膜分离，尤其是液体的分离，以前通常用于工业中的提纯与混合液的分离。随着水处理技术的发展，该工艺开始逐渐在水处理的环节得中到应用。根据不同的膜表面孔径大小，可以分为过滤、微滤（MF）、超滤（UF）及纳滤（NF）等，膜生物反应器中通常采用的是微滤和超滤膜，其分离机理主要是筛分效应，类似于我们通常所指的过滤，但其又不完全相同，因膜结构的不同，截留作用大体可以分为机械截留、吸附截留及架桥作用等。
　　膜与生物处理工艺结合的膜生物反应器研（MBR）究迄今已有30 多年的历史；在国外，商业应用也已经有了20 年的历史，而对于我国来说，该项技术尚在推广起步阶段。
　　2.1 膜生物反应器（MBR）
　　膜生物反应器（MBR）最大的特点便是用膜组建代替传统工艺中的二沉池进行固液分离以得到澄清的出水。然而，看似简单的一加一，其带来的效应却远远不止二。MBR 与传统活性污泥法相比有以下明显优势：
　　（1）污染物去除率高，出水水质好MBR 既可以用于常规活性污泥法难以处理的高浓度、难降解有机工业废水处理，又可以用于生活污水和一般工业废水的净化。在MBR 中，由于膜组件对于反应池中的微生物，尤其是对于世代周期较长的硝化反硝化菌种，及存在于小污泥颗粒中的微生物具有相当好的截留作用，因此提高微生物种群的丰富性，对缓解水体富营养化具有极大的优势；同样由于膜的截留，MBR 体系中活性污泥可以高达（MLSS）8000-15000mg/L，远远高于常规活性污泥法（约3000-4000mg/L），对污染物去除效率高，处理出水水质好，不仅对悬浮物（SS）、有机物去除效率高，出水的悬浮物（SS）和浊度可以接近零，而且可以去除细菌、病毒等可以作为污水深度处理及资源化技术。生活污水经膜生物反应器处理后可以做到肉眼观察与自来水无异，特别适合缺水地区作回用处理。
　　（2）负荷变化适应强，耐冲击负荷
　　膜生物反应器由于膜的高效截留作用，实现了反应池内水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）的完全分离，即使进水量突然增大，整个反应器内部的生物性状也能保持在一个比较稳定的状态；同时，由于污泥浓度的提高，强化了活性污泥的吸附作用；而且，在膜的截留作用下，未被微生物降解的大颗粒污染物也不会随着出水排除，能够留在反应器内部慢慢处理，直到被分解后才透过膜排出。基于以上几点，整个反应器运行控制将会更加灵活，出水水质更加稳定。因此，膜生物反应器系统克服了当系统水力负荷和有机负荷发生变化时传统水处理工艺出现污泥膨胀等问题。
　　（3）污泥排放量小
　　膜生物反应器水处理技术除了作为污水深度处理及资源化技术之外，还可以作为一种减少剩余污泥排放的重要技术途径。国外文献及小规模工程经验显示，膜生物反应器的污泥排放量很小，甚至可以做到不产泥。污泥自降解和污泥水解可降低传统水处理系统的效率，但对膜生物反应系统却非常有益。常规的活性污泥法通常采用的是生物周期处于稳定期末尾至衰亡期初始时的活性污泥，而由于膜生物反应器中的高污泥浓度，微生物的总量非常大，在消耗水中有机污染物的同时，还有许多的微生物处于“饥饿”状态，因此相当一部分处于衰亡期的微生物依靠自身的内源呼吸进行代谢分解，在保持出水污染物低浓度的同时，消耗了污泥生长过程中的剩余量。膜分离使得污水中的大分子难降解物质，在体积有限的膜生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解物质的降解效率。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄的情况下运行，完全可以实现较长周期内（如6 月或者更长时间）不排泥或者排泥量很小，剩余污泥排放量很小，甚至不产泥。
