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(zhǎng)，出水有機(jī)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(kuò)大，已經(jīng)應(yīng)用到食品、化工、污水處理等多個(gè)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(guó)的Smith首次報(bào)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(shí)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(jìn)入懸浮生長(zhǎng)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(shí)膜技術(shù)發(fā)展較落后，膜材料少，價(jià)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(dá)成協(xié)議，使得該工藝進(jìn)入日本市場(chǎng)，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(jìn)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(jì)劃”項(xiàng)目，尋求滿足中長(zhǎng)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(guó)進(jìn)行了不同程度的研究，如英國(guó)研制了2套污水處理系統(tǒng)，其概念在南非進(jìn)一步發(fā)展形成了厭氧消化超濾工藝(ADUF)，我國(guó)的清華大學(xué)、天津大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等也進(jìn)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(kuò)大MBR的應(yīng)用范圍;影響處理效果與膜污染的因素、機(jī)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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。我國(guó)水污染問題日益嚴(yán)重，全國(guó)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(cè)出數(shù)以百計(jì)的有機(jī)化合物。開展污水處理與回用技術(shù)研究勢(shì)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(jì)、自動(dòng)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(duì)某些難降解有機(jī)物的生物降解十分有利;剩余污泥量少，處置費(fèi)用低;消化能力強(qiáng);結(jié)構(gòu)緊湊，易于自動(dòng)控制和運(yùn)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(guó)外，用于水處理的膜生物反應(yīng)器有的已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，如日本用其進(jìn)行生活污水處理;法國(guó)有人將其用于給水脫氨處理;美國(guó)用其進(jìn)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(shí)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(shí)間較長(zhǎng)的微生物如硝化細(xì)菌的截留和生長(zhǎng)。膜生物反應(yīng)器作為一種新型高效污水處理技術(shù)在國(guó)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(diǎn)。從目前研究發(fā)展的趨勢(shì)看，中水回用將是 MBR在我國(guó)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(yùn)行簡(jiǎn)單，污泥產(chǎn)率低，占地面積小等特點(diǎn)，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(kuò)大和增加。然而，膜污染和目前高昂的投資費(fèi)用是影響膜生物反應(yīng)器進(jìn)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(fèi)用會(huì)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(diǎn)

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

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(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可直接回收或補(bǔ)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(shí)間長(zhǎng)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(dá)26%~60%，節(jié)省了能耗。

⑤可使水力停留時(shí)間和污泥泥齡分開，運(yùn)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(shí)進(jìn)行硝化與反硝化，效果較好，脫氮能力強(qiáng)。但在高效除磷時(shí)，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(diǎn)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(duì)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(jī)理不同，氧氣透過致密膜時(shí)，在氣相側(cè)先吸附在高分子聚合物上，再向液相側(cè)擴(kuò)散，此時(shí)氣壓很高;氧氣透過微孔膜時(shí)，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(kuò)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(yàn)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(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)，在傳統(tǒng)曝氣系統(tǒng)中影響氣泡大小和停留時(shí)間的因素對(duì)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(jī)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(kuò)散CO2。由于無泡膜生物反應(yīng)器供氧時(shí)不產(chǎn)生氣泡，氧氣的傳質(zhì)率有時(shí)達(dá)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(dòng)，由于膜具有選擇透過性，能萃取廢水中的揮發(fā)性有機(jī)物。這些污染物在膜中擴(kuò)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(jī)小分子物質(zhì)，由于膜的疏水性，廢水中的水及其他無機(jī)物不能通過膜向活性污泥擴(kuò)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(dòng)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(jī)制，即對(duì)流與擴(kuò)散。料液流動(dòng)引起對(duì)流，也包括其中的溶解物和懸浮固體，然而流動(dòng)的液體中都包含擴(kuò)散傳遞，所產(chǎn)生的流態(tài)取決于流速。 高流速時(shí)為紊流，低流速時(shí)為層流。單個(gè)離子與分子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生布朗擴(kuò)散。膜工藝系統(tǒng)的1驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(yùn)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(kuò)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(dòng)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(cuò)流要求氣泡以大而快的形式在膜的表面形成強(qiáng)烈的打動(dòng)。

