膜生物反應(yīng)器是由膜分離與生物處理組合而成的一種新型、高效的污水處理技術(shù)。幾乎能將所有的微生物截留在生物反應(yīng)器內(nèi)，使反應(yīng)器內(nèi)的生物濃度提高，理論上污泥泥齡可無限長，出水有機物含量降到最低，有效地去除氨氮。膜分離技術(shù)最早應(yīng)用于微生物發(fā)酵工業(yè)，隨著膜材料和制膜技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，已經(jīng)應(yīng)用到食品、化工、污水處理等多個領(lǐng)域。正在廣泛應(yīng)用于城市用水的凈化及生活污水的處理。

1969年，美國的Smith首次報道了Dorr-Oliver公司把生活污泥法和超濾工藝結(jié)合處理城市污水的方法。引人注目的是用膜分離技術(shù)取代常規(guī)的生活污泥二沉池，用膜分離技術(shù)作為處理單元富集生物的手段，不用回流循環(huán)來增加曝氣池中的微生物濃度，生活污水處理中取得了較好的效果。Hardt等人在1970年采用10L好氧生物反應(yīng)器處理合成廢水，用死端超膜實現(xiàn)泥水分離，COD去除率大98%。Dorr-Oliver公司還開發(fā)了膜處理工藝MST。在該系統(tǒng)中，污水進入懸浮生長的反應(yīng)器，并通過超濾膜組件的抽吸作用連續(xù)，自檢為板框式。但當(dāng)時膜技術(shù)發(fā)展較落后，膜材料少，價格昂貴，限制了膜技術(shù)的發(fā)展和使用。

1970年該公司和日本的Sanki engineering有限公司達成協(xié)議，使得該工藝進入日本市場，20世紀(jì)80年代以后，膜制造技術(shù)的發(fā)展、膜分離的完善、膜清洗方法的改進和污水廠出水水質(zhì)要求的提高，膜技術(shù)開始在污水中應(yīng)用。19899日本政府聯(lián)合許多大公司開展了為期6年的“90年代水復(fù)興計劃”項目，尋求滿足中長期水量需求、解決水污染問題并從污染物中得到能量。特別是開發(fā)膜技術(shù)與生物反應(yīng)器相結(jié)合來處理工業(yè)和城市污水，省地省能，出水水質(zhì)好，適用于中水回用。此后各國進行了不同程度的研究，如英國研制了2套污水處理系統(tǒng)，其概念在南非進一步發(fā)展形成了厭氧消化超濾工藝(ADUF)，我國的清華大學(xué)、天津大學(xué)、同濟大學(xué)等也進行了研究。研究的方向包括探索不同生物處理工藝與膜分離單元的組合形式;擴大MBR的應(yīng)用范圍;影響處理效果與膜污染的因素、機理及數(shù)學(xué)模型的研究，以尋求合適的操作條件與工藝參數(shù)，提高組件的能力，盡可能防止膜污染。

水資源短缺，制約著社會經(jīng)濟的發(fā)展。我國水污染問題日益嚴(yán)重，全國131條流經(jīng)城市的河流中有近一半受到中度以上的污染，已檢測出數(shù)以百計的有機化合物。開展污水處理與回用技術(shù)研究勢在必行，但現(xiàn)有的污水回用技術(shù)處理構(gòu)筑物多，工藝流程復(fù)雜，研究高效、經(jīng)濟、自動化程度高的污水處理技術(shù)就成為污水回用的關(guān)鍵問題。近年來隨著膜材料與膜技術(shù)的發(fā)展，膜生物反應(yīng)器(MBR)污水處理與回用技術(shù)能較好地克服其他污水回用技術(shù)的不足。MBR工藝作為一種新興的高效廢水生物處理技術(shù) 同傳統(tǒng)生物處理技術(shù)相比，去除效率高，出水中沒有懸浮物;出水水質(zhì)穩(wěn)定;占地面積小 對某些難降解有機物的生物降解十分有利;剩余污泥量少，處置費用低;消化能力強;結(jié)構(gòu)緊湊，易于自動控制和運行管理。特別是它在廢水資源化及回用方面更具潛力。研究表明，MBR工藝的出水水質(zhì)優(yōu)于膜曝氣生物反應(yīng)器(MABR)和曝氣生物濾池(BAF)。

