技術(shù)干貨 | 膜生物反應器(MBR)培訓資料——先進(jìn)污水處理解決方案

浸沒(méi)式膜生物反應器（MBR）的最早研究可以追溯到上世紀60年代末期的美國。1969年Smith等報道采用超濾膜來(lái)替代傳統活性污泥工藝中的二沉池，用于處理城市污水。70年代末期，日本由于污水再生利用的需要，膜生物反應器(MBR)的研究工作有了較快的進(jìn)展。自1983年到1987年日本有13家公司使用好氧膜生物反應器（MBR）處理大樓污水，處理水作為中水回用。從80年代后期到90年代初，Zenon公司繼續Dorr-Oliver公司的早期研究，以開(kāi)發(fā)用于處理工業(yè)廢水的系統并獲得了成功。Zenon公司的商業(yè)化產(chǎn)品，ZenoGem于1982年投入使用。

　　我國對浸沒(méi)式膜生物反應器（MBR）的研究始于上世紀90年代初。最早開(kāi)始研究的有清華大學(xué)、中科院生態(tài)環(huán)境中心、天津大學(xué)、同濟大學(xué)等。近年，由于該項技術(shù)所具有的巨大吸引力和潛在的應用前景，受到了更多研究者的青睞。

 1   浸沒(méi)式膜生物反應器原理

　　浸沒(méi)式膜生物反應器（MBR）是膜分離技術(shù)和生物技術(shù)的有機結合。用超濾或微濾膜分離技術(shù)取代傳統的活性污泥法的二沉池和常規過(guò)濾單元，使水力停留時(shí)間（HRT）和泥齡（STR）完全分離。其高效的固液分離能力使出水水質(zhì)良好，懸浮物和濁度接近于零，并可截留大腸桿菌等生物性污染物，處理后出水可直接回用，出水水質(zhì)要明顯優(yōu)于傳統污水處理工藝，是一種高效、經(jīng)濟的污水資源化技術(shù)。

 2   膜分離單元特點(diǎn)

浸沒(méi)式膜生物反應器（MBR）中膜分離單元-濾膜的選擇基于三點(diǎn)：

1.可有效的分離活性污泥；

2.運行成本最低；

3.抗污染能力強。

　　通過(guò)對國內外膜生物反應器技術(shù)的研究，目前國內外使用的膜生物反應器大部分濾膜孔徑基本集中在0.05-0.4μm之間，基本介于超濾、微濾膜臨界點(diǎn)附近。在如上孔徑范圍基本上實(shí)現了對活性污泥的有效截留，同時(shí)確保其運行能耗最低。再大或者再小的空間將不太適應于膜生物反應器技術(shù)。

微濾、超濾、納濾及反滲透過(guò)濾功能見(jiàn)如下表：

1、微濾膜（MF）

　　截留顆粒直徑0.1 到數微米之間。微濾膜允許大分子和溶解性固體（無(wú)機鹽）等通過(guò)，但會(huì )截留懸浮物、細菌及大分子量膠體等物質(zhì)。微濾操作壓力一般在0.01～0.2MPa之間。

2、超濾膜（UF）

　　截留顆粒直徑0.002～0.1μm 之間。超濾允許小分子物質(zhì)和溶解性固體（無(wú)機鹽）等通過(guò)，同時(shí)截留下膠體、蛋白質(zhì)、微生物及大分子有機物，用于表示超濾膜孔徑大小的切割分子量一般在1,000～500,000 之間。超濾操作壓力一般在0.05～0.6MPa 之間。

3、膜組件型式

• 中空纖維膜原理及型式

　　篩分過(guò)程，浸沒(méi)式膜生物反應器（MBR）操作壓力一般在0-70kPa，混合液在靜壓差或自吸泵的作用下，透過(guò)纖維素或高分子材料制成的微孔濾膜，利用其均一孔徑，來(lái)截留水中的微粒、細菌等，使其不能通過(guò)濾膜而被去除。

