MBR膜生物反應器技術及應用情況

如何進行水處理？

衡美水處理為您介紹一種經久耐用、性能卓越的水處理設備——MBR膜生物反應器，並詳細介紹其技術及應用情況。

MBR膜生物反應器技術及應用情況  汙水處理已經發展出了活性汙泥法及生物膜法兩種相對成熟的處理工藝（processes）。然而，隨著人口的迅速增長及工業化水平的不斷提高和發展，汙水的總量越來越大，成分越來越複雜，如果繼續以常規工藝進行處理，不但費時費力，還會占用非常寶貴的土地資源，且不一定會得到理想的處理效果。MBR 膜生物反應器（membranes bioreactors），作為一種新型高效的水處理技術，發展日趨成熟，目前已經在歐美、日本等發達國家得到了大規模的應用。該技術的最大特點便是能在大幅提高處理效率的同時，大大節省占地麵積，特別是對於迫切需要水資源循環利用的地區，其優良的出水水質完全能夠滿足回用水要求。

一、汙水的生物處理技術  

MBR 工藝的基礎，來自生物處理技術中的活性汙泥法（Activated sludge process），及物化處理技術中膜分離。 汙水生物處理是利用各種不同類型微生物新陳代謝功能，對汙水中的汙染物質進行分解和轉化，從而使汙水得到淨化的處理方法，用更形象的說法便是微生物在自身生長增殖的過程中“吃”掉了水中的汙染物。根據微生物生長方式的不同，生物處理技術又分成懸浮生長和附著生長法；其中懸浮生長法是指通過適當的方法使微生物在池中保持懸浮狀態並與汙水中的有機物充分接觸以完成降解過程，其典型代表便是活性汙泥法，而我們通常所說活性汙泥便是指汙水中懸浮的、具有降解能力的微生物群；而與之相對的附著生長法，主要指生物膜法：微生物附著在填料上生長，形成生物膜，汙水通過布水流經生物膜時，微生物與汙水中的汙染物接觸，完成對汙水的淨化。

1、 活性汙泥法簡介  

目前，基於處理效果、運行成本及管理維護等多方麵因素的考慮，活性汙泥法及其各衍生技術的應用更為廣泛。 所謂活性汙泥法的變種，是基於排放要求的不同，針對某些汙染物的處理所進行的工藝調整。作為國家節能減排的兩個重要指標之一，化學需氧量（COD，Chemical Oxygen Demand）始終是衡量汙水排放及汙水處理的最具代表性、同時也是最廣泛衡量的指標，是指用化學氧化劑氧化水中有機汙染物時所消耗的氧化劑的量。生化需氧量（BOD，Biochemical Oxygen Demand），是指水中汙染物被好氧微生物分解時所需要的氧量。通常我們用BOD 與COD 的比值（B/C）來衡量汙水的可生化降解的程度，生活汙水的B/C 值在0.7 左右，屬於生化性優良的原水。然而，水中其他汙染的控製也是十分重要的，諸如前一段時期引起廣泛關注的太湖藍藻爆發，便是由於水中氮磷一類的汙染物超標所導致的水體富營養化。對這類物質進行降解，必須經過好氧－厭氧交替過程，如AAO 工藝等，都可視為活性汙泥法的變種。

由於活性汙泥法中微生物是懸浮在汙水中，因此，出水前必需要進行泥水分離，以得到澄清的出水，而在傳統方法中，這一過程通常由二沉池（Two sink the pond）通過沉澱的方法來完成。由於活性汙泥的顆粒較小，所以二沉池的麵積必須非常大，且容積必須能夠保持一定的停留時間，才能滿足基本的泥水分離需要。  

