膜生物反應(yīng)器主要由膜分離組件和生物反應(yīng)器組成。通常提到的膜生物反應(yīng)器實(shí)際上是三種反應(yīng)器的總稱：

 

       ①曝氣膜-生物反應(yīng)器(Aeration Membrane Bioreactor,AMBR) ；

 

       ②提取膜-生物反應(yīng)器（ExtractiveMembrane Bioreactor,EMBR）；

 

       ③固液分離膜-生物反應(yīng)器（Solid/Liquid SeparationMembrane Bioreactor,SL ** BR,簡(jiǎn)稱 MBR）。

 

1曝氣膜

 

 

   不受傳統(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時(shí)間的影響。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

 

 

   也會(huì)造成空氣污染。還會(huì)造成大氣污染。

 

       英國學(xué)者Livingston研究開發(fā)了EMB。廢水與活性污泥分離，廢水在膜內(nèi)流動(dòng)，含有特定細(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)污染物可通過膜選擇性降解。由于提取膜兩側(cè)的生物反應(yīng)器單元和廢水循環(huán)單元各自獨(dú)立，各單元的水流相互影響不大，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物在生物反應(yīng)器中的生存條件不受廢水水質(zhì)的影響，使水處理效果穩(wěn)定。如系統(tǒng)的運(yùn)行條件HRT和SRT污染物降解率可分別控制在最佳范圍內(nèi)。

 

3固液分離型

 

       固液分離膜生物反應(yīng)器是水處理領(lǐng)域研究最廣泛、最深入的膜生物反應(yīng)器。它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)。固體有機(jī)物通過膜組件返回反應(yīng)器，然后排出處理過的有機(jī)水。膜分離生物反應(yīng)器的類型可根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的位置進(jìn)行分類。

 

   然后通過泵抽出過濾液。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，泥漿和水的分離是通過重力在二沉池中完成的。其分離效率取決于活性污泥的沉降性能。沉降越好，泥漿和水的分離效率就越高。污泥的沉降取決于曝氣池的運(yùn)行狀態(tài)，必須嚴(yán)格控制曝氣池的運(yùn)行條件，限制了該方法的應(yīng)用范圍。由于二沉池固液分離的要求，曝氣池污泥不能保持較高濃度，水質(zhì)惡化。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；由于曝氣池中活性污泥濃度的增加和污泥中特效菌（特別是優(yōu)勢(shì)菌群）的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)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。

   

 

2

工藝類型

 

       根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合，膜生物反應(yīng)器可分為三種基本類型：分離、集成和復(fù)合。（以下討論均為固液分離膜生物反應(yīng)器）

 

       分置式

 

       分別設(shè)置膜組件和生物反應(yīng)器。生物反應(yīng)器中的混合物通過循環(huán)泵加壓到膜組件的過濾端。在壓力作用下，混合物中的液體通過膜成為系統(tǒng)處理水；固體物質(zhì)和大分子物質(zhì)被膜攔截，并隨濃縮液返回生物反應(yīng)器。

 

   1997）。1997）。

 

1一體式

 

       將膜組件放置在生物反應(yīng)器內(nèi)。水進(jìn)入膜生物反應(yīng)器，大部分污染物被混合物中的活性污泥去除，然后在外部壓力下通過膜過濾。

 

       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

 

       形式也屬于集成膜生物反應(yīng)器，區(qū)別在于在生物反應(yīng)器中安裝填料，形成復(fù)合膜生物反應(yīng)器，改變反應(yīng)器的某些特性。

 

3

工藝特點(diǎn)

 

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

 

 

出水水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定

 

       由于膜的有效分離，分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)沉淀池，處理出水非常清澈，懸浮物和濁度接近零，細(xì)菌和病毒大大去除，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)可直接作為非飲用市政雜用水回用。

 

       同時(shí)，膜分離也使微生物在生物反應(yīng)器中完全切斷，使系統(tǒng)能夠保持較高的微生物濃度，不僅提高污染物反應(yīng)裝置的整體去除效率，保證良好的水質(zhì)，同時(shí)反應(yīng)器對(duì)進(jìn)水負(fù)荷（水質(zhì)和水）變化具有良好的適應(yīng)性，抗沖擊負(fù)荷，能穩(wěn)定獲得高質(zhì)量的水質(zhì)。

 

剩余污泥產(chǎn)量較少

 

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

 

3.面積小，不受設(shè)置場(chǎng)合限制

 

       生物反應(yīng)器能保持高濃度的微生物量，處理裝置體積負(fù)荷高，大大節(jié)省面積；工藝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，不受設(shè)置場(chǎng)所限制，適合任何場(chǎng)合，可制成地面、半地下、地下。

