mbr工藝

膜- 生物反應(yīng)器主要由膜分離組件及生物反應(yīng)器兩部分組成。通常提到的膜 - 生物反應(yīng)器實(shí)際上是三類反應(yīng)器的總稱: ① 曝氣膜 - 生物反應(yīng)器(Aeration Membrane Bioreactor, AMBR) ; ② 萃取膜 - 生物反應(yīng)器( ExtractiveMembrane Bioreactor, EMBR ); ③ 固液分離型膜 - 生物反應(yīng)器( Solid/Liquid SeparationMembrane Bioreactor, SLSMBR, 簡稱 MBR )。

曝氣膜 -生物反應(yīng)器最早見于 Cote.P 等 1988年報(bào)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(diǎn)( Bubble Point)情況下，可實(shí)現(xiàn)向生物反應(yīng)器的無泡曝氣。該工藝的特點(diǎn)是提高了接觸時(shí)間和傳氧效率，有利于曝氣工藝的控制，不受傳統(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時(shí)間的因素的影響。如圖 [1] 所示。

萃取膜 - 生物反應(yīng)器 又稱為 EMBR (Extractive Membrane Bioreactor)。因?yàn)楦咚釅A度或?qū)ι镉卸疚镔|(zhì)的存在，某些工業(yè)廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理;當(dāng)廢水中含揮發(fā)性有毒物質(zhì)時(shí)，若采用傳統(tǒng)的好氧生物處理過程，污染物容易隨曝氣氣流揮發(fā)，發(fā)生氣提現(xiàn)象，不僅處理效果很不穩(wěn)定，還會造成大氣污染。為了解決這些技術(shù)難題，英國學(xué)者 Livingston研究開發(fā)了 EMB 。廢水與活性污泥被膜隔開來，廢水在膜內(nèi)流動，而含某種專性細(xì)菌的活性污泥在膜外流動，廢水與微生物不直接接觸，有機(jī)污染物可以選擇性透過膜被另一側(cè)的微生物降解。由于萃取膜兩側(cè)的生物反應(yīng)器單元和廢水循環(huán)單元是各自獨(dú)立，各單元水流相互影響不大，生物反應(yīng)器中營養(yǎng)物質(zhì)和微生物生存條件不受廢水水質(zhì)的影響，使水處理效果穩(wěn)定。系統(tǒng)的運(yùn)行條件如 HRT 和 SRT 可分別控制在最優(yōu)的范圍，維持最大的污染物降解速率。

固液分離型膜 - 生物反應(yīng)器是在水處理領(lǐng)域中研究得最為廣泛深入的一類膜 -生物反應(yīng)器，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)。在傳統(tǒng)的廢水生物處理技術(shù)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(yùn)行狀況，改善污泥沉降性必須嚴(yán)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 1.5~3.5mg/L左右，從而限制了生化反應(yīng)速率。

水力停留時(shí)間( HRT )與污泥齡( SRT)相互依賴，提高容積負(fù)荷與降低污泥負(fù)荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的 25% ~40% 。傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)還容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，出水中含有懸浮固體，出水水質(zhì)惡化。

針對上述問題， MBR將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，MBR實(shí)現(xiàn)污泥停留時(shí)間和水力停留時(shí)間的分離，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(yōu)勢菌群 ) 的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率。同時(shí)，通過降低 F/M比減少剩余污泥產(chǎn)生量(甚至為零)，從而基本解決了傳統(tǒng)活性污泥法存在的許多突出問題。

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

分置式膜 - 生物反應(yīng)器把膜組件和生物反應(yīng)器分開設(shè)置，如圖 3所示。生物反應(yīng)器中的混合液經(jīng)循環(huán)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(tǒng)處理水;固形物、大分子物質(zhì)等則被膜截留，隨濃縮液回流到生物反應(yīng)器內(nèi)。分置式膜 -生物反應(yīng)器的特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定可靠，易于膜的清洗、更換及增設(shè);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(huán)泵提供較高的膜面錯流流速，水流循環(huán)量大、動力費(fèi)用高 (Yamamoto, 1989)，并且泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力會使某些微生物菌體產(chǎn)生失活現(xiàn)象 ( Brockmann and Seyfried, 1997 ) 。