原水→預處理→生化反應池→二沉池→消毒→出水（活性汙泥法的常規工藝流程）  

這樣一來便會帶來兩個問題，一是汙泥停留時間與水力停留時間的直接相關，二是占地麵積的擴大。  

所謂的汙泥停留時間是指微生物在處理係統中的停留時間，從微生物學的角度來講，生物群落的生長可以分為4個周期，延遲期（適應期）、對數增長期、穩定期（減速增長期）和衰亡期（內源呼吸期），而並不是所有時期的微生物都具有良好的處理效率。我們通常需要有一定“年齡”的微生物，因為此時的生物群落更豐富，對汙染物有更強的吸附和處理能力，同時也能確保出水水質。而決定汙泥泥齡的關鍵，便是每天排出處理係統的微生物的量。因為新生的微生物本身會分泌粘性物質，從而聚集成較大的顆粒，能更好地沉澱；而年長的微生物相對絮體較散，更難沉降，所以我們可以認為排除二沉池的汙泥是老化的汙泥，這樣，新增的汙泥逐漸替代老化的汙泥，直到反應池中的活性汙泥全部更新一次。我們通常所指的汙泥齡（SRT）的實質就是反應池中的活性汙泥全部更新一次所需要的時間。  

簡單的來說，就是汙水進水流量的變化會導致反應池中汙泥的生物性狀發生變化，從而影響其處理效率。

2、 活性汙泥法的缺陷  

在汙水處理工藝流程中，二沉池的麵積也是非常可觀的。一個1 萬噸（小規模）汙水處理廠（Sewage treatment plant），需要4 座直徑為30m 的圓形二沉池，而且每個池體之間都要保持一定的距離以考慮排布管道及整體沉降控製，因此需要極大的占地麵積。  

總的來說，二沉池的固液分離效率從某種程度上限製了生物反應池的處理效果，而且還會占用極大的空間和土地資源。  

同時，活性汙泥法還存在著剩餘汙泥的問題。二沉池沉澱所得的汙泥，除了一部分需要回流至生化池以維持一定的汙泥濃度，而其他部分則是作為剩餘汙泥排放。汙泥處理是汙水處理的重要組成部分。對於以活性汙泥法為主的城鎮汙水處理廠，汙泥處理係統的建設投資約占汙水處理廠總投資的20％～30％，而汙泥處理的投資和運行費用與選擇的工藝密切相關。  

在常規處理過程的出水前還有消毒的步驟，現在常用的消毒工藝有加氯接觸消毒和自外消毒。加氯消毒通常要求停留時間不小於30min，既一個規模為1 萬噸每天的汙水處理廠，需要一個200 多個立方的接觸池，出於流態方麵的考慮，還必須設計折板、流道、控製水深流速等以保持消毒劑的接觸效果；而消毒劑則需要持續投加，購買藥劑的成本不說，由於氯是有毒物質，存放及運輸過程中的安全性也需要考慮。紫外線消毒的占地省，構造簡單，但設備的投資高，且大功率的紫外線消毒設備耗電量大，運行費用高。  

有沒有一種更高效的固液分離的方法，可以替換傳統的二沉池，既能減少土地資源占用，維持高處理效率和穩定的出水水質，又能夠避免過多的剩餘汙泥產生，同時還能對致病菌有截留作用。膜分離的方法給出了答案。

二、膜分離技術  

膜分離，尤其是液體的分離，以前通常用於工業中的提純與混合液的分離。隨著水處理技術的發展，該工藝開始逐漸在水處理的環節得中到應用。根據不同的膜表麵孔徑大小，可以分為過濾、微濾（MF）、超濾（UF）及納濾（NF）等，膜生物反應器中通常采用的是微濾和超濾膜，其分離機理主要是篩分效應，類似於我們通常所指的過濾，但其又不完全相同，因膜結構的不同，截留作用大體可以分為機械截留、吸附截留及架橋作用等。  

膜與生物處理工藝結合的膜生物反應器研究（MBR）迄今已有30 多年的曆史；在國外，商業應用也已經有了20 年的曆史，而對於我國來說，該項技術尚在推廣起步階段。

1、 膜生物反應器（MBR）  

膜生物反應器（MBR）最大的特點便是用膜組建代替傳統工藝中的二沉池進行固液分離以得到澄清的出水。然而，看似簡單的一加一，其帶來的效應卻遠遠不止二。 MBR 與傳統活性汙泥法相比有以下明顯優勢：  