• 平板膜原理和形式

　　篩分過(guò)程，膜生物反應器（MBR）操作壓力0-35KPa，混合液在靜壓差或自吸泵的作用下，透過(guò)纖維素或高分子材料制成的微孔濾膜，利用其均一孔徑，來(lái)截留水中的微粒、細菌等，使其不能通過(guò)濾膜而被去除。

a.平板膜元件型式

b.平板膜組件形式

 3   膜生物反應器工藝路線(xiàn)

1、中空纖維膜-膜生物反應器工藝路線(xiàn)

2、平板膜-膜生物反應器工藝路線(xiàn)

3、浸沒(méi)式MBR工藝流程

常規MBR 污水處理工藝說(shuō)明：

a.格柵

　　污廢水通過(guò)格柵，利用機械格柵去除大塊雜物、漂浮物等，避免對后續設備的影響。在格柵井內安裝一套機械格柵，柵條間隙為1-2mm，由進(jìn)水室、格柵渠道組成。在格柵進(jìn)水室設置應急溢流管，當設備故障或其他非常原因，使進(jìn)水室的污水超過(guò)最高設定水位時(shí)，污水通過(guò)應急溢流管超越排出，為檢修，在格柵前設置圓形閘閥。柵渣需定期清理，可作垃圾處理。

b.調節池

　　由于來(lái)自各時(shí)的水質(zhì)、水量均不一樣，一般高峰流量為平均處理量的2～8倍，因此為使處理系統連續穩定地運行，同時(shí)調節水量和均和水質(zhì)，設計一座調節池。調節池的設計有效容積一般為平均處理量的4～12倍，為保證調節池內不沉積污物，設置潛水攪拌器進(jìn)行攪拌。設置液位自動(dòng)控制裝置，水泵將根據液位自動(dòng)開(kāi)啟；設置潛污泵提升污水至缺氧池，配套自動(dòng)耦合起吊裝置。

c.缺氧池

　　污水進(jìn)入缺氧池，同時(shí)進(jìn)入的還有膜池的回流混合液和污泥池的污泥。缺氧池主要作用是依靠污水中的有機物為碳源，利用反硝化細菌的反硝化作用將回流至該池泥水混合物中的硝酸鹽、亞硝酸鹽轉化為氮氣，從而實(shí)現廢水脫氮。此外，由于在脫氮過(guò)程中也消耗了污水中的有機物，所以廢水COD同時(shí)降低。池內設潛水攪拌器，溶解氧濃度為0.5mg/L。

d.好氧池

　　污水經(jīng)缺氧池處理后，自流進(jìn)入好氧池，即進(jìn)入好氧處理階段。在曝氣狀態(tài)下中大量繁殖的活性污泥中微生物以及硝化菌群、磷細菌，降解或吸附水中含碳、氨氮、磷有機污染物質(zhì)，以達到凈化水質(zhì)的目的。池內設置硅橡膠管式曝氣器，具有良好的氧轉移率。控制溶解氧濃度2.0mg/L。

　　好氧池采用鼓風(fēng)曝氣方式。傳統地埋式常用潛流曝氣方式，但運行發(fā)現當停止曝氣時(shí)，污泥沉淀至曝氣口附近而造成曝氣口堵塞現象，使曝氣機難以啟動(dòng)，甚至完全不能啟動(dòng)；同時(shí)，由于潛流曝氣設備埋設于地下，造成維修更換困難，給正常運行造成很大的麻煩。所以本設計采用羅茨鼓風(fēng)機進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，安裝由管道組成的曝氣系統，不易堵塞，風(fēng)機設在設備房，維修更換方便。

e.MBR池

　　利用膜對生化反應池內的含泥污水進(jìn)行過(guò)濾，實(shí)現泥水分離。一方面，膜截留了反應池中的微生物，使池中的活性污泥濃度大增加，使降解污水的生化反應進(jìn)行得更迅速更徹底；另一方面，由于膜的高過(guò)濾精度，保證了出水清澈透明，得到高質(zhì)量的產(chǎn)水。