一體式膜 - 生物反應(yīng)器是把膜組件置于生物反應(yīng)器內(nèi)部，如圖 4 所示。進(jìn)水進(jìn)入膜 -生物反應(yīng)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(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。

復(fù)合式膜 - 生物反應(yīng)器在形式上也屬于一體式膜 - 生物反應(yīng)器，所不同的是在生物反應(yīng)器內(nèi)加裝填料，從而形成復(fù)合式膜 - 生物反應(yīng)器，改變了反應(yīng)器的某些性狀，如圖 5 所示:

與許多傳統(tǒng)的生物水處理工藝相比， MBR 具有以下主要特點(diǎn):

一、出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定

由于膜的高效分離作用，分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)沉淀池，處理出水極其清澈， 懸浮物和濁度接近于零，細(xì)菌和病毒被大幅去除 ，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 )，可以直接作為非飲用市政雜用水進(jìn)行回用。

同時(shí)，膜分離也使 微生物被完全被截流在生物反應(yīng)器內(nèi)， 使得系統(tǒng)內(nèi)能夠維持較高的微生物濃度，不但提高了反應(yīng)裝置對污染物的整體去除效率，保證了良好的出水水質(zhì)，同時(shí)反應(yīng)器對進(jìn)水負(fù)荷(水質(zhì)及水量)的各種變化具有很好的適應(yīng)性，耐沖擊負(fù)荷，能夠穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)。

二、剩余污泥產(chǎn)量少

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

三、占地面積小，不受設(shè)置場合限制

生物反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負(fù)荷高，占地面積大大節(jié)省; 該工藝流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積省，不受設(shè)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。

四、可去除氨氮及難降解有機(jī)物

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

五、操作管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動控制

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 )的完全分離，運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中容易實(shí)現(xiàn)裝備化的新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動控制，從而使操作管理更為方便。

六、易于從傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改造

該工藝可以作為傳統(tǒng)污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級污水處理廠出水深度處理(從而實(shí)現(xiàn)城市污水的大量回用)等領(lǐng)域有著廣闊的應(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:

o 膜造價(jià)高，使膜 - 生物反應(yīng)器的基建投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝;

o 膜污染容易出現(xiàn)，給操作管理帶來不便;

o 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 濃度非常高，要保持足夠的傳氧速率，必須加大曝氣強(qiáng)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(tǒng)的生物處理工藝高。

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稱膜。

膜的分類依據(jù)及分類:

一、 MBR 膜材質(zhì)

1、高分子有機(jī)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(jī)膜成本相對較低，造價(jià)便宜，膜的制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式也較為多樣，應(yīng)用廣泛，但運(yùn)行過程易污染、強(qiáng)度低、使用壽命短。

2、無機(jī)膜 :是固態(tài)膜的一種，是由無機(jī)材料，如金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無機(jī)高分子材料等制成的半透膜。

目前在 MBR 中使用的無機(jī)膜多為陶瓷膜，優(yōu)點(diǎn)是:它可以在 pH = 0~14 、壓力 P<10MPa 、溫度 <350 ℃的環(huán)境中使用，其通量高、能耗相對較低，在高濃度工業(yè)廢水處理中具有很大競爭力;缺點(diǎn)是:造價(jià)昂貴、不耐堿、彈性小、膜的加工制備有一定困難。

二、 MBR 膜孔徑

MBR 工藝中用膜一般為微濾膜( MF )和超濾膜( UF )，大都采用 0.1 ~ 0.4 μ m 膜孔徑，這對于固液分離型的膜反應(yīng)器來說已經(jīng)足夠。

微濾膜常用的聚合物材料有:聚碳酸酯、纖維素酯、聚偏二氟乙烯、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。

超濾常用聚合物材料有:聚砜、聚醚砜、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。

三、 MBR 膜組件

為了便于工業(yè)化生產(chǎn)和安裝，提高膜的工作效率，在單位體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的膜面積，通常將膜以某種形式組裝在一個(gè)基本單元設(shè)備內(nèi)，在一定的驅(qū)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(yè)上常用的膜組件形式有五種:

板框式( Plate and Frame Module )、螺旋卷式 (Spiral Wound Module) 、圓管式 (TubularModule) 、中空纖維式 (Hollow Fiber Module) 和毛細(xì)管式 (Capillary Module)。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(xì)管式- 0.5~10.0mm ;中空纖維式<0.5mm> 。

