发布日期：2011-03-12 浏览次数：膜生物反应器及其应用研究进展
1 引言
传统的活性污泥工艺(Conventional Activated Sludge, CAS)广泛地应用于各种污水处理中。由于采用重力式沉淀方式作为固液分离手段，因此带来了很多方面的问题。如固液分离效率不高、处理装置容积负荷低、占地面积大、出水水质不稳定、传氧效率低、能耗高以及剩余污泥产量大等等。传统生物处理工艺处理后的水难以满足越来越严格的污水排放标准，同时，经济的发展所带来的水资源的日益短缺也迫切要求开发合适的污水资源化技术，以缓解水资源的供需矛盾。在上述背景下，一种新型的水处理技术——（Membrane Bioreactor,MBR）应运而生。随着膜分离技术和产品的不断开发，(MBR)也更具有实用价值，近年来许多国家都投入了大量资金用于开发此项高新技术。
2 CAS
CAS是一种应用最广的废水好氧生物处理技术。其基本流程如图1所示，是由曝气池、二次沉淀池、曝气系统（含空气或氧气的加压设备、管道系统和空气扩散装置）以及污泥回流系统等组成。
曝气池与二次沉淀池是活性污泥系统的基本处理构筑物。由初次沉淀池流出的废水与从二次沉淀池底部回流的活性污泥同时进入曝气池，其混合体称为混合液。在曝气的作用下，混合液得到足够的溶解氧并使活性污泥和废水充分接触。废水中的可溶性有机污染物为活性污泥所吸附并为存活在活性污泥上的微生物群体所分解，使废水得到净化。在二次
沉淀池内，活性污泥与已被净化的废水（称为处理水）分离，处理水排放，活性污泥在污泥区内进行浓缩，并以较高的浓度回流曝气池。由于活性污泥不断地增长，部分污泥作为剩余污泥从系统中排出，也可以送往初次沉淀池。
图1 活性污泥法基本流程
3 MBR法
3.1 MBR及其分类
MBR是指将超、微滤膜分离技术与污水处理中的生物反应器相结合而成的一种新的污水处理装置。这种反应器综合了膜处理技术和生物处理技术带来的优点。超、微滤膜组件作为泥水分离单元，可以完全取代二次沉淀池。超、微滤膜截留活性污泥混合液中微生物絮体和较大分子有机物，使之停留在反应器内，使反应器内获得高生物浓度，并延长有机固体停留时间，极大地提高了微生物对有机物的氧化率。同时，经超、微滤膜处理后，出水质量高，可以直接用于非饮用水回用。系统几乎不排剩余污泥，且具有较高的抗冲击能力。特别是1989年Yamamoto将中空纤维膜应用于活性污泥处理中，使工艺运行成本大大降低，实际应用前景广阔。因此，MBR是当今倍受国内外专家学者重视的一项高新水处理技术。
MBR的特点：
一、出水水质好
由于采用膜分离技术，不必设立、过滤等其它固液分离设备。高效的固液分离将废水中有悬浮物质、胶体物质、生物单元流失的微生物菌群与已净化的水分开，不需经三级处理即直接可回用，具有较高的水质安全性。
二、占地面积小
膜生物反应器生物处理单元内微生物维持高浓度，使容积负荷大大提高，膜分离的高效性使处理单元水力停留时间大大缩短，占地面积减少。同时膜生物反应器由于采用了膜组件，不需要沉淀池和专门的过滤车间，系统占地仅为传统方法的60%
三、节省运行成本
由于MBR高效的氧利用效率，和独特的间歇性运行方式，大大减少了曝气设备的运行时间和用电量，节省电耗。同时由于膜可滤除细菌、病毒等有害物质，可显著节省加药消毒所带来的长期运行费用，膜生物反应器工艺不需加入絮凝剂，减少运行成本。
膜生物反应器（MBR）工艺是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术。它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质截留住，省掉二沉池。活性污泥浓度因此大大提高，水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应、降解。因此，膜生物反应器（MBR）工艺通过膜分离技术大大强化了生物反应器的功能。与传统的生物处理方法相比，是目前最有前途的废水处理新技术之一。