（1）汙染物去除率高，出水水質好MBR 既可以用於常規活性汙泥法難以處理的高濃度、難降解有機工業廢水處理，又可以用於生活汙水和一般工業廢水的淨化。在MBR 中，由於膜組件對於反應池中的微生物，尤其是對於世代周期較長的硝化反硝化菌種，及存在於小汙泥顆粒中的微生物具有相當好的截留作用，因此提高微生物種群的豐富性，對緩解水體富營養化具有極大的優勢；同樣由於膜的截留，MBR 體係中活性汙泥可以高達（MLSS）8000-15000mg/L，遠遠高於常規活性汙泥法（約3000-4000mg/L），對汙染物去除效率高，處理出水水質好，不僅對懸浮物（SS）、有機物去除效率高，出水的懸浮物（SS）和濁度可以接近零，而且可以去除細菌、病毒等可以作為汙水深度處理及資源化技術。生活汙水經膜生物反應器處理後可以做到肉眼觀察與自來水無異，特別適合缺水地區作回用處理。

（2）負荷變化適應強，耐衝擊負荷膜生物反應器由於膜的高效截留作用，實現了反應池內水力停留時間（HRT）和汙泥停留時間（SRT）的完全分離，即使進水量突然增大，整個反應器內部的生物性狀也能保持在一個比較穩定的狀態；同時，由於汙泥濃度的提高，強化了活性汙泥的吸附作用；而且，在膜的截留作用下，未被微生物降解的大顆粒汙染物也不會隨著出水排除，能夠留在反應器內部慢慢處理，直到被分解後才透過膜排出。基於以上幾點，整個反應器運行控製將會更加靈活，出水水質更加穩定。因此，膜生物反應器係統克服了當係統水力負荷和有機負荷發生變化時傳統水處理工藝出現汙泥膨脹等問題。

（3）汙泥排放量小  

膜生物反應器水處理技術除了作為汙水深度處理及資源化技術之外，還可以作為一種減少剩餘汙泥排放的重要技術途徑。國外文獻及小規模工程經驗顯示，膜生物反應器的汙泥排放量很小，甚至可以做到不產泥。汙泥自降解和汙泥水解可降低傳統水處理係統的效率，但對膜生物反應係統卻非常有益。常規的活性汙泥法通常采用的是生物周期處於穩定期末尾至衰亡期初始時的活性汙泥，而由於膜生物反應器中的高汙泥濃度，微生物的總量非常大，在消耗水中有機汙染物的同時，還有許多的微生物處於“饑餓”狀態，因此相當一部分處於衰亡期的微生物依靠自身的內源呼吸進行代謝分解，在保持出水汙染物低濃度的同時，消耗了汙泥生長過程中的剩餘量。膜分離使得汙水中的大分子難降解物質，在體積有限的膜生物反應器內有足夠的停留時間，大大提高了難降解物質的降解效率。反應器在高容積負荷、低汙泥負荷、長泥齡的情況下運行，完全可以實現較長周期內（如6月或者更長時間）不排泥或者排泥量很小，剩餘汙泥排放量很小，甚至不產泥。  

（4）工藝流程短，係統設備簡單緊湊，占地省

由於膜生物反應器無需在好氧汙泥係統產生絮體以便之後二沉池的泥水分離，因此生物反應器內汙泥濃度可以比傳統工藝高許多，而生化反應速率又與反應物濃度有關。反應物濃度越高，反應速率越大，因此膜生物反應器的容積負荷可高達5kgCOD/(m3d)，而傳統工藝通常隻有0.4～0.9kgBOD/(m3d)，處理生活汙水時水力停留時間（HRT）可減至2h，生物反應池的容積可以大大減小，根據國外研究資料顯示，相同規模的汙水量，膜生物反應器在好氧池體積為傳統處理工藝好氧池體積的三分之一。同時膜生物反應器省去了二沉池、濾池及汙泥回流係統等輔助設備，甚至汙泥處理設備及費用。由於目前我國對汙水處理的消毒指標主要針對的是大腸菌群，其直徑約在0.6μm，而目前MBR用膜的空徑一般都在0.4μm～0.1μm 的範圍內，因此幾乎所有的MBR 工藝都對病菌有較好的去除作用，出水中腸道病毒、總大腸杆菌、糞鏈球菌、糞大腸杆菌等都低於檢測限，這表明如果MBR 出水直接排放或無餘氯要求回用的話甚至可以省去消毒設施，因此膜生物反應器結構簡單緊湊。

