污水處理成熟工藝盤(pán)點(diǎn)之二：MBR工藝全解析（上

在污水處理，水資源再利用領(lǐng)域，MBR又稱(chēng)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合的新型水處理技術(shù)。按照膜的結構可分為平板膜、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。

工藝簡(jiǎn)介

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(shí)際上是三類(lèi)反應器的總稱(chēng)：

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(jiǎn)稱(chēng) MBR）。

曝氣膜

曝氣膜--生物反應器（AMBR）最早見(jiàn)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(diǎn)（ Bubble Point）情況下，可實(shí)現向生物反應器的無(wú)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--生物反應器，又稱(chēng)為EMBR（Extractive Membrane Bioreactor）。因為高酸堿度或對生物有毒物質(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(shí)，若采用傳統的好氧生物處理過(guò)程，污染物容易隨曝氣氣流揮發(fā)，發(fā)生氣提現象，不僅處理效果很不穩定，還會(huì )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(kāi)發(fā)了EMB。廢水與活性污泥被膜隔開(kāi)來(lái)，廢水在膜內流動(dòng)，而含某種專(zhuān)性細菌的活性污泥在膜外流動(dòng)，廢水與微生物不直接接觸，有機污染物可以通過(guò)選擇性透過(guò)膜被另一側的微生物降解。由于萃取膜兩側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(yíng)養物質(zhì)和微生物生存條件不受廢水水質(zhì)的影響，使水處理效果穩定。系統的運行條件如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(lèi)膜--生物反應器，是一種用膜分離過(guò)程取代傳統活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術(shù)。

在傳統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(lài)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(shí)間（HRT）與污泥齡（SRT）相互依賴(lài)，提高容積負荷與降低污泥負荷往往形成矛盾。系統在運行過(guò)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(chǎng)運行費用的25% ～40% 。傳統活性污泥處理系統還容易出現污泥膨脹現象，出水中含有懸浮固體，出水水質(zhì)惡化。

針對上述問(wèn)題，MBR將分離工程中的膜分離技術(shù)與傳統廢水生物處理技術(shù)有機結合，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，提高了生化反應速率；同時(shí)，通過(guò)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活性污泥法存在的許多突出問(wèn)題。

工藝類(lèi)型

根據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(lèi)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(kāi)設置。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(guò)濾端，在壓力作用下混合液中的液體透過(guò)膜，成為系統處理水；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。

分置式膜--生物反應器的特點(diǎn)是運行穩定可靠，易于膜的清洗、更換及增設；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(cháng)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(dòng)力費用高（Yamamoto,1989），并且泵的高速旋轉產(chǎn)生的剪切力會(huì )使某些微生物菌體產(chǎn)生失活現象（Brockmann and Seyfried,1997）。

一體式

把膜組件置于生物反應器內部。進(jìn)水進(jìn)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(guò)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，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(diǎn)

與許多傳統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)穩定

由于膜的高效分離作用，分離效果遠好于傳統沉淀池，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(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器內，使得系統內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(shí)反應器對進(jìn)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(shí)現零污泥排放），降低了污泥處理費用。

占地面積小，不受設置場(chǎng)合限制

生物反應器內能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負荷高，占地面積大大節省；該工藝流程簡(jiǎn)單、結構緊湊、占地面積省，不受設置場(chǎng)所限制，適合于任何場(chǎng)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，從而有利于增殖緩慢的微生物如硝化細菌的截留生長(cháng)，系統硝化效率得以提高。同時(shí)，可增長(cháng)一些難降解的有機物在系統中的水力停留時(shí)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(shí)現自動(dòng)控制

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

易于從傳統工藝進(jìn)行改造

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

膜--生物反應器也存在一些不足。主要表現以下幾個(gè)方面：

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

（2）膜污染容易出現，給操作管理帶來(lái)不便；

（3）能耗高：首先MBR泥水分離過(guò)程必須保持一定的膜驅動(dòng)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是固相膜。根據孔徑不同可分為：微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜；根據材料不同，可分為無(wú)機膜和有機膜，無(wú)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(chēng)膜。