表:各種膜組件特性

MBR 工藝中常用的膜組件形式有:板框式、圓管式、中空纖維式。 板框式:

是 MBR 工藝最早應(yīng)用的一種膜組件形式，外形類似于普通的板框式壓濾機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是:制造組裝簡單，操作方便，易于維護(hù)、清洗、更換。缺點(diǎn)是:密封較復(fù)雜，壓力損失大，裝填密度小。

圓管式:

是由膜和膜的支撐體構(gòu)成，有內(nèi)壓型和外壓型兩種運(yùn)行方式。實(shí)際中多采用內(nèi)壓型，即進(jìn)水從管內(nèi)流入，滲透液從管外流出。膜直徑在 6~24mm 之間。圓管式膜優(yōu)點(diǎn)是:料液可以控制湍流流動，不易堵塞，易清洗，壓力損失小。缺點(diǎn)是:裝填密度小。

中空纖維式:

外徑一般為 40 ~ 250 μm ，內(nèi)徑為 25 ~ 42μm 。優(yōu)點(diǎn)是:耐壓強(qiáng)度高，不易變形。在 MBR中，常把組件直接放入反應(yīng)器中，不需耐壓容器，構(gòu)成浸沒式膜 -生物反應(yīng)器。一般為外壓式膜組件。優(yōu)點(diǎn)是:裝填密度高;造價(jià)相對較低;壽命較長，可以采用物化性能穩(wěn)定，透水率低的尼龍中空纖維膜;膜耐壓性能好，不需支撐材料。缺點(diǎn)是:對堵塞敏感，污染和濃差極化對膜的分離性能有很大影響。

MBR 膜組件設(shè)計(jì)的一般要求:

o 對膜提供足夠的機(jī)械支撐，流道通暢，沒有流動死角和靜水區(qū);

o 能耗較低，盡量減少濃差極化，提高分離效率，減輕膜污染;

o 盡可能高的裝填密度，安裝，清洗、更換方便;

o 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)用場合、系統(tǒng)流程、膜污染及清洗、使用壽命等。

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，該公司又開發(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 380m 3 /d 至 7600m 3 /d。日本三菱人造絲公司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)用中具有競爭力的公司，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(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:

一、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 14m 3 /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 10m 3 /d 和 50m 3 /d的 MBR 處理廠。 90 年代初期，日本就有 39 座這樣的廠在運(yùn)行，最大處理能力可達(dá) 500m 3 /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 Wessex 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) 2 ， 000 m 3 ， 1999 年又在 Dorset 的 Swanage 建成了 13 ， 000m 3 /d 的MBR 工廠 [14] 。

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 25噸，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 。

二、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、糞便污水處理以外， 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 151m 3 /d，該系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷達(dá) 6.3kgCOD/m 3 · d ， COD 去除率為 94%，絕大部分的油與油脂被降解。在荷蘭，一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。

三、 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 年該公司在法國的 Douchy 建成了日產(chǎn)飲用水 400m 3 的工廠。出水中氮濃度低于 0.1mgNO 2 /L，殺蟲劑濃度低于 0.02 μ g/L 。

四、糞便污水處理

糞便污水中有機(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，影響了三級處理效果。 MBR 的出現(xiàn)很好地解決了這一問題，并且使糞便污水不經(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0.4m 2 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 多萬人的糞便污水。

五、土地填埋場 / 堆肥滲濾液處理

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(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 1500m 3 /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 50 ， 000mg/L 。在現(xiàn)場中試中，進(jìn)液 COD 為幾百至40 ， 000 ，污染物的去除率達(dá) 90% 以上。

國內(nèi)外 MBR 主要應(yīng)用領(lǐng)域及相應(yīng)百分比率:

污水類型 所占百分比率(%) 污水類型 所占百分比率(%)

