MBR工藝在污水處理中的應用

摘要：生物膜污水處理工藝（MBR技術）是近年來發展起來的一種新型污水處理技術，是膜分離技術和傳統活性污泥法的結合的系統。本文簡要介紹了MBR技術在污水處理中的的工作原理、國內外發展現狀、工藝分類及其工藝特點等，并分析了該技術存在的問題，提出了建議和展望。

關鍵詞：MBR工藝；污水處理；生物膜

中國是一個缺水國家,污水處理及回用是開發利用水資源的有效措施。污水回用是將城市污水、工業污水通過膜生物反應器等設備處理之后,將其用于綠化、沖洗、補充觀賞水體等非飲用目的,而將清潔水用于飲用等高水質要求的用途。城市污水、工業污水就近可得,可免去長距離輸水，而實現就近處理實現水資源的充分利用，同時污水經過就近處理，也可防止污水在長距離輸送過程中造成污水滲漏，導致污染地下水源。污水回用已經在世界上許多缺水的地區廣泛采用,被認為21世紀污水處理*技術。MBR技術是膜分離技術與生物處理技術有機結合之新型態廢水處理系統，隨著該技術的不斷成熟，正得到越來越廣泛的應用。

1.MBR含義及其工作原理

MBR為膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor）的簡稱,是一種將膜分離技術與生物技術有機結合的新型水處理技術，它利用膜分離設備將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物截留住，省掉二沉池。膜-生物反應器工藝通過膜的分離技術大大強化了生物反應器的功能，使活性污泥濃度大大提高，其水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）可以分別控制。

膜生物反應器因其有效的截留作用，可保留世代周期較長的微生物，可實現對污水深度凈化，同時硝化菌在系統內能充分繁殖，其硝化效果明顯，對深度除磷脫氮提供可能。

2.MBR技術的國內外發展

2.1國外發展研究現狀

1969年，美國的Smith報道了美國Dorr—Oliver公司把活性污泥法和超濾工藝結合處理城市污水的方法。1970年，美國的Dorr—Oliver公司和日本的Sank Engineering有限責任公司達成協議，使得該工藝進入日本市場。目前在世界范圍內，實際應用的MBR系統已經超過500套，同時許多工程在計劃或者建設中。MBR在日本的商業應用發展的很快，世界上約有66％的工程在日本，其余的MBR工程主要在北美和歐洲。

2.2國內發展研究現狀

我國對膜生物反應器污水處理技術的研究較晚，但發展迅速，近年來，MBR工藝已有實際應用實例，并保持著良好的發展勢頭。2002年，膜生物反應器的研發又被列為“863”重大科技項目，推進膜生物反應器在污水處理及回用中的應用。劉銳等在研究膜生物反應器與傳統活性污泥工藝進行比較后發現，在運行條件一致的情況下，膜生物反應器有更強的去除能力。陳衛文等研究膜生物反應器對各分子質量區間內有機物的去除規律發現，物理截留作用可*截留粒徑>0．22µm的有機物，而活性污泥的降解作用以及膜表面濾餅層和凝膠層的共同作用可去除大部分0．22µm以下的有機物。張西旺等在研究一體式膜生物反應器處理高氨氮小區生活污水的中試實驗中發現，通過增設泥水回流和缺氧區可將氨氮去除率從60％提高到95％ 以上。周建仁等在研究膜生物反應器處理高濃度．生活污水的實驗中發現，在進水COD為1250—13500mg／L時，去除率可高達94．1％一-95．6％ ，BOD5的去除率可達98％ 以上。同時，國內的學者也開始研究膜生物反應器中運行參數的數學模型，主要為*水力停留時間、*排泥時間以及*反沖洗周期，并通過實驗得到驗證。

3.MBR工藝與傳統污水處理工藝的比較

在傳統的污水生物處理技術（圖1）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。系統在運行過程中還產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，出水水質惡化。

圖1

MBR 工藝（圖2）通過將分離工程中的膜分離技術與傳統廢水生物處理技術有機結合，不僅省去了二沉池的建設，而且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菌（特別是優勢菌群）的出現，提高了生化反應速率。同時，通過降低F/M比減少剩余污泥產生量（甚至為零），從而基本解決了傳統活性污泥法存在的許多突出問題。

圖2

4.MBR工藝分類

4.1 根據膜材料的不同,膜主要分為有機膜、無機膜兩大類。有機膜價格較便宜,但易污損;無機膜能在惡劣的環境下工作,使用壽命長,但價格較貴。

4.2 根據膜組件在MBR中所起作用的不同,可將MBR分為分離MBR、無泡曝氣MBR和萃取MBR三種。分離MBR中的膜組件相當于傳統生物處理系統中的二沉池,MBR由于高的截流率,并將濃縮液回流到生物反應池內,使生物反應器具有很高的微生物濃度和很長的污泥停留時間,因而使MBR具有很高的出水水質;無泡曝氣MBR采用透氣性膜對生物反應器無泡供氧, 氧的利用率可達100 % ,因不形成氣泡,可避免水中某些揮發性的有機污染物揮發到大氣中；用于提取污染物的萃取MBR是由內裝纖維束的硅管組成,這些纖維束的選擇性將工業廢水中的有毒污染物傳遞到好氧生物相中而被微生物吸附降解。

4.3 根據生物反應器和膜組件結合的方式不同,膜生物反應器可分為分置式（圖3）和一體式（圖4）。

分置式是指膜組件與生物反應器分開設置,壓力驅動靠加壓泵。分置式的特點是運行穩定可靠,操作管理容易,易于膜的清洗、更換。但一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積,由循環泵提供的水流流速都很高,動力消耗較高。