　　（4）工艺流程短，系统设备简单紧凑，占地省
　　由于膜生物反应器无需在好氧污泥系统产生絮体以便之后二沉池的泥水分离，因此生物反应器内污泥浓度可以比传统工艺高许多，而生化反应速率又与反应物浓度有关。反应物浓度越高，反应速率越大，因此膜生物反应器的容积负荷可高达5kgCOD/(m3d)，而传统工艺通常只有0.4～0.9kgBOD/(m3d)，处理生活污水时水力停留时间（HRT）可减至2h，生物反应池的容积可以大大减小，根据国外研究资料显示，相同规模的污水量，膜生物反应器好氧池体积为传统处理工艺好氧池体积的三分之一。同时膜生物反应器省去了二沉池、滤池及污泥回流系统等辅助设备，甚至污泥处理设备及费用。由于目前我国对污水处理的消毒指标主要针对的的是大肠菌群，其直径约在0.6μm，而目前MBR用膜的空径一般都在0.4μm～0.1μm 的范围内，因此几乎所有的MBR 工艺都对病菌有较好的去除作用，出水中肠道病毒、总大肠杆菌、粪链球菌、粪大肠杆菌等都低于检测限，这表明如果MBR 出水直接排放或无余氯要求回用的话甚至可以省去消毒设施，因此膜生物反应器结构简单紧凑。
　　（5）易实现自动化控制，维护简单，节省人力
　　在传统活性污泥法中，由于运行中经常出现波动和不稳定，为了确保良好的出水水质，必须对运行管理投入大量的人力、财力和物力。而膜生物反应器采用膜分离技术，做到了稳定的出水水质，同时省去了泥水分离设施，因此用微机可以很容易的实现膜生物反应器系统从进水到出水的全程自动化控制。
　　（6）系统启动速度快，
　　水质可以很快达到处理要求由于可以很好的保持水中的污泥浓度，在反应池启动期，不同于传统曝气池需要通过沉淀排除上清液来提高污泥浓度。由于膜分离作用对污泥颗粒的完全截留，能够在曝气及营养物质的共同作用下迅速的提高系统内的污泥浓度，使整个膜生物反应器系统快速启动，水质可以很快达到处理要求。
　　2.2 MBR 工艺的应用情况
　　目前，MBR 工艺技术处理生活污水和工业废水已突显成效。市场分析报告指出，1995 年，MBR 的全球市值仅为1000 万美元，而在2000～2005 年的五年间翻了一番多，达到2.17 亿美元。但其与应用已久的传统工艺（活性污泥法及其衍生技术）相比，具有风险大、投资费用高等缺点。然而，随着近年来废水排放标准的日趋严格、地区性水资源短缺、各种鼓励政策，特别是污水回用技术的、投资费用的降低以及对MBR 技术信心的增强及接受度的提高，都会增强该项工艺的竞争力。美国Running Springs 污水处理厂位于加利福尼亚Big Bear 国家公园，该污水处理厂最初采用传统活性污泥法，主要用于去除BOD，不具备脱氮除磷功能。随着污水处理厂排放标准的提高，原有工艺难以满足新的出水要求。为此，该厂曾试图通过延长污泥停留时间提高曝气池污泥浓度，从而强化处理效果，但实际上污泥浓度的提高超出了二沉池可承受的范围。因此，2003 年4～9 月该厂将原有工艺改造为MBR 工艺。该厂的设计日均处理量为2300m3/d，最大处理量为4500m3/d。与传统二沉池相比，MBR 可更高效地截留聚磷污泥，并且可通过控制MLSS 来抵抗进水负荷的季节性变化和日变化。Coil Dubh 是位于都柏林(Dublin)西1h 车程的一个小村庄， Coil Dubh 污水处理厂用MBR 工艺处理原Coil Dubh 村庄的污水之外，还将处理来自新建房地产开发区的污水，主要包括：污水来源主要为生活污水及部分雨水；污水最大流量为50m3/h；设计人口当量为2000 人。