MBR膜生物反应器技术及应用情况

MBR膜生物反应器技术及应用情况
污水处理已经发展出了活性污泥法及生物膜法两种相对成熟的处理工艺（processes）。

然而，随着人口的迅速增长及工业化水平的不断提高和发展，污水的总量越来越大，成分越来越复杂，如果继续以常规工艺进行处理，不但费时费力，还会占用非常宝贵的土地资源，且不一定会得到理想的处理效果。

MBR 膜生物反应器（membranes bioreactors），作为一种新型高效的水处理技术，发展日趋成熟，目前已经在欧美、日本等发达国家得到了大规模的应用。

该技术的最大特点便是能在大幅提高处理效率的同时，大大节省占地面积，特别是对于迫切需要水资源循环利用的地区，其优良的出水水质完全能够满足回用水要求。

一、污水的生物处理技术
MBR 工艺的基础，来自生物处理技术中的活性污泥法（Activated sludge process），及物化处理技术中膜分离。

污水生物处理是利用各种不同类型微生物新陈代谢功能，对污水中的污染物质进行分解和转化，从而使污水得到净化的处理方法，用更形象的说法便是微生物在自身生长增殖的过程中“吃”掉了水中的污染物。

根据微生物生长方式的不同，生物处理技术又分成悬浮生长和附着生长法；其中悬浮生长法是指通过适当的方法使微生物在池中保持悬浮状态并与污水中的有机物充分接触以完成降解过程，其典型代表
便是活性污泥法，而我们通常所说活性污泥便是指污水中悬浮的、具有降解能力的微生物群；而与之相对的附着生长法，主要指生物膜法：微生物附着在填料上生长，形成生物膜，污水通过布水流经生物膜时，微生物与污水中的污染物接触，完成对污水的净化。

1、活性污泥法简介
目前，基于处理效果、运行成本及管理维护等多方面因素的考虑，活性污泥法及其各衍生技术的应用更为广泛。

所谓活性污泥法的变种，是基于排放要求的不同，针对某些污染物的处理所进行的工艺调整。

作为国家节能减排的两个重要指标之一，化学需氧量（COD，Chemical Oxygen Demand）始终是衡量污水排放及污水处理的最具代表性、同时也是最广泛衡量的指标，是指用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所消耗的氧化剂的量。

生化需氧量（BOD，Biochemical Oxygen Demand），是指水中污染物被好氧微生物分解时所需要的氧量。

通常我们用BOD 与COD 的比值（B/C）来衡量污水的可生化降解的程度，生活污水的B/C 值在0.7 左右，属于生化性优良的原水。

然而，水中其他污染的控制也是十分重要的，诸如前一段时期引起广泛关注的太湖蓝藻爆发，便是由于水中氮磷一类的污染物超标所导致的水体富营养化。

对这类物质进行降解，必须经过好氧－厌氧交替过程，如AAO 工艺等，都可视为活性污泥法的变种。

由于活性污泥法中微生物是悬浮在污水中，因此，出水前必需要进行泥水分离，以得到澄清的出水，而在传统方法中，这一过程通常由二沉池（Two sink the pond）通过沉淀的方法来完成。

由于活性污泥的颗粒较小，所以二沉池的面积必须非常大，且容积必须能够保持一定的停留时间，才能满足基本的泥水分离需要。

原水→预处理→生化反应池→二沉池→消毒→出水（活性污泥法的常规工艺流程）
这样一来便会带来两个问题，一是污泥停留时间与水力停留时间的直接相关，二是占地面积的扩大。

所谓的污泥停留时间是指微生物在处理系统中的停留时间，从微生物学的角度来讲，生物群落的生长可以分为4个周期，延迟期（适应期）、对数增长期、稳定期（减速增长期）和衰亡期（内源呼吸期），而并不是所有时期的微生物都具有良好的处理效率。

我们通常需要有一定“年龄”的微生物，因为此时的生物群落更丰富，对污染物有更强的吸附和处理能力，同时也能确保出水水质。

而决定污泥泥龄的关键，便是每天排出处理系统的微生物的量。

因为新生的微生物本身会分泌粘性物质，从而聚集成较大的颗粒，能更好地沉淀；而年长的微生物相对絮体较散，更难沉降，所以我们可以认为排除二沉池的污泥是老化的污泥，这样，新增的污泥逐渐替代老化的污泥，直到反应池中的活性污泥全部更新
一次。