膜生物反應(yīng)器是一種正在發(fā)展的水處理再生技術(shù)， 該技術(shù)的研究自20世紀(jì)60年代末開始，在80年代中后期發(fā)展較快，出現(xiàn)了多種類型的膜生物反應(yīng)器。在國外，用于水處理的膜生物反應(yīng)器有的已經(jīng)進入實用階段，如日本用其進行生活污水處理;法國有人將其用于給水脫氨處理;美國用其進行含油廢水處理。目前，膜生物反應(yīng)器在生活污水再生回用方面的研究較多，但其所用的膜材料主要是以聚砜類為主。

膜生物反應(yīng)器是由污水生物處理技術(shù)與膜分離技術(shù)結(jié)合而成的新型污水處理工藝。它采用膜分離取代傳統(tǒng)的重力沉降過程，實現(xiàn)了高效的固液分離效果，不論固體顆粒的沉降性能如何，均可完成固液分離過程，并且可以避免因生物體流失而造成的系統(tǒng)失效。由于膜將絕大部分生物截留在反應(yīng)器內(nèi)，因此反應(yīng)器內(nèi)可維持較高的污泥質(zhì)量濃度，有利于世代時間較長的微生物如硝化細(xì)菌的截留和生長。膜生物反應(yīng)器作為一種新型高效污水處理技術(shù)在國際上受到了廣泛關(guān)注。特別是一體式膜生物反應(yīng)器，具有出水水質(zhì)好，容積負(fù)荷高，占地面積小，剩余污泥產(chǎn)量低，操作管理方便等優(yōu)點。從目前研究發(fā)展的趨勢看，中水回用將是 MBR在我國推廣應(yīng)用的主要方向，由于具有出水水質(zhì)優(yōu)異，操作運行簡單，污泥產(chǎn)率低，占地面積小等特點，膜生物反應(yīng)器在污水處理的應(yīng)用范圍和規(guī)模不斷擴大和增加。然而，膜污染和目前高昂的投資費用是影響膜生物反應(yīng)器進一步推廣應(yīng)用的主要因素。隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，膜材料和膜組件的費用會逐步降低，但今后膜污染卻依舊是膜生物反應(yīng)器推廣應(yīng)用的主要障礙。

MBR工藝

一、MBR工藝特點

MBR技術(shù)在日本、加拿大等許多國家以得到較好的運用。與傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝相比存在如下優(yōu)點。

①出水水質(zhì)好，BOD、氮、磷和懸浮物濃度很低，不含細(xì)菌、病毒、寄生蟲卵等，水質(zhì)符合三級標(biāo)準(zhǔn)，可直接回收或補充地下水。

