在污水處理，水資源再利用領(lǐng)域，MBR又稱膜生物反應器(Membrane Bio-Reactor)，是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。按照膜的結(jié)構(gòu)可分為平板膜、管狀膜和中空纖維膜等 ，按膜孔徑可劃分為超濾膜、微濾膜、納濾膜、反滲透膜等。

工藝組成:

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

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

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

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

曝氣膜

曝氣膜--生物反應器(AMBR)最早見于Cote.P 等1988年報道，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( Bubble Point)情況下，可實現(xiàn)向生物反應器的無泡曝氣。該工藝的特點是提高了接觸時間和傳氧效率，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間的因素的影響。

萃取膜

萃取膜--生物反應器，又稱為EMBR(Extractive Membrane Bioreactor)。因為高酸堿度或?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;當廢水中含揮發(fā)性有毒物質(zhì)時，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)的生物反應器單元和廢水循環(huán)單元是各自獨立，各單元水流相互影響不大，生物反應器中營養(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行狀況，改善污泥沉降性必須嚴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速率。水力停留時間(HRT)與污泥齡(SRT)相互依賴，提高容積負荷與降低污泥負荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運行過程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費用占污水處理廠運行費用的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)，提高了生化反應速率;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。

工藝類型:

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

分置式

把膜組件和生物反應器分開設(shè)置。生物反應器中的混合液經(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器內(nèi)。

分置式膜--生物反應器的特點是運行穩(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、動力費用高，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。

一體式

把膜組件置于生物反應器內(nèi)部。進水進入膜--生物反應器，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，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。

復合式

形式上也屬于一體式膜--生物反應器，所不同的是在生物反應器內(nèi)加裝填料，從而形成復合式膜--生物反應器，改變了反應器的某些性狀。

工藝特點:

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：

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)標準(CJ25.1-89)，可以直接作為非飲用市政雜用水進行回用。

同時，膜分離也使微生物被完全被截流在生物反應器內(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)，同時反應器對進水負荷(水質(zhì)及水量)的各種變化具有很好的適應性，耐沖擊負荷，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荷、低污泥負荷下運行，剩余污泥產(chǎn)量低(理論上可以實現(xiàn)零污泥排放)，降低了污泥處理費用。

占地面積小，不受設(shè)置場合限制

生物反應器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負荷高，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物

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

操作管理方便，易于實現(xiàn)自動控制

該工藝實現(xiàn)了水力停留時間(HRT)與污泥停留時間(SRT)的完全分離，運行控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中容易實現(xiàn)裝備化的新技術(shù)，可實現(xiàn)微機自動控制，從而使操作管理更為方便。

易于從傳統(tǒng)工藝進行改造

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(從而實現(xiàn)城市污水的大量回用)等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。

膜--生物反應器也存在一些不足。主要表現(xiàn)以下幾個方面：

(1)膜造價高，使膜--生物反應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。

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。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：

膜材質(zhì)

1、高分子有機膜材料：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。

有機膜成本相對較低，造價便宜，膜的制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式也較為多樣，應用廣泛，但運行過程易污染、強度低、使用壽命短。

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

在MBR中使用的無機膜多為陶瓷膜。優(yōu)點是：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;缺點是：造價昂貴、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)實現(xiàn)最大的膜面積，通常將膜以某種形式組裝在一個基本單元設(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;毛細管式0.5~10.0mm;中空纖維式<0.5mm。

附表：各種膜組件特性

(1)板框式

MBR工藝最早應用的一種膜組件形式，外形類似于普通的板框式壓濾機。

優(yōu)點：制造組裝簡單，操作方便，易于維護、清洗、更換。

缺點：密封較復雜，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行方式。實際中多采用內(nèi)壓型，即進水從管內(nèi)流入，滲透液從管外流出。膜直徑在 6~24mm 之間。

優(yōu)點：料液可以控制湍流流動，不易堵塞，易清洗，壓力損失小。

缺點：裝填密度小。

(3)中空纖維式

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器中，不需耐壓容器，構(gòu)成浸沒式膜--生物反應器。一般為外壓式膜組件。

優(yōu)點：耐壓強度高，不易變形，不需支撐材料;裝填密度高;造價相對較低;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：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)計的一般要求：

(1)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;

(3)盡可能高的裝填密度，安裝，清洗、更換方便;

(4)具有足夠的機械強度、化學和熱穩(wěn)定性。

膜組件的選用要綜合考慮其成本，裝填密度、應用場合、系統(tǒng)流程、膜污染及清洗、使用壽命等。

應用領(lǐng)域

進入90年代中后期，膜--生物反應器在國外已進入了實際應用階段。加拿大Zenon公司首先推出了超濾管式膜--生物反應器，并將其應用于城市污水處理。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--生物反應器已應用于美國、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--生物反應器實際應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。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。

膜--生物反應器已應用于以下領(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Wessex公司在英國Porlock建立了當時世界上最大的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。

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 年該公司在法國的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 。

糞便污水處理

糞便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。

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。

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。

國內(nèi)外 MBR 主要應用領(lǐng)域及相應百分比率：

應用的重點領(lǐng)域和方向

(1)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)、風景區(qū)等。

(3)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。

(4)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)處理工藝無法達標的廢水進行有效的處理，并實現(xiàn)回用。

(5)垃圾填埋廠滲濾液的處理及回用。

(6)小規(guī)模污水廠(站)的應用。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

(1)膜污染的機理及防治。

(2)工藝流程形式及運行條件的優(yōu)化。

(3)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。

(4)反應器內(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。

(5)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，開發(fā)新型的膜生物反應器。

技術(shù)前沿

MBFB膜生物流化床工藝

用于污水深度處理，能在原有污水達標排放的基礎(chǔ)上，經(jīng)過生物流化床和陶瓷膜分離系統(tǒng)，進一步降低COD、氨氮、濁度等指標，一方面可直接回用，另一方面也可作為RO脫鹽處理的預處理工藝，替代原有砂濾、保安過濾、超濾等冗長過濾流程，同時有機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，無機陶瓷膜分離系統(tǒng)，是世界第一套污水處理專用的無機膜分離系統(tǒng)，和其它的有機膜、無機膜相比，具有膜通量大、可反沖、全自動操作等優(yōu)勢。

膜組件的設(shè)計注意事項

1、 把膜片拼裝在一起形成一個膜組件，特別注意的是，膜片與膜片之間間距要足夠大，有效距離要大于100mm(軸心距大于140mm)，如果膜片本身膜絲密度大，那么有效間距要適當放寬，這樣做的目的是保持沖洗氣流順暢到達頂部膜絲，也可以減少膜絲之間的板結(jié)和截留物，減少膜組件的清洗頻率;

2、 膜片橫向和豎向裝都可以，具體取決于安裝的空間;橫向裝時，膜絲保持微下垂，下垂幅度保持在10mm，也可以這樣說，在保證膜絲不受拉力的前提下，盡量直，這樣膜絲和膜絲之間就不會留有太多的雜物;

3、 不能把膜組件做的很大，因為太大的膜組件，其安裝密度就會大，同樣的攪拌空氣量對它來講卻顯不足，而且在膜片上積累很多包裹物的時候，就需要對膜片進行噴洗，用高壓水槍或自來水，安裝太密會讓你很難沖到內(nèi)層膜片，建議單個膜組件處理量不要超過1.5m3/h。