 

4可去除氨氮和難降解有機(jī)物

 

       由于微生物在生物反應(yīng)器中被完全截流，有利于硝化細(xì)菌等微生物的緩慢生長(zhǎng)，提高了系統(tǒng)的硝化效率。同時(shí)，可以增加系統(tǒng)中一些難降解有機(jī)物的水力停留時(shí)間，有利于提高難降解有機(jī)物的降解效率。

 

操作管理方便，自動(dòng)控制方便

 

       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）完全分離，操作控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中易于實(shí)現(xiàn)設(shè)備化的新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)控制，使操作管理更加方便。

 

66從傳統(tǒng)工藝易于改造

 

       該工藝可作為傳統(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（實(shí)現(xiàn)大量城市污水回用）等領(lǐng)域具有廣闊的應(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)膜成本高，使膜-生物反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)施投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝；

 

       (2)膜污染易發(fā)生，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濃度很高，為了保持足夠的氧傳輸速率，必須增加曝氣強(qiáng)度；為了增加膜通量，減少膜污染，必須增加流量，清洗膜表面，造成MBR能耗高于傳統(tǒng)的生物處理工藝。

 

3

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)

 

       聚合物有機(jī)膜材料：聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯腈、聚啶、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。

 

       有機(jī)膜成本相對(duì)較低，成本低，膜制造工藝成熟，膜孔徑和形式多樣，應(yīng)用廣泛，但操作過程易污染，強(qiáng)度低，使用壽命短。

 

       2、無機(jī)膜：是一種由金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無機(jī)聚合物材料等無機(jī)材料制成的半透膜。

 

       目前在MBR陶瓷膜多用于無機(jī)膜。優(yōu)點(diǎn)是:它可以在那里pH=0~14、壓力P<10MPa、溫度<350 ℃在環(huán)境中，其通量高、能耗相對(duì)較低，在高濃度工業(yè)廢水處理中具有競(jìng)爭(zhēng)力；缺點(diǎn)是成本高、耐堿性低、彈性小、膜加工制備困難。

 

2膜孔徑

 

       MBR 工藝中使用的膜一般為微濾膜（MF）和超濾膜（UF），大都采用0.1～0.4μm膜孔徑對(duì)于固液分離膜反應(yīng)器來說已經(jīng)足夠了。

 

       微濾膜常用的聚合物材料有酸酯、纖維素酯、聚偏二氟乙烯、聚醚、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。

 

       聚合物材料常用于超濾：聚硫、聚醚硫（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)生產(chǎn)和安裝，提高膜的工作效率，實(shí)現(xiàn)單位體積中最大的膜面積，膜通常以某種形式組裝在基本單元設(shè)備中，在一定的驅(qū)動(dòng)力下完成混合物中各組分的分離，稱為膜組件（Module）。

 

工業(yè)上常用的膜組件有五種形式：

 

       板框、螺旋卷、圓管、中空纖維和毛細(xì)管。前兩種使用平板膜，后三種使用管膜。圓管膜的直徑>10mm；毛細(xì)管式0.5~10.0mm；中空纖維式<0.5mm。

 

       附表：各種膜組件的特點(diǎn)

 

   

       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最早使用的膜組件形式與普通板框壓濾機(jī)相似。

 

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

 

       缺點(diǎn)：密封復(fù)雜，壓力損失大，填充密度小。

 

       （2）圓管式

 

       它由膜和膜的支撐體組成，包括內(nèi)壓型和外壓型。實(shí)際上，內(nèi)壓型主要用于進(jìn)水從管內(nèi)流入，滲透液從管外流出。膜的直徑是 6~24mm 之間。

 

       優(yōu)點(diǎn)：料液能控制湍流，不易堵塞，易清洗，壓力損失小。

 

       缺點(diǎn)：裝填密度小。

 

       (3)中空纖維型

 

       如下圖所示，外徑一般為40~250μm，內(nèi)徑為25～42μm。在MBR在中間，組件通常直接放入反應(yīng)器中，不需要耐壓容器，形成浸沒膜-生物反應(yīng)器。一般為外壓膜組件。

 

       (4)柱中空纖維膜

 

       優(yōu)點(diǎn)：耐壓強(qiáng)度高，不易變形，無支撐材料，填充密度高，成本相對(duì)較低，使用壽命長(zhǎng)，尼龍空心纖維膜物化性能穩(wěn)定，透水性低。

 

       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

 