我们通常所指的污泥龄（SRT）的实质就是反应池中的活性污泥全部更新一次所需要的时间。

简单的来说，就是污水进水流量的变化会导致反应池中污泥的生物性状发生变化，从而影响其处理效率。

2、活性污泥法的缺陷
在污水处理工艺流程中，二沉池的面积也是非常可观的。

一个1 万吨（小规模）污水处理厂（Sewage treatment plant），需要4 座直径为30m 的圆形二沉池，而且每个池体之间都要保持一定的距离以考虑排布管道及整体沉降控制，因此需要极大的占地面积。

总的来说，二沉池的固液分离效率从某种程度上限制了生物反应池的处理效果，而且还会占用极大的空间和土地资源。

同时，活性污泥法还存在着剩余污泥的问题。

二沉池沉淀所得的污泥，除了一部分需要回流至生化池以维持一定的污泥浓度，而其他部分则是作为剩余污泥排放。

污泥处理是污水处理的重要组成部分。

对于以活性污泥法为主的城镇污水处理厂，污泥处理系统的建设投资约占污水处理厂总投资的20％～30％，而污泥处理的投资和运行费用与选择的工艺密切相关。

在常规处理过程的出水前还有消毒的步骤，现在常用的消毒工艺有加氯接触消毒和自外消毒。

加氯消毒通常要求停留
时间不小于30min，既一个规模为1 万吨每天的污水处理厂，需要一个200 多个立方的接触池，出于流态方面的考虑，还必须设计折板、流道、控制水深流速等以保持消毒剂的接触效果；而消毒剂则需要持续投加，购买药剂的成本不说，由于氯是有毒物质，存放及运输过程中的安全性也需要考虑。

紫外线消毒的占地省，构造简单，但设备的投资高，且大功率的紫外线消毒设备耗电量大，运行费用高。

有没有一种更高效的固液分离的方法，可以替换传统的二沉池，既能减少土地资源占用，维持高处理效率和稳定的出水水质，又能够避免过多的剩余污泥产生，同时还能对致病菌有截留作用。

膜分离的方法给出了答案。

二、膜分离技术
膜分离，尤其是液体的分离，以前通常用于工业中的提纯与混合液的分离。

随着水处理技术的发展，该工艺开始逐渐在水处理的环节得中到应用。

根据不同的膜表面孔径大小，可以分为过滤、微滤（MF）、超滤（UF）及纳滤（NF）等，膜生物反应器中通常采用的是微滤和超滤膜，其分离机理主要是筛分效应，类似于我们通常所指的过滤，但其又不完全相同，因膜结构的不同，截留作用大体可以分为机械截留、吸附截留及架桥作用等。

膜与生物处理工艺结合的膜生物反应器研究（MBR）迄今已有30 多年的历史；在国外，商业应用也已经有了20 年的
历史，而对于我国来说，该项技术尚在推广起步阶段。

1、膜生物反应器（MBR）
膜生物反应器（MBR）最大的特点便是用膜组建代替传统工艺中的二沉池进行固液分离以得到澄清的出水。

然而，看似简单的一加一，其带来的效应却远远不止二。

MBR 与传统活性污泥法相比有以下明显优势：
（1）污染物去除率高，出水水质好MBR 既可以用于常规活性污泥法难以处理的高浓度、难降解有机工业废水处理，又可以用于生活污水和一般工业废水的净化。

在MBR 中，由于膜组件对于反应池中的微生物，尤其是对于世代周期较长的硝化反硝化菌种，及存在于小污泥颗粒中的微生物具有相当好的截留作用，因此提高微生物种群的丰富性，对缓解水体富营养化具有极大的优势；同样由于膜的截留，MBR 体系中活性污泥可以高达（MLSS）8000-15000mg/L，远远高于常规活性污泥法（约3000-4000mg/L），对污染物去除效率高，处理出水水质好，不仅对悬浮物（SS）、有机物去除效率高，出水的悬浮物（SS）和浊度可以接近零，而且可以去除细菌、病毒等可以作为污水深度处理及资源化技术。

生活污水经膜生物反应器处理后可以做到肉眼观察与自来水无异，特别适合缺水地区作回用处理。

（2）负荷变化适应强，耐冲击负荷膜生物反应器由于膜的高效截留作用，实现了反应池内水力停留时间（HRT）和污
泥停留时间（SRT）的完全分离，即使进水量突然增大，整个反应器内部的生物性状也能保持在一个比较稳定的状态；同时，由于污泥浓度的提高，强化了活性污泥的吸附作用；而且，在膜的截留作用下，未被微生物降解的大颗粒污染物也不会随着出水排除，能够留在反应器内部慢慢处理，直到被分解后才透过膜排出。