②工藝流程短，占地省，省去了二沉池，占地約為生物處理的1/2。

③利于世代時間長的細(xì)菌如硝化菌的繁殖，提高了硝化速率。

④污泥濃度高，傳氧效率高達26%~60%，節(jié)省了能耗。

⑤可使水力停留時間和污泥泥齡分開，運行控制靈活。

⑥反應(yīng)器內(nèi)的MLSS約為(1.5~3)x10mg/L，容積負(fù)荷大，利于傳統(tǒng)活性污泥法的改造。

⑦在MBR中同時進行硝化與反硝化，效果較好，脫氮能力強。但在高效除磷時，需要往水中加少量的明礬，粒徑小于02pm的細(xì)小微絮凝狀的磷可有效地分離。

⑧剩余污泥量比常規(guī)活性污泥法少50%~80%，利于處理。 MBR的優(yōu)點加大了MBR工藝的推廣和使用。

1989年，YMagara等研究發(fā)現(xiàn)，膜生物反應(yīng)器水通量與污泥濃度的對數(shù)關(guān)系呈線性關(guān)系。

JV=—1.5711g(MLSS)+7.84

二、MBR分類

模生物反應(yīng)器是由生物反應(yīng)器與微濾、超濾、納濾或反滲透膜系統(tǒng)組成，可分為微濾膜生物反應(yīng)器、超濾膜生物反應(yīng)器等。膜生物反應(yīng)器按膜的組件在反應(yīng)器的作用不同可分為分離膜生物反應(yīng)器(membrane separation bioreactor,MSB，截留和分離固體)、無泡膜生物反應(yīng)器(membrane aeration bioreactor,MAB，無泡曝氣，用于高需氧量的廢水處理)、萃取膜生物反應(yīng)器(extractive membrane bioreactor，EMB，用于工業(yè)廢水中優(yōu)先污染物的處理)。分離膜生物反應(yīng)器是傳統(tǒng)的一體式與分置式膜生物反應(yīng)器，膜起著泥水分離的作用。無泡膜生物反應(yīng)器指的是生物反應(yīng)器中曝氣用透氣性膜，目前有兩種，透氣性致密膜和疏水性微孔膜。氧氣透過膜與液相傳質(zhì)的機理不同，氧氣透過致密膜時，在氣相側(cè)先吸附在高分子聚合物上，再向液相側(cè)擴散，此時氣壓很高;氧氣透過微孔膜時，在氣壓較低的情況下氧氣在膜表面形成氣泡，由于表面張力的作用而吸附在膜表面，通過膜孔向液相擴散。氧氣在傳質(zhì)中遇到固體膜的阻力和液膜的阻力，與傳統(tǒng)的活性污泥法中的氧傳質(zhì)類似。試驗結(jié)果表明，氧氣通量一般由液膜控制。在膜曝氣系統(tǒng)中，氧氣停留在膜組件中，氧氣的停留時間越長，分配到液相中的比例越大，傳質(zhì)效率越高。氧氣的傳質(zhì)面積一定時，在傳統(tǒng)曝氣系統(tǒng)中影響氣泡大小和停留時間的因素對其不產(chǎn)生影響，系統(tǒng)供氧更穩(wěn)定。選擇不同的膜表面積和氣壓，可以滿足生物反應(yīng)器所需要的各種需氧量。無泡供氧可適用于含揮發(fā)性有毒有機物或發(fā)泡劑的工業(yè)廢水處理系統(tǒng)，膜曝氣系統(tǒng)適用于曝氣池活性污泥濃度很高、需氧量大的系統(tǒng)。如果曝氣池可在有壓工況下工作，曝氣器的膜還可以擴散CO2。由于無泡膜生物反應(yīng)器供氧時不產(chǎn)生氣泡，氧氣的傳質(zhì)率有時達100%。萃取膜生物反應(yīng)器是用膜將廢水與活性污泥隔離開，廢水在膜腔內(nèi)流動，由于膜具有選擇透過性，能萃取廢水中的揮發(fā)性有機物。這些污染物在膜中擴散溶解，以氣態(tài)形式離開膜表面后溶解在膜外的混合液中，最終作為專性細(xì)菌的底物而被分解成CO2、H2O等無機小分子物質(zhì)，由于膜的疏水性，廢水中的水及其他無機物不能通過膜向活性污泥擴散。

三類膜生物反應(yīng)器中，膜分離生物反應(yīng)器是應(yīng)用最廣泛的一種膜生物反應(yīng)器類型。膜分離生物反應(yīng)器按照膜組件的放置方式可分為分體式膜生物反應(yīng)器和一體式膜生物反應(yīng)器，按照是否需氧可分為好氧膜生物反應(yīng)器和厭氧膜生物反應(yīng)器。

物質(zhì)通過膜需要一定的驅(qū)動力，在膜工藝處理理污水的過程中，存在兩種重要的物質(zhì)傳遞機制，即對流與擴散。料液流動引起對流，也包括其中的溶解物和懸浮固體，然而流動的液體中都包含擴散傳遞，所產(chǎn)生的流態(tài)取決于流速。 高流速時為紊流，低流速時為層流。單個離子與分子的熱運動產(chǎn)生布朗擴散。膜工藝系統(tǒng)的1驅(qū)動力通常為壓力梯度，萃取膜和氣體傳質(zhì)膜通過濃度梯度來進行。應(yīng)用于水處理的物質(zhì)基本上是水，截留物被濃縮;而萃取操作中，透過物是溶質(zhì)，截留物是水，其運行是通過在膜的透過側(cè)透過組分的去除而產(chǎn)生足夠大的濃度梯度，使物質(zhì)通過擴散作用而透過膜;在氣體傳質(zhì)膜系統(tǒng)中，濃度梯度通過提高非透過側(cè)的局部壓力來獲得。

影響驅(qū)動力的因素有膜表面區(qū)域截留物質(zhì)的濃度、膜模表面區(qū)域離子濃度的遞減、膜表面固體物質(zhì)的積累、膜表面物質(zhì)的沉積、膜表面或內(nèi)部污染染物質(zhì)的積累

活性污泥系統(tǒng)中，氧的傳質(zhì)是氣泡越小越好，盡量買采用微泡曝氣，但小氣泡上升得慢而錯流要求氣泡以大而快的形式在膜的表面形成強烈的打動。

膜生物反應(yīng)器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)，20世紀(jì)80年代以來，該技術(shù)愈來愈受到重視，成為水處理技術(shù)研究的的一個熱點。目前，膜生物反應(yīng)器已應(yīng)用于美國、德國、法國、日本和埃及等十多個國家，處理理規(guī)模在6000~13000m/d。