从整体构造上来看，MBR是由膜组件和生物反应器两部分组成。根据这两部分操作单元自身的多样性，膜生物反应器也必然有多种类型。膜生物反应器的一些基本分类见表1。
表1 MBR的基本分类
内容 分类
膜组件 管式、板框式、中空纤维式
膜材料 有机膜、无机膜
压力驱动形式 外压式、抽吸式
生物反应器 好氧、厌氧
膜组件与生物反应器的组合方式 分置式、一体式（浸没式）
分置式MBR是指膜组件与生物反应器分开设置，浸没式MBR是指膜组件安置在生物反应器内部。2种反应器的流程如图2所示。
图2 MBR流程图
表2 2种反应器的区别
MBR种类 压力驱动形式 动力消耗 管道要求 膜更换和清洗情况 微生物失活情况 设备占地面积
分置式 压力泵加压 大 需要 方便 有可能 大
一体式 真空泵抽吸 小 不需要 不方便 不失活 小
实际应用中，分置式MBR与一体式MBR互有优缺点，区别见表2。
3.2 MBR所用滤膜及膜组件
在MBR工艺中，超、微滤膜分离的对象是活性污泥混合液。活性污泥混合液主要包括活性污泥和被处理的污水，而活性污泥是由各种胶体、絮状物和微生物（绝大部分是各种细菌）组成。膜组件长期过滤活性污泥混合液时，污染物不断地在膜表面沉积，细菌不断地向膜内部繁殖，使其生成的代谢产物在膜孔中沉淀，进而引起膜孔堵塞，使膜的通量下降，膜寿命缩短，工艺运行费用增加。
一般而言，决定膜过滤效果的主要因素是膜的孔径及孔隙率，而选择什么样的膜材料并不是关键。但是在MBR工艺中膜材料种类却强烈地影响其耐污染性，所要解决膜污染问题的最主要的途径是找到耐污染的膜材料或者是对膜进行改性。
所调研的近期文献中有关MBR所用滤膜及组件的情况如表3所示：
从近期国内外MBR研究情况来看（文献的抽取有随机性），滤膜大都为较小孔径的微滤膜，或较大截留分子量的超滤膜，孔径范围为0.1～0.5mm；材质主要是疏水性的聚烯烃和亲水性的聚砜、纤维素等，还有一些无机膜。疏水性的聚烯烃一般做成中空纤维式膜组件，而亲水性的聚砜、纤维素膜一般做成平板式膜组件。
表3 近期文献中MBR所用滤膜及组件形式
应用试验单位 滤膜孔径或切割分子量 滤膜材质 组件类型 膜面积（m2） 使用形式 供应商
清华大学 0.1mm 聚丙烯 中空纤维 0.4 浸没式 浙江大学
清华大学 0.45mm ZrO2 管式 0.28 分置式 法TECH-SET
清华大学 0.1mm 聚乙烯 中空纤维 4.0 浸没式 日本三菱公司
同济大学 0.065mm 聚丙烯 中空纤维 2.0 浸没式 百事德公司
大连理工大学 MW30000 聚丙烯 中空纤维 4.0 浸没式
哈尔滨建筑大学 0.34mm 聚砜 中空纤维 1.0 浸没式
兰州铁道学院 超滤膜 PAN/PS 外压管式 0.0173 分置式 自制
南京建筑学院 0.01mm 聚丙烯 中空纤维 1.0 浸没式
4 MBR研究进展
目前，MBR的研究主要集中在以下几个方面：（1）降低膜污染，提高膜通量；（2）探求合适的工作条件和工艺参数；（3）降低处理工艺的运行成本。
MBR因自身特殊的工艺也要求了不同于一般的超、微滤膜材料，但制备针对于MBR所用的膜材料的研究还很少。显然选择合适的膜材料是降低膜污染的一个重要方法，这还有待于进一步研究。
5 MBR应用实例
随着研究的深入，国内外已有了MBR应用的实例。实践表明，膜污染严重、水通量低，是限制MBR推广应用最主要的原因。
加拿大Cote P等 报道了北美洲在20世纪90年代MBR发展的概况。其中ZENON环保公司在1996年推出了组件膜面积为46m2、体积密度为63m2/m3的ZW-500型膜生物反应器，该设备已成功地应用于市政污水处理。目前以小规模装置为主，处理能力为10～200m3/d，主要在办公楼、购物中心、学校、医院和疗养地推广使用。装置的水力停留时间(HRT)为24h，SRT为1～2年。滤出液经过紫外线消毒或活性炭吸附后，用作厕所冲洗水。在安大略省建成的日处理污水3 800m3的MBR装置，安装了ZW-500型膜组件144个，总膜面积6624m2。曝气池体积440m3，正常HRT为3.8h；厌氧反应池体积为380m3，HRT为2.4h。运行期间的MLSS浓度为12 000～20 000mg/L，MLVSS浓度仅为MLSS的55%～70%。运行9个月以来出水BOD和有机磷的去除率都接近100%。