基于以上几点，整个反应器运行控制将会更加灵活，出水水质更加稳定。

因此，膜生物反应器系统克服了当系统水力负荷和有机负荷发生变化时传统水处理工艺出现污泥膨胀等问题。

（3）污泥排放量小
膜生物反应器水处理技术除了作为污水深度处理及资源化技术之外，还可以作为一种减少剩余污泥排放的重要技术途径。

国外文献及小规模工程经验显示，膜生物反应器的污泥排放量很小，甚至可以做到不产泥。

污泥自降解和污泥水解可降低传统水处理系统的效率，但对膜生物反应系统却非常有益。

常规的活性污泥法通常采用的是生物周期处于稳定期末尾至衰亡期初始时的活性污泥，而由于膜生物反应器中的高污泥浓度，微生物的总量非常大，在消耗水中有机污染物的同时，还有许多的微生物处于“饥饿”状态，因此相当一部分处于衰亡期的微生物依靠自身的内源呼吸进行代谢分解，在保持出水污染物低浓度的同时，消耗了污泥生长过程中的剩余量。

膜分离使得污水中的大分子难降解物质，在
体积有限的膜生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解物质的降解效率。

反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄的情况下运行，完全可以实现较长周期内（如6月或者更长时间）不排泥或者排泥量很小，剩余污泥排放量很小，甚至不产泥。

（4）工艺流程短，系统设备简单紧凑，占地省
由于膜生物反应器无需在好氧污泥系统产生絮体以便之后二沉池的泥水分离，因此生物反应器内污泥浓度可以比传统工艺高许多，而生化反应速率又与反应物浓度有关。

反应物浓度越高，反应速率越大，因此膜生物反应器的容积负荷可高达5kgCOD/(m3d)，而传统工艺通常只有0.4～
0.9kgBOD/(m3d)，处理生活污水时水力停留时间（HRT）可减至2h，生物反应池的容积可以大大减小，根据国外研究资料显示，相同规模的污水量，膜生物反应器在好氧池体积为传统处理工艺好氧池体积的三分之一。

同时膜生物反应器省去了二沉池、滤池及污泥回流系统等辅助设备，甚至污泥处理设备及费用。

由于目前我国对污水处理的消毒指标主要针对的是大肠菌群，其直径约在0.6μm，而目前MBR用膜的空径一般都在0.4μm～0.1μm 的范围内，因此几乎所有的MBR 工艺都对病菌有较好的去除作用，出水中肠道病毒、总大肠杆菌、粪链球菌、粪大肠杆菌等都低于检测限，这表明如果MBR 出水直接排放或无余氯要求回用的话甚至可以
省去消毒设施，因此膜生物反应器结构简单紧凑。

（5）易实现自动化控制，维护简单，节省人力
在传统活性污泥法中，由于运行中经常出现波动和不稳定，为了确保良好的出水水质，必须对运行管理投入大量的人力、财力和物力。

而膜生物反应器采用膜分离技术，做到了稳定的出水水质，同时省去了泥水分离设施，因此用微机可以很容易的实现膜生物反应器系统从进水到出水的全程自动化控制。

（6）系统启动速度快，水质可以很快达到处理要求
由于可以很好的保持水中的污泥浓度，在反应池启动期，不同于传统曝气池需要通过沉淀排除上清液来提高污泥浓度。

由于膜分离作用对污泥颗粒的完全截留，能够在曝气（aeration）及营养物质的共同作用下迅速的提高系统内的污泥浓度，使整个膜生物反应器系统快速启动，水质可以很快达到处理要求。

2、MBR 工艺的应用情况
目前，MBR 工艺技术处理生活污水和工业废水已突显成效。

市场分析报告指出，1995 年，MBR 的全球市值仅为1000 万美元，而在2000～2005 年的五年间翻了一番多，达到2.17 亿美元。

但其与应用已久的传统工艺（活性污泥法及其衍生技术）相比，具有风险大、投资费用高等缺点。

然而，随着近年来废水排放标准的日趋严格、地区性水资源
短缺、各种鼓励政策，特别是污水回用技术的改进、投资费用的降低以及对MBR 技术信心的增强及接受度的提高，都会增强该项工艺的竞争力。

3、膜生物反应器好氧工艺在有机废水处理中的应用MBR以出水可以直接回用、节省占地面积、处理效果好等优点，使其在国外已经有了许多成功的应用实例。

经过近40年的发展，MBR在日本得到了极大的发展，率先将这一技术用于中水道系统并取得成功，目前在日本运行（包括在建）的MBR占全球的66%，其余的MBR工程主要在北美和欧洲。