　　膜池設置MBR膜組件系統及配套的出水、清洗、吹掃等系統。MBR膜區內的吹掃（曝氣）有兩個(gè)用途，一是用于膜組件周?chē)�的氣水振蕩，保持膜表面清潔，二是為提供生物降解所需要的氧氣。通過(guò)膜的高效截留作用，全部細菌及懸浮物均被截流在曝氣池中，可以有效截留硝化菌，使硝化反應順利進(jìn)行，有效去除氨氮；同時(shí)可以截留難于降解的大分子有機物，延長(cháng)其在反應器中的停留時(shí)間，使之得到最大限度的降解。剩余污泥通過(guò)膜區剩余污泥泵定期排出，可控制系統內活性污泥的濃度及污泥齡。

f.消毒/清水池

　　經(jīng)膜過(guò)濾的出水尚有一部分病毒不能被去除，出水再經(jīng)消毒即可達標回用。可采用紫外消毒，消毒后的水儲存在清水池內供使用，預留取水泵位置。

　　MBR 系統實(shí)現從水中去除有機物（COD）、氨氮（NH3-H）、總氮（TN）和總磷（TP）。用戶(hù)可根據出水要求，組合厭氧、缺氧、好氧工藝，實(shí)現對出水的要求。

以下是針對不同水處理要求所建議的處理工藝，如表所示：

4、膜池活性污泥循環(huán)方式

　　如果采用好氧池+膜池或脫氮池+膜池的運行方式，為了保證均衡的污泥濃度和脫氮效果，需要進(jìn)行活性污泥（MLSS）循環(huán)。大致有以下三種方式：

 4   浸沒(méi)式膜生物反應器布置

1、中空纖維膜組件布置

2、平板膜組件布置圖

 5   浸沒(méi)式膜生物反應器的主要特點(diǎn)

　　膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR）是一種由膜分離單元與生物處理單元相結臺的新型水處理技術(shù)，以膜組件取代二沉池，在生物反應器中保持高活性污泥濃度減少污水處理設施占地，并通過(guò)保持低污泥負荷減少污泥量。與傳統的生化水處理技術(shù)相比，MBR 具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1、能夠有效地進(jìn)行固液分離，分離效果遠好于傳統的沉淀池，出水水質(zhì)良好，出水懸浮物和濁度接近于零，可直接回用，實(shí)現了污水資源化；

　　2、膜的高效攔截作用使微生物完全截流在反應器內，實(shí)現了反應器水力停留時(shí)間（HRT)和污泥齡（SRT)的完全分離，使運行控制更加靈活穩定；

　　3、 反應器內的微生物濃度高，耐沖擊負荷能力強；

　　4、有利于增殖緩慢的硝化細菌的截流生長(cháng)和繁殖，系統硝化效率得以提高，具有一定的脫氮、除磷功能，優(yōu)于傳統的生物處理單元；

　　5、污泥齡長(cháng)。膜分離使污水中的大分子難降解成分，在體積有限的生物反應器內有足夠的停留時(shí)間，大大提高了難降解有機物的降解效率。反應器在高容積負荷、低污泥負荷、長(cháng)泥齡下運行，可以實(shí)現基本無(wú)剩余污泥排放；

　　6、省去二次沉淀池，節省占地；

　　7、系統采用PLC 控制，可實(shí)現全自動(dòng)化控制。

 6   浸沒(méi)式膜生物反應器預處理

　　沒(méi)有預處理，對MBR是不可想象。預處理的作用：既要防止膜污染，又要保證生物體系的正常運行。處理不當：格柵過(guò)粗、絮凝不充分（PAM）等高分子之間易吸附，加強膜污染。根據原水的特點(diǎn)，選擇適當的預處理措施。

1、MBR預處理設施選擇的原則

　　MBR工藝保護膜的預處理設施：超細格柵（0.2-2mm）。超細格柵選擇原則： (1) 設在沉砂池之后； (2) 選用Mesh或Hole狀轉鼓格柵； (3) 平板膜1-2mm。