日本自1998年以来，着重推广了中水道系统的开发利用。其目的主要是将以厨房排水、洗脸及洗澡后的排水为主体的楼房排水进行处理，然后作为厕所冲洗水再利用。比如，日立工厂建设公司用高浓度活性污泥法和旋转平板超滤膜装置组合而成的系统作为大楼中水道的回用系统。因为膜板旋转，使膜表面的污泥被搅拌，从而可控制膜面污染。
天津清华德人环境公司和天津大学共同研制的MBR已有了一些的应用实例。以处理天津某写字楼排放的污水为例，该写字楼的建筑面积约为17 000m2,采用了日处理能力为25m3 的装置，设备本体占地3.2m2,投资10余万元，能耗为0.8kW•h/m3。处理出水可用作冲厕、绿化及洗车等。
6 结语
6.1 MBR综合了膜分离技术和生物处理技术的优点，超、微滤膜组件能替代CAS中的二沉池，更有效地进行泥水分离，并延长SRT，提高微生物对污水中有机物的处理能力。经超、微滤膜处理后出水水质好可以直接用于非饮用水回用。系统占地面积小，几乎不排剩余污泥，具有较高的抗冲击能力。
6.2 MBR具有一定的实用性，但膜污染仍是制约MBR推广应用的最主要因素。因为MBR中膜材料既要面临活性污泥、污水中固体颗粒的污染，又要面临活性污泥中微生物的侵蚀。虽可以通过控制抽停时间、曝气量等工艺参数以及采用适当的清洗技术来减少膜面的污染，但最有效、最根本的方法是研制出一种抗污染、耐微生物侵蚀的新的膜材料及对膜进行适当的改性。
6.3 在应用MBR技术处理市政、生活污水并实现中水回用时，还要考虑另外一个关键因素，即运行成本。因此，在研究中要始终将运行成本。作为考虑试验方案和确定试验结果的主要出发点。
1 引言
传统的活性污泥工艺(Conventional Activated Sludge, CAS)广泛地应用于各种污水处理中。由于采用重力式沉淀方式作为固液分离手段，因此带来了很多方面的问题。如固液分离效率不高、处理装置容积负荷低、占地面积大、出水水质不稳定、传氧效率低、能耗高以及剩余污泥产量大等等。传统生物处理工艺处理后的水难以满足越来越严格的污水排放标准，同时，经济的发展所带来的水资源的日益短缺也迫切要求开发合适的污水资源化技术，以缓解水资源的供需矛盾。在上述背景下，一种新型的水处理技术——（Membrane Bioreactor,MBR）应运而生。随着膜分离技术和产品的不断开发，(MBR)也更具有实用价值，近年来许多国家都投入了大量资金用于开发此项高新技术。
2 CAS
CAS是一种应用最广的废水好氧生物处理技术。其基本流程如图1所示，是由曝气池、二次沉淀池、曝气系统（含空气或氧气的加压设备、管道系统和空气扩散装置）以及污泥回流系统等组成。
曝气池与二次沉淀池是活性污泥系统的基本处理构筑物。由初次沉淀池流出的废水与从二次沉淀池底部回流的活性污泥同时进入曝气池，其混合体称为混合液。在曝气的作用下，混合液得到足够的溶解氧并使活性污泥和废水充分接触。废水中的可溶性有机污染物为活性污泥所吸附并为存活在活性污泥上的微生物群体所分解，使废水得到净化。在二次
沉淀池内，活性污泥与已被净化的废水（称为处理水）分离，处理水排放，活性污泥在污泥区内进行浓缩，并以较高的浓度回流曝气池。由于活性污泥不断地增长，部分污泥作为剩余污泥从系统中排出，也可以送往初次沉淀池。
图1 活性污泥法基本流程
3 MBR法
3.1 MBR及其分类