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(gè)熱點(diǎn)。目前，膜生物反應(yīng)器已應(yīng)用于美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本和埃及等十多個(gè)國(guó)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(shí)間（HRT）和長(zhǎng)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(cuò)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(zhǎng)的污泥停留時(shí)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(diǎn)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(diǎn)是動(dòng)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(yùn)行費(fèi)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(jìn)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(cuò)流，這樣不需大量的混合液回流，既節(jié)省了泵的費(fèi)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(fèi)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(jī)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(fèi)用主要是膜的清洗、水的橫向流動(dòng)過濾壓力、濃縮污泥的回流。因?yàn)樵诟邏合逻\(yùn)行，實(shí)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(jìn)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(jìn)水和污泥回流的流程，工藝更為簡(jiǎn)單。曝氣器設(shè)在膜組件的下方，空氣擾動(dòng)在膜表面產(chǎn)生錯(cuò)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(dòng)力消耗少、無水循環(huán)、不堵塞等優(yōu)點(diǎn)，但因膜面流速小，存在易污染、 出水不連續(xù)的問題。在實(shí)際應(yīng)用中。常將膜過濾設(shè)置在單獨(dú)活性污泥反應(yīng)池中。為保證膜生物反應(yīng)器的正常運(yùn)行，應(yīng)能夠?yàn)榛钚晕勰嗵峁┏渥愕难?；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(cuò)流運(yùn)行以防止泥餅的形成，可以保持較長(zhǎng)時(shí)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(cuò)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(dú)進(jìn)行;內(nèi)置的淹沒式生化池中，錯(cuò)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(cuò)流并防止形成泥餅，曝氣器的流量控制剛好能能產(chǎn)生錯(cuò)流。在池內(nèi)既要有錯(cuò)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(huì)使錯(cuò)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?yàn)橥ㄟ^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(qiáng)化氧的轉(zhuǎn)移。

四、運(yùn)行的影響因素

影響因素除常規(guī)生物動(dòng)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(dòng)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(yùn)行的生物動(dòng)力學(xué)參數(shù)

(1)有機(jī)負(fù)荷研究表明，好氧出水受有機(jī)負(fù)荷和水力停留時(shí)間的影響小，厭氧出水受有機(jī)負(fù)荷和水力停留時(shí)間的影響較大。李紅兵對(duì)MBR處理生活污水的研究表明:沖擊負(fù)荷對(duì)有機(jī)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?？赡苁悄さ臄r截作用對(duì)氨氮的去除沒有貢獻(xiàn)。

(2)污泥濃度膜生物反應(yīng)器的一個(gè)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(jī)物的去除率。污泥濃度不僅影響有機(jī)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(huì)增大混合液黏滯度而降低了膜通量。污泥濃度對(duì)膜通量的影響程度與曝氣強(qiáng)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(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用。膜通量或操作壓力有兩種運(yùn)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(yùn)行時(shí)，膜通量的選擇對(duì)于膜的長(zhǎng)期運(yùn)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(shí)際膜通量值大于臨界膜通量時(shí)，膜污染加劇，膜清洗周期縮短。如果實(shí)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(yùn)行過程中存在臨界壓力，操作壓力低于臨界壓力時(shí)，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(cuò)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(dòng)程度。膜面錯(cuò)流速度也存在臨界流速，膜面錯(cuò)流速度大于臨界值時(shí)，進(jìn)一步增加速度將不會(huì)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(yàn)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(duì)一體膜提出的間歇抽吸操作方式。階段啟動(dòng)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(duì)被分離體系所能達(dá)到的濃度 分離過程的能耗有決定性的影響，對(duì)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(shí)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(shí)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(jìn)行。