工業(yè)污水 27 城市污水 12

建筑污水 24 垃圾 9

家庭污水 27

o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(dá)標(biāo)或處理流量劇增而占地面積無法擴(kuò)大的水廠。

o 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。

o 有污水回用需求的地區(qū)或場所，如賓館、洗車業(yè)、客機(jī)、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(diǎn)。

o 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。

o 垃圾填埋廠滲濾液的處理及回用。

o 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。

二、MBR 未來的研究重點(diǎn)如下

o 膜污染的機(jī)理及防治。

o MBR 工藝流程形式及運(yùn)行條件的優(yōu)化。

o MBR 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。

o MBR 生物反應(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。

o MBR 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。

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

用于污水深度處理，能在原有污水達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，經(jīng)過生物流化床和陶瓷膜分離系統(tǒng)，進(jìn)一步降低COD、NH-N、濁度等指標(biāo)，一方面可直接回用，另一方面也可作為RO脫鹽處理的預(yù)處理工藝，替代原有砂濾、保安過濾、超濾等冗長過濾流程，同時(shí)有機(jī)物含量的降低大大提高RO膜使用壽命，降低回用水處理成本，無機(jī)陶瓷膜分離系統(tǒng)，是世界第一套污水處理專用的無機(jī)膜分離系統(tǒng)，和其它的有機(jī)膜、無機(jī)膜相比，具有膜通量大、可反沖、全自動操作等優(yōu)勢。

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

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

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

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

曝氣膜

曝氣膜--生物反應(yīng)器(AMBR)最早見于Cote.P 等1988年報(bào)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(diǎn)( Bubble Point)情況下，可實(shí)現(xiàn)向生物反應(yīng)器的無泡曝氣。該工藝的特點(diǎn)是提高了接觸時(shí)間和傳氧效率，有利于曝氣工藝的控制，不受傳統(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時(shí)間的因素的影響。

萃取膜

萃取膜--生物反應(yīng)器，又稱為EMBR(Extractive Membrane Bioreactor)。因?yàn)楦咚釅A度或?qū)ι镉卸疚镔|(zhì)的存在，某些工業(yè)廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理;當(dāng)廢水中含揮發(fā)性有毒物質(zhì)時(shí)，若采用傳統(tǒng)的好氧生物處理過程，污染物容易隨曝氣氣流揮發(fā)，發(fā)生氣提現(xiàn)象，不僅處理效果很不穩(wěn)定，還會造成大氣污染。

為了解決這些技術(shù)難題，英國學(xué)者Livingston研究開發(fā)了EMBR。廢水與活性污泥被膜隔開來，廢水在膜內(nèi)流動，而含某種專性細(xì)菌的活性污泥在膜外流動，廢水與微生物不直接接觸，有機(jī)污染物可以通過選擇性透過膜被另一側(cè)的微生物降解。由于萃取膜兩側(cè)的生物反應(yīng)器單元和廢水循環(huán)單元是各自獨(dú)立，各單元水流相互影響不大，生物反應(yīng)器中營養(yǎng)物質(zhì)和微生物生存條件不受廢水水質(zhì)的影響，使水處理效果穩(wěn)定。系統(tǒng)的運(yùn)行條件如HRT和SRT可分別控制在最優(yōu)的范圍，維持最大的污染物降解速率。

固液分離型膜

固液分離型膜--生物反應(yīng)器是在水處理領(lǐng)域中研究得最為廣泛深入的一類膜--生物反應(yīng)器，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)。

在傳統(tǒng)的廢水生物處理技術(shù)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(yùn)行狀況，改善污泥沉降性必須嚴(yán)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/L左右，從而限制了生化反應(yīng)速率。水力停留時(shí)間(HRT)與污泥齡(SRT)相互依賴，提高容積負(fù)荷與降低污泥負(fù)荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的25% ~40% 。傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)還容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，出水中含有懸浮固體，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(jī)結(jié)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(yōu)勢菌群)的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率;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。

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

出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定

由于膜的高效分離作用，分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)沉淀池，處理出水極其清澈，懸浮物和濁度接近于零，細(xì)菌和病毒被大幅去除，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)，可以直接作為非飲用市政雜用水進(jìn)行回用。

同時(shí)，膜分離也使微生物被完全被截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，使得系統(tǒng)內(nèi)能夠維持較高的微生物濃度，不但提高了反應(yīng)裝置對污染物的整體去除效率，保證了良好的出水水質(zhì)，同時(shí)反應(yīng)器對進(jìn)水負(fù)荷(水質(zhì)及水量)的各種變化具有很好的適應(yīng)性，耐沖擊負(fù)荷，能夠穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)。