與傳統(tǒng)活性污泥相比，膜取代了工藝中的二沉池，活性污泥中體積大于膜的截留分子量的絮體全部被截留。膜的性能決定了污泥的分離過程，微生物分離膜深惡反應(yīng)器是最常見的形式，其工藝緊湊，出水水質(zhì)好，可在低水力停留時間（HRT）和長的泥領(lǐng)下操作，膜的截留效果很好。

膜生物反應(yīng)器由活性污泥反應(yīng)池與錯流微濾分離單元構(gòu)成的，活性污泥與膜分離單元不同的組合可形成兩種不同結(jié)構(gòu)形式的膜生物反應(yīng)器。

外置膜過濾的膜生物反應(yīng)器，用于分離污泥的膜分離污泥的膜放在活性污泥反應(yīng)池外部，反應(yīng)池的污泥與水混合物在膜中分離，膜的高截留率并將濃縮液回流到生物反應(yīng)器，使其生物濃度很高并保持很長的污泥停留時間。

分離后的污泥返回到活性污泥反應(yīng)池中。該工藝的優(yōu)點是：膜組件與生物反應(yīng)器分開，便于膜組件的清洗、更換等，易于控制；不同類型的生物反應(yīng)器與膜組件相互組合，形成各種形式的分置膜生物反應(yīng)器，組裝靈活；泵的工作壓力可隨膜組件的變化而變化，使其處于高效率區(qū)，膜的透水量增大;適用于大規(guī)模的工業(yè)化系統(tǒng)，不受生物反應(yīng)器的限制。該工藝的缺點是動力消耗大，單位體積處理水的能耗是傳統(tǒng)活性污泥法的10~20倍,因此運行費用高。能耗主要是污泥回流造成的，而且在回流過程中，泵回流產(chǎn)生的剪切力可能影響微生物的生物活性。但也有研究者認(rèn)為，高膜面流速產(chǎn)生的高剪切作用使污泥絮體的平均尺寸較小，有利于傳質(zhì)過程的進行，為此，通過旋轉(zhuǎn)膜或膜表面區(qū)的葉輪來產(chǎn)生混合液的錯流，這樣不需大量的混合液回流，既節(jié)省了泵的費用，也避免了微生物的影響。膜分離器的主要問題是膜的堵塞與膜的費用，膜的堵塞包括通道堵塞及膜面堵塞，前者由于活性污泥中的纖維、雜物纏繞引起的，后者由于大分子物質(zhì)與無機金屬離子反應(yīng)生成凝膠層沉積在膜面上引起的，通過清洗可恢復(fù)。膜的費用主要是膜的清洗、水的橫向流動過濾壓力、濃縮污泥的回流。因為在高壓下運行，實際膜通量要大，較大的壓力需要較大的膜表面液體剪切速率來控制膜的污染。厭氧MBR的形式均是外置式，需要水泵進行循環(huán)以改善污染狀況

膜過濾裝置直接放在活性污泥反應(yīng)池中，膜組件淹沒在反應(yīng)池中，省去了膜過濾裝置中進水和污泥回流的流程，工藝更為簡單。曝氣器設(shè)在膜組件的下方，空氣擾動在膜表面產(chǎn)生錯流，膠體顆粒在剪切力的作用下離開膜表面，減緩了膜的堵塞。膜出水由真空泵或其他類型的泵來控制，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、動力消耗少、無水循環(huán)、不堵塞等優(yōu)點，但因膜面流速小，存在易污染、 出水不連續(xù)的問題。在實際應(yīng)用中。常將膜過濾設(shè)置在單獨活性污泥反應(yīng)池中。為保證膜生物反應(yīng)器的正常運行，應(yīng)能夠為活性污泥提供充足的氧；維持膜過濾所需的足夠的壓力差；活性污泥處于混合狀態(tài)；錯流運行以防止泥餅的形成，可以保持較長時間的穩(wěn)定的膜通量而無需化學(xué)清洗。