MBR是指将超、微滤膜分离技术与污水处理中的生物反应器相结合而成的一种新的污水处理装置。这种反应器综合了膜处理技术和生物处理技术带来的优点。超、微滤膜组件作为泥水分离单元，可以完全取代二次沉淀池。超、微滤膜截留活性污泥混合液中微生物絮体和较大分子有机物，使之停留在反应器内，使反应器内获得高生物浓度，并延长有机固体停留时间，极大地提高了微生物对有机物的氧化率。同时，经超、微滤膜处理后，出水质量高，可以直接用于非饮用水回用。系统几乎不排剩余污泥，且具有较高的抗冲击能力。特别是1989年Yamamoto将中空纤维膜应用于活性污泥处理中，使工艺运行成本大大降低，实际应用前景广阔。因此，MBR是当今倍受国内外专家学者重视的一项高新水处理技术。
MBR的特点：
一、出水水质好
由于采用膜分离技术，不必设立、过滤等其它固液分离设备。高效的固液分离将废水中有悬浮物质、胶体物质、生物单元流失的微生物菌群与已净化的水分开，不需经三级处理即直接可回用，具有较高的水质安全性。
二、占地面积小
膜生物反应器生物处理单元内微生物维持高浓度，使容积负荷大大提高，膜分离的高效性使处理单元水力停留时间大大缩短，占地面积减少。同时膜生物反应器由于采用了膜组件，不需要沉淀池和专门的过滤车间，系统占地仅为传统方法的60%
三、节省运行成本
由于MBR高效的氧利用效率，和独特的间歇性运行方式，大大减少了曝气设备的运行时间和用电量，节省电耗。同时由于膜可滤除细菌、病毒等有害物质，可显著节省加药消毒所带来的长期运行费用，膜生物反应器工艺不需加入絮凝剂，减少运行成本。
膜生物反应器（MBR）工艺是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术。它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质截留住，省掉二沉池。活性污泥浓度因此大大提高，水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应、降解。因此，膜生物反应器（MBR）工艺通过膜分离技术大大强化了生物反应器的功能。与传统的生物处理方法相比，是目前最有前途的废水处理新技术之一。
从整体构造上来看，MBR是由膜组件和生物反应器两部分组成。根据这两部分操作单元自身的多样性，膜生物反应器也必然有多种类型。膜生物反应器的一些基本分类见表1。
表1 MBR的基本分类
内容 分类
膜组件 管式、板框式、中空纤维式
膜材料 有机膜、无机膜
压力驱动形式 外压式、抽吸式
生物反应器 好氧、厌氧
膜组件与生物反应器的组合方式 分置式、一体式（浸没式）
分置式MBR是指膜组件与生物反应器分开设置，浸没式MBR是指膜组件安置在生物反应器内部。2种反应器的流程如图2所示。
图2 MBR流程图
表2 2种反应器的区别
MBR种类 压力驱动形式 动力消耗 管道要求 膜更换和清洗情况 微生物失活情况 设备占地面积
分置式 压力泵加压 大 需要 方便 有可能 大
一体式 真空泵抽吸 小 不需要 不方便 不失活 小
实际应用中，分置式MBR与一体式MBR互有优缺点，区别见表2。
3.2 MBR所用滤膜及膜组件
在MBR工艺中，超、微滤膜分离的对象是活性污泥混合液。活性污泥混合液主要包括活性污泥和被处理的污水，而活性污泥是由各种胶体、絮状物和微生物（绝大部分是各种细菌）组成。膜组件长期过滤活性污泥混合液时，污染物不断地在膜表面沉积，细菌不断地向膜内部繁殖，使其生成的代谢产物在膜孔中沉淀，进而引起膜孔堵塞，使膜的通量下降，膜寿命缩短，工艺运行费用增加。
一般而言，决定膜过滤效果的主要因素是膜的孔径及孔隙率，而选择什么样的膜材料并不是关键。但是在MBR工艺中膜材料种类却强烈地影响其耐污染性，所要解决膜污染问题的最主要的途径是找到耐污染的膜材料或者是对膜进行改性。
所调研的近期文献中有关MBR所用滤膜及组件的情况如表3所示：
从近期国内外MBR研究情况来看（文献的抽取有随机性），滤膜大都为较小孔径的微滤膜，或较大截留分子量的超滤膜，孔径范围为0.1～0.5mm；材质主要是疏水性的聚烯烃和亲水性的聚砜、纤维素等，还有一些无机膜。疏水性的聚烯烃一般做成中空纤维式膜组件，而亲水性的聚砜、纤维素膜一般做成平板式膜组件。