圖3 分置式MBR流程簡圖

一體式是將膜組件置于生物反應器中,通過真空泵抽吸,得到過濾液。一體式的zui大特點是運行費用低,但在運行穩定性、操作管理方面和膜的清洗更換上不如分置式

圖4 一體式MBR流程簡圖

5．MBR處理工藝的優點

5.1 對污染物的去除效率高

MBR對懸浮固體（SS）濃度和濁度有著非常良好的去除效果。由于膜組件的膜孔徑非常小（0.01～1μm），可將生物反應器內全部的懸浮物和污泥都截留下來，其固液分離效果要遠遠好于二沉池，MBR對SS的去除率在99%以上，甚至達到100%；濁度的去除率也在90%以上，出水濁度與自來水相近。由于膜組件的截留作用，將全部的活性污泥都截留在反應器內，使得反應器內的污泥濃度可達到較高水平，zui高可達40～50g/L.這樣，就大大降低了生物反應器內的污泥負荷，提高了MBR對有機物的去除效率，對生活污水COD的平均去除率在94%以上，BOD的平均去除率在96%以上。同時，由于膜組件的分離作用，使得生物反應器中的水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）是*分開的，這樣就可以使生長緩慢、世代時間較長的微生物（如硝化細菌）也能在反應器中生存下來，保證了MBR除具有降解有機物的作用外，還具有良好的硝化作用。研究表明，MBR在處理生活污水時，對氨氮的去除率平均在98%以上，出水氨氮濃度低于1mg/L.

此外，選擇合適孔徑的膜組件后，MBR對細菌和病毒也有著較好的去除效果，這樣就可以省去傳統處理工藝中的消毒工藝，大大簡化了工藝流程。

另外，在DO濃度較低時，在菌膠團內部存在缺氧或厭氧區，為反硝化創造了條件。僅采用好氧MBR工藝，雖然對TP的去除效率不高，但如果將其與厭氧進行組合，則可大大提高TP的去除率。研究表明，采用A/O復合式MBR工藝，對TP的去除率可達70%以上。

5.2 具有較大的靈活性和實用性

在城市污水或廢水處理中，傳統的處理工藝（格柵+沉砂池+初沉池+曝氣池+二沉池+消毒池）流程較長，占地面積大，而出水水質又不能保證。而MBR工藝（篩網過濾+MBR）則因流程短、占地面積小，處理水量靈活等特點，而呈現出明顯優勢。MBR的出水量根據實際情況，只需增減膜組件的片數就可完成產水量調整，非常簡單、方便。

對于傳統的活性污泥法工藝中出現的污泥膨脹現象，MBR由于不用二沉池進行固液分離，可以輕松解決。這樣，就大大減輕了管理操作的復雜程度，使穩定的出水成為可能。

同時，MBR工藝非常易于實現自動控制，提高了污水處理的自動化水平。

5.3 解決了剩余污泥處置難的問題

剩余污泥的處置問題，是污水處理廠運行好壞的關鍵問題之一MBR工藝中，污泥負荷非常低，反應器內營養物質相對缺乏，微生物處在內源呼吸區，污泥產率低，因而使得剩余污泥的產生量很少，SRT得到延長，排除的剩余污泥濃度大，可不用進行污泥濃縮，而直接進行脫水，這就大大節省了污泥處理的費用。有研究得出，在處理生活污水時，MBR*的排泥時間在35d左右。

6. MBR工藝的不足與建議

盡管膜生物反應器有許多傳統工藝不具備的優點，且有了一定規模的應用，但真正要使該技術大范圍的應用，還有很多問題需解決。

6.1膜組件的費用較高

在MBR工藝中，膜組件的費用較高，一般膜的價格為200～1 000元/m²。在運行中膜組件的更換占總運行費的40%～75%。因此經濟因素是影響其廣泛應用的一個主要原因。

建議加強低成本，高性能的新型膜材料的研發，推動產業化進程。

6.2膜的壽命短

膜的壽命及更換，導致運行成本高。膜組件一般使用壽命在5年左右，到期需更換。

建議開發使用壽命更長久的膜材料，在長期的污水處理中節約膜材料投入成本。

6.3 膜通量較小

膜通量小，一般通量為20～100 L/（h·m²），不適合大流量污水的處理。MBR工藝在運行時會使膜通道發生堵塞和濃差極化現象，在膜的表面形成一個膠化層，即膜污染。

這將導致膜通量的急劇下降。膜污染成了MBR廣泛應用的阻礙，是當前MBR研究的一個熱點，其污染機理還有待于進一步研究。另外，膜通量還應通過研究開發進一步提高，從而推進該技術的廣泛應用。

6.4 能耗較大

在用于處理污水的MBR中通常都維持較高的MLSS濃度，這易導致氧傳遞率的降低,運行能耗變大，水溫升高，污泥活性下降及等問題。

建議加強這方面的研究及優化設計，進一步降低能耗。

7.MBR工藝的發展前瞻

隨著MBR工藝的不斷發展與成熟，該工藝將越來越多的應用于污水處理的各個行業，在人們的生活與生產中發揮更大的作用。以下幾個方面將會得到MBR技術的日益普及。

1.現有城市污水處理廠的更新升級 。

2.無排水管網系統地區的污水處理，如居民點、旅游度假區、風景區等。

3.有污水回用需求的地區或場所，如賓館、洗車業、客機、流動廁所等 。

4.高濃度、有毒、難降解工業廢水處理。如造紙、制糖、皮革等行業

5.垃圾填埋廠滲濾液的處理及回用

6.小規模污水廠（站）的應用。