2、MBR工藝保護膜的預處理

　　多數膜工程商：進(jìn)水油脂<50mg/L，礦物油<3mg/L

3、中空纖維膜對預處理的要求

4、平板膜對預處理的要求

 7   MBR技術(shù)設計關(guān)鍵點(diǎn)

1、 MBR構型選擇與膜組件形式

（1）污泥濃度<10g/L；

（2）膜組件排布時(shí)，需要考慮維護管理的便利性；

（3）通量：工業(yè)廢水處理時(shí)，提供一般1/2生活污水通量，但實(shí)際選擇時(shí)，需要結合具體的廢水類(lèi)型和水質(zhì)特征進(jìn)行具體分析。

2、運行費用與能耗

（1）運行費用是工程設計中需要特別考慮的。

（2）MBR的運行費用：a.水泵的性能：與膜組件和TMP有關(guān)；b.曝氣：膜曝氣，一般采用大氣泡曝氣；生物曝氣，一般采用微氣泡曝氣；

注：①小型MBR，生物曝氣和膜曝氣可以合并，采用大氣泡方式，保證對膜組件的沖刷，但能耗稍高。②中型、大型MBR，需分開(kāi)設置，既保證對膜組件的沖刷作用，又可以降低能耗。③過(guò)量的膜曝氣，會(huì )造成膜壽命下降和膜組件損傷。

（3）膜的清洗：所在比例很小；

（4）膜的更換：與膜材質(zhì)、膜廠(chǎng)家技術(shù)水平、維護好壞等有關(guān)。

3、風(fēng)機與曝氣管

（1）為保護膜，宜采用無(wú)油壓縮風(fēng)機。

（2）由于工業(yè)廢水沖擊負荷的問(wèn)題，需要足夠的溶解氧即需要有足夠的風(fēng)機富余量。

　　曝氣管容易堵塞，需要設置清洗設備。設計管路時(shí)，應防止清洗水流入風(fēng)機。鼓風(fēng)機管路應高于水面，防止清洗水流入風(fēng)機。

4、自控方式與監測

（1）通常情況下采用PLC控制，配置必要的電/氣動(dòng)閥門(mén)，自動(dòng)運行。

（2）自動(dòng)閥門(mén)應帶有信號反饋，以確定是否開(kāi)關(guān)到位。

（3）設計監測指標：TMP、水質(zhì)、濁度等。

5、臭味、噪音和濕度問(wèn)題

（1）由于曝氣量較大，MBR車(chē)間的臭味、噪音和濕度都較大。

（2）臭味：根據需要，反應池頂部加蓋，做成密閉方式，用離心鼓風(fēng)機將臭氣抽取到臭味去除裝置中。

（3）噪音：采用隔音罩，或者選擇低噪音風(fēng)機。

（4）濕度：根據需要，增加除濕器或者加強通風(fēng)。

（5）溫度：不能超過(guò)40～45度。

6、色度問(wèn)題與去除

（1）目前的MBR均采用超濾/微濾膜，對色度的截留效果較低。

（2）原水中的色度：進(jìn)行預處理，加入混凝劑或脫色劑，預先把色度降低到一個(gè)合理的范圍，然后進(jìn)入MBR，通過(guò)生物降解作用繼續脫色。

（3）膜出水有時(shí)會(huì )有色度。可采用臭氧、活性炭等方式繼續脫色。

7、后期運行維護的便利性

（1）考慮膜組件清洗的便利性；

（2）考慮膜組件更換的便利性；

（3）操作人員日常維護、日常檢修等。

8、膜組件選型

膜元件用量計算

n（張）＝Qmax/（F·A）

其中： Qmax：日最大污水量（m3/d）；考慮下雨、洪水等情況的最大日污水量。

F： 膜通量[L/( m2·d)]；

A ：每張膜元件的有效膜面積（m2/張）。

參考值：

　　1.生活污水設計膜通量范圍：400～800L/(m2·d)。（中空、平板適用范圍）

　　2.工業(yè)廢水設計膜通量范圍：100～400L/(m2·d)。工業(yè)廢水的場(chǎng)合最好通過(guò)試驗確認膜通量最佳值.（中空、平板適用范圍）