（5）易實現自動化控製，維護簡單，節省人力

在傳統活性汙泥法中，由於運行中經常出現波動和不穩定，為了確保良好的出水水質，必須對運行管理投入大量的人力、財力和物力。而膜生物反應器采用膜分離技術，做到了穩定的出水水質，同時省去了泥水分離設施，因此用微機可以很容易的實現膜生物反應器係統從進水到出水的全程自動化控製。  

（6）係統啟動速度快，水質可以很快達到處理要求

由於可以很好的保持水中的汙泥濃度，在反應池啟動期，不同於傳統曝氣池需要通過沉澱排除上清液來提高汙泥濃度。由於膜分離作用對汙泥顆粒的完全截留，能夠在曝氣（aeration）及營養物質的共同作用下迅速的提高係統內的汙泥濃度，使整個膜生物反應器係統快速啟動，水質可以很快達到處理要求。  

2、 MBR 工藝的應用情況  

目前，MBR 工藝技術處理生活汙水和工業廢水已突顯成效。市場分析報告指出，1995 年，MBR 的全球市值僅為1000 萬美元，而在2000～2005 年的五年間翻了一番多，達到2.17 億美元。但其與應用已久的傳統工藝（活性汙泥法及其衍生技術）相比，具有風險大、投資費用高等缺點。然而，隨著近年來廢水排放標準的日趨嚴格、地區性水資源短缺、各種鼓勵政策，特別是汙水回用技術的改進、投資費用的降低以及對MBR 技術信心的增強及接受度的提高，都會增強該項工藝的競爭力。  

3、 膜生物反應器好氧工藝在有機廢水處理中的應用

MBR以出水可以直接回用、節省占地麵積、處理效果好等優點，使其在國外已經有了許多成功的應用實例。經過近40年的發展，MBR在日本得到了極大的發展，率先將這一技術用於中水道係統並取得成功，目前在日本運行（包括在建）的MBR占全球的66%，其餘的MBR工程主要在北美和歐洲。 在生活汙水方麵，主要涉及城市汙水、樓宇汙水、公廁汙水、汙水廠升級改造以及其他有回用要求的汙水處理場合。MBR對生活汙水的處理特性一直是研究的重點，其工藝形式多采用好氧MBR。在歐、美、日等國，其研究的目的在於一方麵改造汙水處理廠，使其達到深度處理的要求；另一方麵，用於廢水的處理，使其達到回用的目的。目前在北美，MBR處理生活汙水的應用主要是流量在10～200m3/d的小型處理裝臵，已有50餘座此類設施正在運行。  MBR作為一種強化的生物處理工藝，在工業廢水的處理中也受到重視。工業汙水方麵，主要包括製藥廢水、化工廢水、食品汙水等高濃度、難降解有機廢水的處理。目前好氧MBR工藝已經成功應用於下列行業的工業汙水處理：包括醫藥、紡織、化妝品、食品、造紙與紙漿、飲料、煉油工業與化工廠，在歐洲垃圾填埋場滲濾液的好氧MBR處理廠正在興建。

  MBR在不同種類廢水中的應用比例

近兩年來MBR在國內已進入了實用化階段。從目前的趨勢看，中水回用將是MBR在我國推廣應用的主要方向。

我國的膜生物反應器技術的發展幾乎與國外接近，除了早期與國外有差距外。但是最近幾年在技術應用方麵與國外幾乎同步，並且在部分領域裏在世界上處於領先水平，與此同時，我國對於膜生物反應器汙水處理技術的需求遠比國外迫切且市場潛力巨大。  

上世紀九十年代初至二OOO年，MBR應用研究處實驗室、小試、中試階段；  

二OOO年至二OO五年，工業汙水處理及生活汙水處理、市政汙水，且部分處理後的汙水項目需水回用的小規模工業應用階段，處理量在百噸/天至千噸//天的規模。  

二OO五年至二OO六年，工業汙水處理及市政汙水處理每天萬噸級規模工程實施。

二OO六年後，工業汙水處理及市政汙水處理每天數萬噸規模工程實施。  

而對於常規工藝難以處理的工業廢水及垃圾滲濾液，MBR 技術有著更大的優勢。  

由於MBR 技術降解汙染物的機理還是基於微生物的分解與代謝作用，因此還是用於汙水處理過程中的生物反應段。而對於那些生物難以降解的、有毒有害的物質，或者鹽分，還是采用其他物理方法或化學方法去除有比較好的效果。由於工業廢水的成分異常複雜，濃度差別大。