外置式膜過濾的錯流常由泵產(chǎn)生，并形成成膜壓力差，氧氣則在曝氣池內(nèi)單獨進行;內(nèi)置的淹沒式生化池中，錯流由上升的氣泡產(chǎn)生， 曝氣裝置安裝在淹沒式膜組件的下部以形成錯流并防止形成泥餅，曝氣器的流量控制剛好能能產(chǎn)生錯流。在池內(nèi)既要有錯流又要使活性污泥處于混合狀態(tài)，必須有足夠的能量來維持。供應(yīng)的氧量與所消耗的氧量相平衡才會使錯流存在并保證生物供氧。滲出液泵在膜過濾側(cè)形成真空以產(chǎn)生壓力差。因為通過膜的壓力差由泵的抽吸作用而產(chǎn)生，因此，壓力差受水的蒸汽壓限制。上述兩種方式中都可利用剩余壓力增加系統(tǒng)的過膜壓力差或強化氧的轉(zhuǎn)移。

四、運行的影響因素

影響因素除常規(guī)生物動力學(xué)參數(shù)外還包括膜分離的相關(guān)參數(shù)、膜的固有性質(zhì)、濾液性質(zhì)、操作方式、反應(yīng)器的水力條件等。生物動力學(xué)參數(shù)影響處理效果，分離參數(shù)影響處理能力。

1.影響穩(wěn)定運行的生物動力學(xué)參數(shù)

(1)有機負(fù)荷研究表明，好氧出水受有機負(fù)荷和水力停留時間的影響小，厭氧出水受有機負(fù)荷和水力停留時間的影響較大。李紅兵對MBR處理生活污水的研究表明:沖擊負(fù)荷對有機物的去除沒有顯著影響，但氨氮的影響較大，出水的惡化程度與沖擊負(fù)荷的大小成正比。可能是膜的攔截作用對氨氮的去除沒有貢獻。

(2)污泥濃度膜生物反應(yīng)器的一個重要特征是利用膜分離的高度濃縮性可大大提高生物反應(yīng)器的污泥濃度，從而提高了有機物的去除率。污泥濃度不僅影響有機物的去除能力，還影響膜通量。研究表明，一定條件下污泥濃度越高，膜通量越低。污泥濃度的提高會增大混合液黏滯度而降低了膜通量。污泥濃度對膜通量的影響程度與曝氣強度、膜面循環(huán)流速、水力條件等有關(guān)。

(3)膜操作參數(shù)在保證水質(zhì)的前提下，膜通量盡可能大，以減少膜的使用面積，降低基建費用與運行費用。膜通量或操作壓力有兩種運行方式: 一種是恒定膜通量變操作壓力，另一種是恒定操作壓力變膜通量。以恒定膜通量變操作壓力運行時，膜通量的選擇對于膜的長期運行很重要。某一特定的膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)，存在臨界膜通量。實際膜通量值大于臨界膜通量時，膜污染加劇，膜清洗周期縮短。如果實際的膜通量低于臨界膜通量值，提高曝氣量可顯著地去除污泥層，否則，曝氣量的提高基本不影響污泥層的去除。同樣，以恒定操作壓力變膜通量運行過程中存在臨界壓力，操作壓力低于臨界壓力時，膜通量隨壓力的增加而增加，高于臨界壓力值則導(dǎo)致膜迅速污染，膜通量隨壓力的的變化不大。臨界操作壓力隨膜孔徑的增加而減少。

(4)膜面錯流速度提高表面紊流程度有效減少顆粒物質(zhì)在膜面的沉積，增大膜表面水流擾動程度。膜面錯流速度也存在臨界流速，膜面錯流速度大于臨界值時，進一步增加速度將不會明顯改善膜的過濾性能，而且還有可能打碎活性污泥，減少粒徑，溶解性物質(zhì)濃度增加，加劇膜污染。

(5)溫度提高溫度可以降低混合液的度，改變膜面上污泥層的厚度和孔徑，從而改變了膜的通透性能。Magara和Itoh的試驗結(jié)果表明溫度升高1℃引起膜通量變化2%，主要是由于溫度變化引起料液黏度的變化使得膜通量增加。

(6)操作方式針對一體膜提出的間歇抽吸操作方式。階段啟動利于減緩膜的不可逆污染。

2.分離膜的性能參數(shù)

(1)分離因素分離因素是各種物質(zhì)透過過膜的速率的比值。該值的大小表示了體系分離

的難易程度，對被分離體系所能達到的濃度 分離過程的能耗有決定性的影響，對分離設(shè)備有相當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>

(2)通量通量是物質(zhì)透過膜的速率，單單位面積膜上單位時間物質(zhì)通過的數(shù)量，直接決定了分離設(shè)備的大小。通過膜時能耗較低，而而且一切物質(zhì)都不發(fā)生相的轉(zhuǎn)化，膜分離過程在室溫或常溫下就可進行。