在生活污水方面，主要涉及城市污水、楼宇污水、公厕污水、污水厂升级改造以及其他有回用要求的污水处理场合。

MBR对生活污水的处理特性一直是研究的重点，其工艺形式多采用好氧MBR。

在欧、美、日等国，其研究的目的在于一方面改造污水处理厂，使其达到深度处理的要求；另一方面，用于废水的处理，使其达到回用的目的。

目前在北美，MBR 处理生活污水的应用主要是流量在10～200m3/d的小型处理装置，已有50余座此类设施正在运行。

MBR作为一种强化的生物处理工艺，在工业废水的处理中也受到重视。

工业污水方面，主要包括制药废水、化工废水、食品污水等高浓度、难降解有机废水的处理。

目前好氧MBR 工艺已经成功应用于下列行业的工业污水处理：包括医药、纺织、化妆品、食品、造纸与纸浆、饮料、炼油工业与化工
厂，在欧洲垃圾填埋场渗滤液的好氧MBR处理厂正在兴建。

MBR在不同种类废水中的应用比例
近两年来MBR在国内已进入了实用化阶段。

从目前的趋势看，中水回用将是MBR在我国推广应用的主要方向。

我国的膜生物反应器技术的发展几乎与国外接近，除了早期与国外有差距外。

但是最近几年在技术应用方面与国外几乎同步，并且在部分领域里在世界上处于领先水平，与此同时，我国对于膜生物反应器污水处理技术的需求远比国外迫切且市场潜力巨大。

上世纪九十年代初至二OOO年，MBR应用研究处实验室、小试、中试阶段；
二OOO年至二OO五年，工业污水处理及生活污水处理、市政污水，且部分处理后的污水项目需水回用的小规模工业应用阶段，处理量在百吨/天至千吨//天的规模。

二OO五年至二OO六年，工业污水处理及市政污水处理每天万吨级规模工程实施。

二OO六年后，工业污水处理及市政污水处理每天数万吨规模工程实施。

而对于常规工艺难以处理的工业废水及垃圾渗滤液，MBR 技术有着更大的优势。

由于MBR 技术降解污染物的机理还是基于微生物的分解与代谢作用，因此还是用于污水处理过程中的生物反应段。

而对于那些生物难以降解的、有毒有害的物质，或者盐分，还是采用其他物理方法或化学方法去除有比较好的效果。

由于工业废水的成分异常复杂，浓度差别大。

4、MBR 膜的运行和分类
MBR 膜在运行的过程中不可避免的一个问题便是膜污染，即活性污泥在膜表面的过度淤积，引起膜阻塞导致膜的产水量下降。

这个问题也是目前各国MBR 工作者所致力于解决的、阻碍MBR 发展的障碍。

随着研究的深入，材料技术的不断更新以及越来越多的工程数据，目前已经可以通过不同的膜结构、曝气量的控制、膜片间距以及定期清洗等方法进行控制。

从膜结构主要是指MBR 反应器内的膜组件的。

设计一种膜，要有比较大的比表面积，同时能在高污泥浓度的环境下避免膜表面产生过渡的淤积，又要能够长时间在曝气冲刷的环境下稳定工作。

膜组件是MBR 的核心部分，目前工程化应用中的膜构型主要是中空纤维组件（Hollow fiber
modules）和平板组件（Panel assembly）。

平板膜与中空纤维膜具有不同的特点，适用范围也有区别。

平板膜具有水力学条件易于控制、产水量大、抗污染能力强和清洗更换方便等特点，能够在更高污泥浓度条件下保持高通量稳定运行。

中空纤维具有装填密度大、价格便宜等优点。

截止2006 年，据不完全统计在世界范围内运行的MBR 达2259 套。

然而，在中国平板膜生物反应器的工程化应用程度还很低，明显滞后于中空纤维膜生物反应器。

平板MBR 与中空纤维MBR 比较
1、中空纤维膜比平板膜具有以下优势：
（1）在超滤和微滤膜的行业内，全球范围内，主要的膜制造企业都是以生产中空纤维膜为主，比如西门子，GE，三菱，旭化成，天津膜天膜等。

日本久保田是板式膜的主要供应商。

（2）中空纤维膜同平板膜相比，中空纤维膜有更大的过滤面积，因此集成度更高，同样处理相同数量的污水，中空纤维膜膜组件的占地面积更小。

（3）在膜的使用过程中，膜的污染是无法避免的，因此好的清洗方式是维持工程稳定长期运行的保证，中空纤维膜可以通过反向清洗进行维护，反向清洗所用的水一般都是系统本身的产水，因此费用很低。