4、 MBR 膜的運行和分類  

MBR 膜在運行的過程中不可避免的一個問題便是膜汙染，即活性汙泥在膜表麵的過度淤積，引起膜阻塞導致膜的產水量下降。這個問題也是目前各國MBR 工作者所致力於解決的、阻礙MBR 發展的障礙。隨著研究的深入，材料技術的不斷更新以及越來越多的工程數據，目前已經可以通過不同的膜結構、曝氣量的控製、膜片間距以及定期清洗等方法進行控製。  

從膜結構主要是指MBR 反應器內的膜組件的。設計一種膜，要有比較大的比表麵積，同時能在高汙泥濃度的環境下避免膜表麵產生過渡的淤積，又要能夠長時間在曝氣衝刷的環境下穩定工作。膜組件是MBR 的核心部分，目前工程化應用中的膜構型主要是中空纖維組件（Hollow fiber modules）和平板組件（Panel assembly）。平板膜與中空纖維膜具有不同的特點，適用範圍也有區別。  

平板膜具有水力學條件易於控製、產水量大、抗汙染能力強和清洗更換方便等特點，能夠在更高汙泥濃度條件下保持高通量穩定運行。  

中空纖維具有裝填密度大、價格便宜等優點。  

截止2006 年，據不完全統計在世界範圍內運行的MBR 達2259 套。然而，在中國平板膜生物反應器的工程化應用程度還很低，明顯滯後於中空纖維膜生物反應器。

平板MBR 與中空纖維MBR 比較  

1、中空纖維膜比平板膜具有以下優勢：  

（1）在超濾和微濾膜的行業內，全球範圍內，主要的膜製造企業都是以生產中空纖維膜為主，比如西門子，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應商。

（2）中空纖維膜同平板膜相比，中空纖維膜有更大的過濾麵積，因此集成度更高，同樣處理相同數量的汙水，中空纖維膜膜組件的占地麵積更小。  

（3）在膜的使用過程中，膜的汙染是無法避免的，因此好的清洗方式是維持工程穩定長期運行的保證，中空纖維膜可以通過反向清洗進行維護，反向清洗所用的水一般都是係統本身的產水，因此費用很低。而平板膜不能進行反向清洗，因為平板膜有太大的平麵麵積，如果反洗，易造成膜的破裂。因此平板膜的清洗比較複雜。  

（4）由於中空纖維膜膜絲有很好的柔韌性，困此在汙水處理中，進行膜的吹掃曝氣時，所消耗的空氣量更少，一般設定在10～15：1，而平板膜由於膜表麵更大且沒有柔韌性，因此在進行吹掃曝氣時，氣量消耗的更大，一般設定在15～25：1  

（5）中空纖維的每個膜元件都是由數千根的膜絲構成，因此單個膜絲即便發生破損也不會影響膜元件的使，而平板膜的每個膜元件是一張膜構成，因此，無論這張膜的任何地方發生破損，這個膜 元件就要更換才能使用。  

（6）中空纖維膜的膜元件單價同平板膜相比，有更大的比較優勢，即便是世界上最貴的中空纖維（以GE為例）同日本久保田的平板膜相比，在價格上也有一些優勢，國產中空纖維膜同進口平板膜相比，優勢更大。  

（7）由於平板膜的單個元件過濾麵積較小，鼓風曝氣所需要的氣量更大，困此在實際工程應用中，所需要的配套設施和土地麵積遠遠高於中空纖維膜。  

（8）由於中空纖維膜和平板之間以上的一些差異，因此在全球範圍內，較大規模（1000m3/d以上）的水處理工程很少有使用平板膜的，而中空纖維膜萬噸級甚至幾十萬噸及以上的工程都在快速的推廣和應用。