表3 近期文献中MBR所用滤膜及组件形式
应用试验单位 滤膜孔径或切割分子量 滤膜材质 组件类型 膜面积（m2） 使用形式 供应商
清华大学 0.1mm 聚丙烯 中空纤维 0.4 浸没式 浙江大学
清华大学 0.45mm ZrO2 管式 0.28 分置式 法TECH-SET
清华大学 0.1mm 聚乙烯 中空纤维 4.0 浸没式 日本三菱公司
同济大学 0.065mm 聚丙烯 中空纤维 2.0 浸没式 百事德公司
大连理工大学 MW30000 聚丙烯 中空纤维 4.0 浸没式
哈尔滨建筑大学 0.34mm 聚砜 中空纤维 1.0 浸没式
兰州铁道学院 超滤膜 PAN/PS 外压管式 0.0173 分置式 自制
南京建筑学院 0.01mm 聚丙烯 中空纤维 1.0 浸没式
4 MBR研究进展
目前，MBR的研究主要集中在以下几个方面：（1）降低膜污染，提高膜通量；（2）探求合适的工作条件和工艺参数；（3）降低处理工艺的运行成本。
MBR因自身特殊的工艺也要求了不同于一般的超、微滤膜材料，但制备针对于MBR所用的膜材料的研究还很少。显然选择合适的膜材料是降低膜污染的一个重要方法，这还有待于进一步研究。
5 MBR应用实例
随着研究的深入，国内外已有了MBR应用的实例。实践表明，膜污染严重、水通量低，是限制MBR推广应用最主要的原因。
加拿大Cote P等 报道了北美洲在20世纪90年代MBR发展的概况。其中ZENON环保公司在1996年推出了组件膜面积为46m2、体积密度为63m2/m3的ZW-500型膜生物反应器，该设备已成功地应用于市政污水处理。目前以小规模装置为主，处理能力为10～200m3/d，主要在办公楼、购物中心、学校、医院和疗养地推广使用。装置的水力停留时间(HRT)为24h，SRT为1～2年。滤出液经过紫外线消毒或活性炭吸附后，用作厕所冲洗水。在安大略省建成的日处理污水3 800m3的MBR装置，安装了ZW-500型膜组件144个，总膜面积6624m2。曝气池体积440m3，正常HRT为3.8h；厌氧反应池体积为380m3，HRT为2.4h。运行期间的MLSS浓度为12 000～20 000mg/L，MLVSS浓度仅为MLSS的55%～70%。运行9个月以来出水BOD和有机磷的去除率都接近100%。
日本自1998年以来，着重推广了中水道系统的开发利用。其目的主要是将以厨房排水、洗脸及洗澡后的排水为主体的楼房排水进行处理，然后作为厕所冲洗水再利用。比如，日立工厂建设公司用高浓度活性污泥法和旋转平板超滤膜装置组合而成的系统作为大楼中水道的回用系统。因为膜板旋转，使膜表面的污泥被搅拌，从而可控制膜面污染。
天津清华德人环境公司和天津大学共同研制的MBR已有了一些的应用实例。以处理天津某写字楼排放的污水为例，该写字楼的建筑面积约为17 000m2,采用了日处理能力为25m3 的装置，设备本体占地3.2m2,投资10余万元，能耗为0.8kW•h/m3。处理出水可用作冲厕、绿化及洗车等。
6 结语
6.1 MBR综合了膜分离技术和生物处理技术的优点，超、微滤膜组件能替代CAS中的二沉池，更有效地进行泥水分离，并延长SRT，提高微生物对污水中有机物的处理能力。经超、微滤膜处理后出水水质好可以直接用于非饮用水回用。系统占地面积小，几乎不排剩余污泥，具有较高的抗冲击能力。
6.2 MBR具有一定的实用性，但膜污染仍是制约MBR推广应用的最主要因素。因为MBR中膜材料既要面临活性污泥、污水中固体颗粒的污染，又要面临活性污泥中微生物的侵蚀。虽可以通过控制抽停时间、曝气量等工艺参数以及采用适当的清洗技术来减少膜面的污染，但最有效、最根本的方法是研制出一种抗污染、耐微生物侵蚀的新的膜材料及对膜进行适当的改性。
6.3 在应用MBR技术处理市政、生活污水并实现中水回用时，还要考虑另外一个关键因素，即运行成本。因此，在研究中要始终将运行成本。作为考虑试验方案和确定试验结果的主要出发点。