9、設計水量

　　設計流量的確定是污水處理廠(chǎng)設計最基本的問(wèn)題，是污水處理系統設計、工藝設備選型的基礎。

　　（1）傳統的生物處理工藝：污水處理廠(chǎng)規模Qd是指平均日污水量，污水處理的生物處理系統多數也是按照Qd設計。生物處理系統是利用微生物吸附、水解或氧化水中有機物的設施，具有很強的緩沖能力。

　　（2）MBR工藝：通常采取恒流出水模式，決定了膜通量和膜數量的選擇。污水處理廠(chǎng)的設計流量與運行流量要保持一致。

　　多數膜供應商：設定(1.2-1.3)Qd的水量沖擊負荷。

　　如果出現長(cháng)時(shí)間的污水量沖擊負荷，對系統運行膜而言，需以更大的膜通量運行才能保證系統進(jìn)、出水平衡，顯然這樣高通量運行勢必會(huì )造成嚴重的膜污染，影響MBR系統的正常運行。如發(fā)生長(cháng)時(shí)間污水量的沖擊，需采取一定的措施來(lái)分流超過(guò)設計流量的峰值負荷，引向污水處理廠(chǎng)中其他非MBR工藝的處理系統或其他市政污水處理廠(chǎng)。

10、膜生物反應器系統設計計算書(shū)（以平板膜-膜生物反應器為案例）

• 設計參數

（1）處理對象：生活污水

（2）處理規模：200m3/d

（3）進(jìn)出水水質(zhì)：

（4）處理工藝：缺氧+MBR工藝

• 構筑物容積設計計算

（1）調節池

　　無(wú)特殊參數設定，一般按照平均小時(shí)處理量的4-12倍設計，有效停留時(shí)間4-12h。

流量調節比：

K=膜片數量（片）×膜面積（1.0或1.5m2）×0.4m3/(m2.d)÷Q m3.d=330×1.5×0.4÷200=0.99

計算式：V=(Q/T-KQ/24)T=(200/12-0.99×200/24)×12=100.92 m3

實(shí)際尺寸：8.0×5.0×4.5m 實(shí)際有效容積：100m3

(2)脫氮池

氮容積負荷定為0.2 kg-N/(m3･d)以下。

流入水含氮量

200.0 m3/d×0.035kg-N/m3＝7.0 kg/d

需要容量

7.0 kg/d÷0.2 kg-N/(m3･d)＝35.0 m3以上

實(shí)際尺寸： 5.0m×2.0m×4.5m （實(shí)際有效容積40m3）

(3) 硝化池

氮容積負荷定為0.25 kg-N/(m3･d)以下。

流入水含氮量

200.0 m3/d×0.05kg-N/m3＝10.0 kg/d

需要容量

10.0 kg/d÷0.25 kg-N/(m3･d)＝40.0 m3以上

實(shí)際尺寸：5.0m×2.0m×4.5m（實(shí)際容量40m3）

※ 以上尺寸應該為考慮到了膜組件的設置面積后的容量。

(4) 消毒池

日平均汚水量的15分鐘量以上

0.14 m3/min×15 min＝2.1 m3以上

實(shí)際尺寸： 1.0m×1.5m×4.5m（實(shí)際有效容積6 m3）

(5) 排放池

日平均汚水量的15分鐘量以上

0.14 m3/min×15 min＝2.1 m3以上

實(shí)際尺寸： 1.0m×1.5m×4.5m（實(shí)際有效容積6m3）

(6) 殘渣･汚泥儲存池

剩余汚泥量：（汚泥濃度設為2.0％，BOD的汚泥轉換率設為45％）

200.0 m3/d×0.2kg-BOD/m3×0.45＝18.0 kg/d

18.0 kg/d÷20kg/m3＝0.9m3/d

殘渣量：（殘渣濃度50 000 mg/L，每流入1kg BOD為0.05kg）

200.0 m3/d×0.2kg-BOD/m3×0.05kg/kg＝2.0 kg/d

2.0 kg/d÷50kg/m3＝0.04m3/d

存貯量設為14天的量。（0.9 m3/d＋0.04 m3/d）×14d＝13.2 m3以上

實(shí)際尺寸：3.0m×1.5m×4.5m（實(shí)際有效容積：18.0m3）