2、平板MBR 與中空纖維MBR 相比又具有以下明顯優勢：

   （1）更好的抗汙染性能  相比中空纖維膜生物反應器，平板膜生物反應器可以在更高的活性汙泥濃度下保持高通量（通量即膜的產水量）的穩定運行。在實際使用的過程中，盡管預處理設施中會有格柵，除毛機等設備，但曝氣池中還難免進入一些諸如毛發之類的物體。而我們知道在曝氣的狀態下膜絲始終處於一個抖動的狀態，於是這些毛發很容易使膜絲纏繞在一起，當汙泥濃度達到一定程度，就會出現泥坨，使越來越多的膜絲纏繞在一起，大大減少了中空纖維絲的有效膜麵積，引起膜通量的急劇下降，而且此類問題也很難修複，通常隻能更換。平板膜生物反應器的適用活性汙泥濃度（MLSS）範圍在 10000-15000mg/L，遠遠高於中空纖維膜生反應器，平板膜的結構，可以實現膜片之間間隙可控，便於氣液混流對膜麵進行在線清洗，抗汙染性能優越。此外，平板膜生物反應器可以通過調節組件底部的曝氣強度，通過汽水混合物在膜片表麵的衝刷作用，很好的清除膜表麵的附著物，即便是由於某種不可知因素在膜表麵產生了淤積的情況，也可以將膜片取出，通過低壓水槍衝洗的方法去除，使得膜能長期有效的運行，而中空纖維則不可能通過這種方法清洗。

（2）良好的機械穩定性、無斷絲現象  

在實際使用過程中，中空纖維膜組件不可避免的會發生斷絲現象，其中包括兩種原因，一是由於紡絲過程中的缺陷導致的壁厚不均勻，當然這種情況比較少發生，且可以通過購買優質產品等手段進一步避免；二是紡絲材料疲勞引起的根部斷裂。我們知道中空纖維絲在兩端連接組件的地方需要用環氧樹脂進行密封，由於纖維絲本身的毛細現象，肯定會在根部吸上一小段。由於曝氣的原因，中空纖維在工作狀態下始終會處於幅度較大的振動現象，長此以往會在其根部引起材料的疲勞，而環氧樹脂本身是一種脆性材料，這種材料疲勞所導致的斷絲一旦發生，往往是規模性的，而這對於膜生物反應器來說，傷害是致命的，不但會嚴重影響出水水質，還會導致整個組件的報廢。與此不同的是平板膜的內部有無紡布作為支撐層，因此強度比中空纖維高出許多，根本不會出現類似的現象，能完全保證優質的出水水質。

（3）膜片更換過程簡單  

由於平板膜組件獨特的設計，使得在膜片損壞更換過程中，膜片可單張更換，無需更換支架。而中間纖維膜絲斷絲達到一定數量，整個組件就報廢，需更換整個膜組件，費用就將大大增加。

3、MBR 平板膜的生產商  

目前平板膜的生產廠商主要有日本久保田公司，日本東麗公司及上海斯納普膜分離科技有限公司（SINAP），其中久保田和東麗公司的平板膜商業化項目相對起步較早。

三、膜生物反應器的發展趨勢

從MBR日益廣泛的應用狀況來看，目前MBR的發展趨勢表現在：  

（1）進行新型膜組件集裝式、密集式模塊化的優化設計；

（2）研究新的製膜方法，研製性能優越的膜材料；  

（3）研製新型的MBR，對MBR能長期穩定運行研究適宜的運行工藝條件。     

隨著膜技術的產業化以及膜在各行各業應用的擴大，今後MBR應用可能獲得迅速發展的重點領域和方向如下：

（1）應用於高濃度、有毒、難降解工業汙水的處理。如高濃度有機廢水是一種較普遍的汙染源，全國造紙、製糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行業每年高濃度有機物水的排放量很大，這類汙水采用常規活性汙泥法處理盡管有一定作用，但是出水水質難以達到排放標準的要求。而MBR在技術上的優勢，決定了它可以對常規方法難以處理的汙水進行有效的處理，並且出水可以回用。

（2）現有的城市汙水處理廠的更新升級。特別是出水難以達標或處理流量劇增而占地麵積  無法擴大的情況。  

（3）應用於有汙水回用需求的地區和場所等，充分發揮膜生物反應器占地麵積小、設備緊湊、自動控製、靈活方便的特點。

（4）垃圾填埋滲濾液的處理及回用。  

（5）在小規模的汙水處理廠的應用，這由膜的價格所決定。

（6）應用於無排水管網係統的地區，如小居民點、度假區、旅遊風景區等。

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