔材料，把膜袋-隔網依次迭合，繞中心集水管緊密地卷起來，形成一個膜卷，裝進圓柱形壓力容器內，就制成了—個螺旋卷式膜組件優點：膜的裝填密度高；膜支撐結構簡單；濃差極化小；容易調整膜面流態。

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

五、MBR膜組件設計的一般要求

1、對膜提供足夠的機械支撐，流道通暢，沒有流動死角和靜水區；

2、能耗較低，盡量減少濃差極化，提高分離效率，減輕膜污染；

3、盡可能高的裝填密度，安裝，清洗、更換方便；

4、具有足夠的機械強度、化學和熱穩定。

膜組件的選用要綜合考慮其成本，裝填密度、應用場合、系統流程、膜污染及清洗、使用壽命。

六、MBR的發展前景和方向

1、現有城市污水處理廠的更新升級，特別是出水水質難以達標或處理流量劇增而占地面積無法擴大的水廠；

2、無排水管網系統的小區，如居民點、旅游度假區、風景區等；

3、有污水回用需求的地區或場所，如賓館、洗車業、客機、流動廁所等充分發揮MBR占地面積小、設備緊湊、自動控制、靈活方便的特點；

4、高濃度、有毒、難降解工業廢水處理。如造紙、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行業，是一種普遍的點源污染。MBR可以對這些常規處理工藝無法達標的廢水進行有效的處理，并實現回用；

5、垃圾填埋廠滲濾液的處理及回用；

6、小規模污水廠（站）的應用。膜技術的特點十分適合處理小規模污水。

未來的研究重點：

1、膜污染的機理及防治；

2、工藝流程形式及運行條件的優化；

3、污泥產率與運行條件的關系，以合理減少污泥產量，降低污泥處理費用；

4、反應器內微生物的代謝特性及其對出水水質、污泥活性等的影響，從而確定適宜的微生物生長及代謝條件；

5、工藝經濟性研究。在目前國內經濟發展水平、膜產品供應狀況和規范設計要求的條件下，MBR用于污水處理的最大經濟流量的確定；

6、以節能、處理特殊水質對象、兼具脫氮除磷、操作維護簡便、可以長期穩定運行等為目標，開發新型的膜生物反應器。

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