虽然传统活性污泥法也能勉强达到出水要求，但由于施工地点位于泥炭沼泽地，地下水位高，不利于深度挖掘，若采用建筑面积大、池体较深的传统活性污泥法，施工难度大、基建成本高。MBR 则由于占地面积小、池体浅，在工艺比选上更有优势。该厂所应用的膜技术水平并不高，而且运行条件也时常不在最佳状态，但其处理效果却超出预期。膜的产水量维持在较好的水平，主要出水水质指标始终低于最低检测水平。同时，该套装置构造简单、运行稳定，因此易于管理。连续运行、无需化学清洗的特点使该系统更加具有吸引力。目前该装置的维护检修和清洗由科克郡（CorkCounty）政府负责。位于美国佐治亚州(Georgia)格林县（Greene County） Park Place 的MBR 装置2003年6 月开始运行。该装置处理城市生活污水，日均处理量为610M3/d，最大处理量为890m3/d，处理出水用于当地高尔夫球场的灌溉。由于当地地价较高，因此占地面积笑的MBR 在工艺比选中独具优势；同时MBR 还具有启动周期短的优点，因此最终被采用。整套系统位23m×30m 的矩形工房中，结构紧凑，运行管理方便。而对于常规工艺难以处理的工业废水及垃圾渗滤液，MBR 技术有着更大的优势。由于MBR 技术降解污染物的机理还是基于微生物的分解与代谢作用，因此还是用于污水处理过程中的生物反应段。而对于那些生物难以降解的、有毒有害的物质，或者盐分，还是采用其他物理方法或化学方法去除有比较好的效果。由于工业废水的成分异常复杂，浓度差别大，本文中就不一一列举了。
　　2.3 MBR 膜的运行和分类
　　MBR 膜在运行的过程中不可避免的一个问题便是膜污染，即活性污泥在膜表面的过度淤积，引起膜阻塞导致膜的产水量下降。这个问题也是目前各国MBR 工作者所致力于解决的、阻碍MBR 发展的障碍。随着研究的深入，材料技术的不断更新以及越来越多的工程数据，目前已经可以通过不同的膜结构、曝气量的控制、膜片间距以及定期清洗等方法进行控制。从膜结构主要是指MBR 反应器内的膜组件的。设计一种膜，要有比较大的比表面积，同时能在高污泥浓度的环境下避免膜表面产生过渡的淤积，又要能够长时间在曝气冲刷的环境下稳定工作。膜组件是MBR 的核心部分，目前工程化应用中的膜构型主要是中空纤维膜组件和平板膜组件。平板膜与中空纤维膜具有不同的特点，适用范围也有区别。
　　平板膜具有水力学条件易于控制、产水量大、抗污染能力强和清洗更换方便等特点，能够在更高污泥浓度条件下保持高通量稳定运行。中空纤维具有装填密度大、价格便宜等优点。截止2006 年，据不完全统计在世界范围内运行的MBR 达2259 套，其中平板膜生物反应器的比例占到了68%。然而，在中国平板膜生物反应器的工程化应用程度还很低，明显滞后于中空纤维膜生物反应器。平板MBR 与中空纤维MBR 相比又具有以下明显优势：
　　（1）更好的抗污染性能
　　相比中空纤维膜生物反应器，平板膜生物反应器可以在更高的活性污泥浓度下保持高通量（通量即膜的产水量）的稳定运行。在实际使用的过程中，尽管预处理设施中会有格栅，除毛机等设备，但曝气池中还难免进入一些诸如毛发之类的物体。而我们知道在曝气的状态下膜丝始终处于一个抖动的状态，于是这些毛发很容易使膜丝缠绕在一起，当污泥浓度达到一定程度，就会出现泥坨，使越来越多的膜丝缠绕在一起，大大减少了中空纤维丝的有效膜面积，引起膜通量的急剧下降，而且此类问题也很难修复，通常只能更换。平板膜生物反应器的适用活性污泥浓度（MLSS）范围在10000-15000mg/L，远远高于中空纤维膜生反应器，平板膜的结构，可以实现膜片之间间隙可控，便于气液混流对膜面进行在线清洗，抗污染性能优越。此外，平板膜生物反应器可以通过调节组件底部的曝气强度，通过气水混合物在膜片表面的冲刷作用，很好的清除膜表面的附着物，即便是由于某种不可知因素在膜表面产生了淤积的情况，也可以将膜片取出，通过低压水枪冲洗的方法去除，使得膜能长期有效的运行，而中空纤维则不可能通过这种方法清洗。