而平板膜不能进行反向清洗，因为平板膜有太大的平面面积，如果反洗，易造成膜的破裂。

因此平板膜的清洗比较复杂。

（4）由于中空纤维膜膜丝有很好的柔韧性，困此在污水处理中，进行膜的吹扫曝气时，所消耗的空气量更少，一般设定在10～15：1，而平板膜由于膜表面更大且没有柔韧性，因此在进行吹扫曝气时，气量消耗的更大，一般设定在15～25：1
（5）中空纤维的每个膜元件都是由数千根的膜丝构成，因此单个膜丝即便发生破损也不会影响膜元件的使，而平板膜的每个膜元件是一张膜构成，因此，无论这张膜的任何地方发生破损，这个膜元件就要更换才能使用。

（6）中空纤维膜的膜元件单价同平板膜相比，有更大的比较优势，即便是世界上最贵的中空纤维（以GE为例）同日本久保田的平板膜相比，在价格上也有一些优势，国产中空纤维膜同进口平板膜相比，优势更大。

（7）由于平板膜的单个元件过滤面积较小，鼓风曝气所需要的气量更大，困此在实际工程应用中，所需要的配套设施和土地面积远远高于中空纤维膜。

（8）由于中空纤维膜和平板之间以上的一些差异，因此在全球范围内，较大规模（1000m3/d以上）的水处理工程很少有使用平板膜的，而中空纤维膜万吨级甚至几十万吨及以上的工程都在快速的推广和应用
2、平板MBR 与中空纤维MBR 相比又具有以下明显优
势：
（1）更好的抗污染性能
相比中空纤维膜生物反应器，平板膜生物反应器可以在更高的活性污泥浓度下保持高通量（通量即膜的产水量）的稳定运行。

在实际使用的过程中，尽管预处理设施中会有格栅，除毛机等设备，但曝气池中还难免进入一些诸如毛发之类的物体。

而我们知道在曝气的状态下膜丝始终处于一个抖动的状态，于是这些毛发很容易使膜丝缠绕在一起，当污泥浓度达到一定程度，就会出现泥坨，使越来越多的膜丝缠绕在一起，大大减少了中空纤维丝的有效膜面积，引起膜通量的急剧下降，而且此类问题也很难修复，通常只能更换。

平板膜生物反应器的适用活性污泥浓度（MLSS）范围在
10000-15000mg/L，远远高于中空纤维膜生反应器，平板膜的结构，可以实现膜片之间间隙可控，便于气液混流对膜面进行在线清洗，抗污染性能优越。

此外，平板膜生物反应器可以通过调节组件底部的曝气强度，通过汽水混合物在膜片表面的冲刷作用，很好的清除膜表面的附着物，即便是由于某种不可知因素在膜表面产生了淤积的情况，也可以将膜片取出，通过低压水枪冲洗的方法去除，使得膜能长期有效的运行，而中空纤维则不可能通过这种方法清洗。

（2）良好的机械稳定性、无断丝现象
在实际使用过程中，中空纤维膜组件不可避免的会发生断丝
现象，其中包括两种原因，一是由于纺丝过程中的缺陷导致的壁厚不均匀，当然这种情况比较少发生，且可以通过购买优质产品等手段进一步避免；二是纺丝材料疲劳引起的根部断裂。

我们知道中空纤维丝在两端连接组件的地方需要用环氧树脂进行密封，由于纤维丝本身的毛细现象，肯定会在根部吸上一小段。

由于曝气的原因，中空纤维在工作状态下始终会处于幅度较大的振动现象，长此以往会在其根部引起材料的疲劳，而环氧树脂本身是一种脆性材料，这种材料疲劳所导致的断丝一旦发生，往往是规模性的，而这对于膜生物反应器来说，伤害是致命的，不但会严重影响出水水质，还会导致整个组件的报废。

与此不同的是平板膜的内部有无纺布作为支撑层，因此强度比中空纤维高出许多，根本不会出现类似的现象，能完全保证优质的出水水质。

（3）膜片更换过程简单
由于平板膜组件独特的设计，使得在膜片损坏更换过程中，膜片可单张更换，无需更换支架。

而中间纤维膜丝断丝达到一定数量，整个组件就报废，需更换整个膜组件，费用就将大大增加。

3、MBR 平板膜的生产商
目前平板膜的生产厂商主要有日本久保田公司，日本东丽公司及上海斯纳普膜分离科技有限公司（SINAP），其中久保田和东丽公司的平板膜商业化项目相对起步较早。