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,簡稱 MBR）。

 

1曝氣膜

 

 

   不受傳統(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時間的影響。不受傳統(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時間的因素的影響。

 

2萃取膜

 

 

   也會造成空氣污染。還會造成大氣污染。

 

       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，含有特定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)單元各自獨立，各單元的水流相互影響不大，營養(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)。固體有機物通過膜組件返回反應(yīng)器，然后排出處理過的有機水。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行狀態(tài)，必須嚴格控制曝氣池的運行條件，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)勢菌群）的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)率；同時，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

 

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

 

 

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（CJ25.1-89)可直接作為非飲用市政雜用水回用。

 

       同時，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)，同時反應(yīng)器對進水負荷（水質(zhì)和水）變化具有良好的適應(yīng)性，抗沖擊負荷，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荷、低污泥負荷下運行，剩余污泥產(chǎn)量低(理論上可實現(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，處理裝置體積負荷高，大大節(jié)省面積；工藝簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，不受設(shè)置場所限制，適合任何場合，可制成地面、半地下、地下。

 

4可去除氨氮和難降解有機物

 

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

 

操作管理方便，自動控制方便

 

       該工藝實現(xiàn)了水力停留時間（HRT）與污泥停留時間（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現(xiàn)設(shè)備化的新技術(shù)，可實現(xiàn)微機自動控制，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，在城市二級污水處理廠（實現(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，可分為無機膜和有機膜，無機膜主要是微濾級別膜。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高分子材料制備的固相非對稱膜。

 

膜的分類依據(jù)及分類：

 

1膜材質(zhì)

 

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

 

       有機膜成本相對較低，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，強度低，使用壽命短。

 

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

 

       目前在MBR陶瓷膜多用于無機膜。優(yōu)點是: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、能耗相對較低，在高濃度工業(yè)廢水處理中具有競爭力；缺點是成本高、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；毛細管式0.5~10.0mm；中空纖維式<0.5mm。

 

       附表：各種膜組件的特點

 

   

       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相似。

 

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

 

       缺點：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。實際上，內(nèi)壓型主要用于進水從管內(nèi)流入，滲透液從管外流出。膜的直徑是 6~24mm 之間。

 

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

 

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

 

       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

 

       螺旋卷簡稱卷，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，進入圓柱壓力容器，制成螺旋膜組件。

 

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

 

       缺點：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)計的一般要求：

 

　?。?）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(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；

 

　?。?）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(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

 

　　進入90年代中后期，膜--生物反應(yīng)器在國外已進入了實際應(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，在日本以及其他國家建有多項實際MBR工程。日本Kubota公司是另一個在膜--生物反應(yīng)器實際應(yīng)用中，它所生產(chǎn)的板式膜具有流通量大、耐污染和工藝簡單等特點。國內(nèi)一些研究者及企業(yè)也在MBR實用化方面進行著嘗試。

 

　　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年第一個采用MBR工藝的廢水處理廠由美國的Dorr-Oliver公司建成，這個處理廠處理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座這樣的廠在運行，最大處理能力可達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)時世界上最大的MBR系統(tǒng)，日處理量達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)的有機負荷達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，做成能自動打開的框架裝置，并能自動沖洗。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/肥滲濾液處理

 

　　土地填埋場/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用于土地填埋場滲濾液的處理，并在新澤西建成一個日處理能力為40萬加侖（約1500m3/d）的裝置，在2000年底投入運行。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。能達到這一處理效果的原因是，MBR能夠保留高效細菌并使細菌濃度達到50000g/。在現(xiàn)場中試中，進液COD為幾百至40000mg/L，污染物的去除率達90%以上。

　　

 

6

發(fā)展前景和方向

 

　?。?）現(xiàn)有城市污水處理廠的更新升級，特別是出水水質(zhì)難以達標(biāo)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(wǎng)系統(tǒng)的小區(qū)，如居民點、旅游度假區(qū)、風(fēng)景區(qū)等。

 

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

 

　?。?）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)，是一種普遍的點源污染。MBR 可以對這些常規(guī)處理工藝無法達標(biāo)的廢水進行有效的處理，并實現(xiàn)回用。

 

　?。?）垃圾填埋廠滲濾液的處理及回用。

 

　?。?）小規(guī)模污水廠（站）的應(yīng)用。膜技術(shù)的特點十分適合處理小規(guī)模污水。

 

未來的研究重點

 

　?。?）膜污染的機理及防治。

 

　?。?）工藝流程形式及運行條件的優(yōu)化。

 

　?。?）污泥產(chǎn)率與運行條件的關(guān)系，以合理減少污泥產(chǎn)量，降低污泥處理費用。

 

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

 

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

 

　　（6）以節(jié)能、處理特殊水質(zhì)對象、兼具脫氮除磷、操作維護簡便、可以長期穩(wěn)定運行等為目標(biāo)，開發(fā)新型的膜生物反應(yīng)器。