　　（2）良好的机械稳定性、无断丝现象
　　在实际使用过程中，中空纤维膜组件不可避免的会发生断丝现象，其中包括两种原因，一是由于纺丝过程中的缺陷导致的壁厚不均匀，当然这种情况比较少发生，且可以通过购买优质产品等手段进一步避免；二是纺丝材料疲劳引起的根部断裂。我们知道中空纤维丝在两端连接组件的地方需要用环氧树脂进行密封，由于纤维丝本身的毛细现象，肯定会在根部吸上一小段。由于曝气的原因，中空纤维在工作状态下始终会处于幅度较大的振动现象，长此以往会在其根部引起材料的疲劳，而环氧树脂本身是一种脆性材料，这种材料疲劳所导致的断丝一旦发生，往往是规模性的，而这对于膜生物反应器来说，伤害是致命的，不但会严重影响出水水质，还会导致整个组件的报废。与此不同的是平板膜的内部有无纺布作为支撑层，因此强度比中空纤维高出许多，根本不会出现类似的现象，能完全保证优质的出水水质。
　　（3）清洗方法更加便捷，清洗周期更长。
　　平板膜生物反应器可通过控制组件底部的曝气系统的曝气量，对膜片表面进行有效的水力冲刷，防止在抽吸过程中污泥在膜表面过度淤积，在运行过程中就对膜表面的污染起到控制作用。而平板膜组件的化学清洗（在线清洗）也更加简单，只需要把调配好的药剂从抽吸口回灌入膜片中，浸泡一段时间即可，不像中空纤维膜组件，需频繁地将膜组件取出进行反冲洗。同时，相对于中空纤维-膜生物反应器，平板膜生物反应器的清洗周期更长，清洗周期可达3 个月以上，且如果工作压力始终处于比较低的状态，甚至可以不清洗。平板膜组件还可以通过物理清洗的方法使膜通量得到恢复，而这对于中空纤维膜几乎是不可能的。
　　MBR系统主要由以下部分组成
　　1．进水井：进水井里设置溢流口和进水闸门，在来水量超过系统负荷或者处理系统发生事故的情况 下，关闭进水闸门，污水直接通过溢流口就近排入河道或者市政管网。
　　2．格栅：    污水中经常含有大量杂物，为了保证MBR系统的正常运行，必须将各种纤维、渣物、废 纸等杂物拦截在系统之外，因此在系统前设置格栅,定期将栅渣清理干净。
　　3．调节池：收集的污水水量和水质都是随着时间变化的，为了保证后续处理系统的正常运行，降低 运行负荷，需要对污水的水量和水质进行调解，因此在进入生物处理系统前设计调节池。调节池内需要定期清理沉淀物。调节池一般设置溢流，在负荷过大的情况下，保证系统 的运行正常。
　　4．MBR反应池：在MBR反应池里进行着有机污染物的降解和泥水的分离。作为处理系统的核心部分，反应池里面包括微生物菌落、膜组件、集水系统、出水系统、曝气系统。
　　5．消毒装置：根据出水的要求，系统设计有消毒装置，可自动控制加药量。
　　6．计量装置：为了能够保证系统运行良好，需要采用一定的计量装置进行系统的参数控制。计量控制仪器包括流量计和水表等。
　　7．电控装置：电控箱安装于设备机房内。主要控制进水泵、风机和抽吸泵。控制有手动控制和自动控制两种形式。进水泵在PLC控制下，根据各反应池水位情况，自动运行。抽吸泵运行按预设时间周期间歇控制，当MBR反应池低水位时，抽吸泵自动停止，以保护膜组器。

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