       螺旋卷簡(jiǎn)稱卷，主要部件為多孔支撐材料，兩側(cè)為膜，三側(cè)密封，開放邊與多孔中心產(chǎn)品水收集管密封連接，在膜袋外原水側(cè)墊一層網(wǎng)狀間隔材料，膜袋-網(wǎng)依次重疊，繞中心水管緊密卷，形成膜卷，進(jìn)入圓柱壓力容器，制成螺旋膜組件。

 

       優(yōu)點(diǎn)：膜填充密度高，膜支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚差極化小，容易調(diào)節(jié)膜流態(tài)。

 

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

 

MBR膜組件設(shè)計(jì)的一般要求：

 

　　（1）對(duì)膜提供足夠的機(jī)械支撐，流道通暢，沒有流動(dòng)死角和靜水區(qū)；

 

　　（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(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性。

 

　　膜組件的選用要綜合考慮其成本，裝填密度、應(yīng)用場(chǎng)合、系統(tǒng)流程、膜污染及清洗、使用壽命等。

 

5

應(yīng)用領(lǐng)域

 

　　進(jìn)入90年代中后期，膜--生物反應(yīng)器在國外已進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。加拿大Zenon 公司首先推出了超濾管式膜--生物反應(yīng)器，并將其應(yīng)用于城市污水處理。為了節(jié)約能耗，又開發(fā)了浸入式中空纖維膜組件，其開發(fā)出的膜--生物反應(yīng)器已應(yīng)用于美國、德國、法國和埃及等十多個(gè)地方，規(guī)模從380m3 /d至7600m3/d。日也是世界上浸入式中空纖維膜的知名提供商，其在MBR的應(yīng)用方面也積累了多年的經(jīng)驗(yàn)，在日本以及其他國家建有多項(xiàng)實(shí)際MBR工程。日本Kubota公司是另一個(gè)在膜--生物反應(yīng)器實(shí)際應(yīng)用中，它所生產(chǎn)的板式膜具有流通量大、耐污染和工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。國內(nèi)一些研究者及企業(yè)也在MBR實(shí)用化方面進(jìn)行著嘗試。

 

　　現(xiàn)在，膜--生物反應(yīng)器已應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

 

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Wes ** 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。

 

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、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。

 

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 。

 

污水處理

 

　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(zhǎng)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多萬人的污水。

 

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。

　　

 

6

發(fā)展前景和方向

 

　　（1）現(xiàn)有城市污水處理廠的更新升級(jí)，特別是出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)或處理流量劇增而占地面積無法擴(kuò)大的水廠。

 

　　（2）無排水管網(wǎng)系統(tǒng)的小區(qū)，如居民點(diǎn)、旅游度假區(qū)、風(fēng)景區(qū)等。

 

　　（3）有污水回用需求的地區(qū)或場(chǎng)所，如賓館、洗車業(yè)、客機(jī)、流動(dòng)廁所等充分發(fā)揮MBR占地面積小、設(shè)備緊湊、自動(dòng)控制、靈活方便的特點(diǎn)。

 

　　（4）高濃度、有毒、難降解工業(yè)廢水處理。如造紙、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行業(yè)，是一種普遍的點(diǎn)源污染。MBR 可以對(duì)這些常規(guī)處理工藝無法達(dá)標(biāo)的廢水進(jìn)行有效的處理，并實(shí)現(xiàn)回用。

 

　　（5）垃圾填埋廠滲濾液的處理及回用。

 

　　（6）小規(guī)模污水廠（站）的應(yīng)用。膜技術(shù)的特點(diǎn)十分適合處理小規(guī)模污水。

 

未來的研究重點(diǎn)

 

　　（1）膜污染的機(jī)理及防治。

 

　　（2）工藝流程形式及運(yùn)行條件的優(yōu)化。

 

　　（3）污泥產(chǎn)率與運(yùn)行條件的關(guān)系，以合理減少污泥產(chǎn)量，降低污泥處理費(fèi)用。

 

　　（4）反應(yīng)器內(nèi)微生物的代謝特性及其對(duì)出水水質(zhì)、污泥活性等的影響，從而確定適宜的微生物生長(zhǎng)及代謝條件。

 

　　（5）工藝經(jīng)濟(jì)性研究。在目前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、膜產(chǎn)品供應(yīng)狀況和規(guī)范設(shè)計(jì)要求的條件下，MBR 用于污水處理的最大經(jīng)濟(jì)流量的確定。

 

　　（6）以節(jié)能、處理特殊水質(zhì)對(duì)象、兼具脫氮除磷、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行等為目標(biāo)，開發(fā)新型的膜生物反應(yīng)器。