剩余污泥產(chǎn)量少

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

占地面積小，不受設(shè)置場合限制

生物反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負(fù)荷高，占地面積大大節(jié)省;該工藝流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積省，不受設(shè)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。

可去除氨氮及難降解有機(jī)物

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

操作管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動控制

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)的完全分離，運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中容易實(shí)現(xiàn)裝備化的新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動控制，從而使操作管理更為方便。

易于從傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改造

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

膜--生物反應(yīng)器也存在一些不足。主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面:

(1)膜造價(jià)高，使膜--生物反應(yīng)器的基建投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝;

(2)膜污染容易出現(xiàn)，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濃度非常高，要保持足夠的傳氧速率，必須加大曝氣強(qiáng)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(tǒng)的生物處理工藝高。

膜可以由很多種材料制備，可以是液相、固相甚至是氣相的。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稱膜。

膜的分類依據(jù)及分類:

膜材質(zhì)

1、高分子有機(jī)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(jī)膜成本相對較低，造價(jià)便宜，膜的制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式也較為多樣，應(yīng)用廣泛，但運(yùn)行過程易污染、強(qiáng)度低、使用壽命短。

2、無機(jī)膜:是固態(tài)膜的一種，是由無機(jī)材料，如金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無機(jī)高分子材料等制成的半透膜。

在MBR中使用的無機(jī)膜多為陶瓷膜。優(yōu)點(diǎn)是:它可以在pH=0~14、壓力P<10MPa、溫度<350 ℃的環(huán)境中使用，其通量高、能耗相對較低，在高濃度工業(yè)廢水處理中具有很大競爭力;缺點(diǎn)是:造價(jià)昂貴、不耐堿、彈性小、膜的加工制備有一定困難。

膜孔徑

MBR 工藝中用膜一般為微濾膜(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(yīng)器來說已經(jīng)足夠。

微濾膜常用的聚合物材料有:聚碳酸酯、纖維素酯、聚偏二氟乙烯、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。

超濾常用聚合物材料有:聚砜、聚醚砜(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。

膜組件

為了便于工業(yè)化生產(chǎn)和安裝，提高膜的工作效率，在單位體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的膜面積，通常將膜以某種形式組裝在一個(gè)基本單元設(shè)備內(nèi)，在一定的驅(qū)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(yè)上常用的膜組件形式有五種:

板框式(Plate and Frame Module)、螺旋卷式(Spiral Wound Module)、圓管式(Tubular Module)、中空纖維式(Hollow Fiber Module)和毛細(xì)管式(Capillary Module)。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(xì)管式0.5~10.0mm;中空纖維式<0.5mm。

附表:各種膜組件特性

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工藝最早應(yīng)用的一種膜組件形式，外形類似于普通的板框式壓濾機(jī)。

優(yōu)點(diǎn):制造組裝簡單，操作方便，易于維護(hù)、清洗、更換。

缺點(diǎn):密封較復(fù)雜，壓力損失大，裝填密度小。

(2)圓管式

由膜和膜的支撐體構(gòu)成，有內(nèi)壓型和外壓型兩種運(yùn)行方式。實(shí)際中多采用內(nèi)壓型，即進(jìn)水從管內(nèi)流入，滲透液從管外流出。膜直徑在 6~24mm 之間。

優(yōu)點(diǎn):料液可以控制湍流流動，不易堵塞，易清洗，壓力損失小。

缺點(diǎn):裝填密度小。

(3)中空纖維式

組裝形式如下圖所示:外徑一般為40~250μm，內(nèi)徑為25~42μm。在MBR中，常把組件直接放入反應(yīng)器中，不需耐壓容器，構(gòu)成浸沒式膜--生物反應(yīng)器。一般為外壓式膜組件。

優(yōu)點(diǎn):耐壓強(qiáng)度高，不易變形，不需支撐材料;裝填密度高;造價(jià)相對較低;壽命較長，可以采用物化性能穩(wěn)定，透水率低的尼龍中空纖維膜。

缺點(diǎn):對堵塞敏感，污染和濃差極化對膜的分離性能有很大影響。

MBR膜組件設(shè)計(jì)的一般要求:

(1)對膜提供足夠的機(jī)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;

(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)用場合、系統(tǒng)流程、膜污染及清洗、使用壽命等。