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MBR工藝的發(fā)明者是來(lái)自于挪威理工大學(xué)的Hallvard degaard 教授。Hallvard degaard 教授在水處理方面的專長(zhǎng)包括了生物膜工藝、消毒工藝、飲用水中的腐殖質(zhì)的去除和污水中的營(yíng)養(yǎng)物的去除等。
隨著這幾年膜技術(shù)的火熱，MBR一體化等技術(shù)也日漸成熟。本期膜技術(shù)專欄小7帶您詳解MBR水處理技術(shù)的方方面面。膜生物反應(yīng)器( Membrance Bioreactor Reactor，簡(jiǎn)稱MBR)是膜分離與生物處理技術(shù)組合而成的廢水生物處理新工藝, 與傳統(tǒng)的生化處理技術(shù)相比，MBR具有以下主要特點(diǎn)：處理效率高、出水水質(zhì)好；設(shè)備緊湊、占地面積小；易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單。近兩年來(lái)，膜生物反應(yīng)器在我國(guó)國(guó)內(nèi)已進(jìn)入了實(shí)用化階段。 MBR系統(tǒng)的處理對(duì)象從生活污水?dāng)U展到高濃度有機(jī)廢水和難降解工業(yè)廢水，如制藥廢水、化工廢水、食品廢水、屠宰廢水、煙草廢水、豆制品廢水、糞便污水、黃泔污水等。從目前的趨勢(shì)看，中水回用將是MBR在我國(guó)推廣應(yīng)用的主要方向。MBR對(duì)生活污水、高濃度有機(jī)廢水與難降解工業(yè)廢水的處理效果良好。膜-生物反應(yīng)器主要由膜分離組件及生物反應(yīng)器兩部分組成。通常提到的膜 - 生物反應(yīng)器實(shí)際上是三類反應(yīng)器的總稱： ①曝氣膜 - 生物反應(yīng)器 (Aeration Membrane Bioreactor, AMBR) ；②萃取膜 - 生物反應(yīng)器（ Extractive Membrane Bioreactor, EMBR ）； ③固液分離型膜 - 生物反應(yīng)器（ Solid/Liquid Separation MembraneBioreactor, SLSMBR, 簡(jiǎn)稱 MBR ）。曝氣膜-生物反應(yīng)器最早見(jiàn)于 Cote.P 等1988年報(bào)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(xiàn)向生物反應(yīng)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(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時(shí)間的因素的影響。萃取膜-生物反應(yīng)器又稱為 EMBR （ ExtractiveMembrane Bioreactor ）。因?yàn)楦咚釅A度或?qū)ι镉卸疚镔|(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(dāng)廢水中含揮發(fā)性有毒物質(zhì)時(shí)，若采用傳統(tǒng)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(xiàn)象，不僅處理效果很不穩(wěn)定，還會(huì)造成大氣污染。為了解決這些技術(shù)難題，英國(guó)學(xué)者 Livingston 研究開發(fā)了 EMB 。
廢水與活性污泥被膜隔開來(lái)，廢水在膜內(nèi)流動(dòng)，而含某種專性細(xì)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(jī)污染物可以選擇性透過(guò)膜被另一側(cè)的微生物降解。由于萃取膜兩側(cè)的生物反應(yīng)器單元和廢水循環(huán)單元是各自獨(dú)立，各單元水流相互影響不大，生物反應(yīng)器中營(yíng)養(yǎng)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(wěn)定。系統(tǒng)的運(yùn)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-生物反應(yīng)器是在水處理領(lǐng)域中研究得最為廣泛深入的一類膜-生物反應(yīng)器，是一種用膜分離過(guò)程取代傳統(tǒng)活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術(shù)。在傳統(tǒng)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(yùn)行狀況，改善污泥沉降性必須嚴(yán)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(yīng)速率。水力停留時(shí)間（HRT ）與污泥齡（SRT ）相互依賴，提高容積負(fù)荷與降低污泥負(fù)荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的25% ～40% 。傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)還容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，出水中含有懸浮固體，出水水質(zhì)惡化。針對(duì)上述問(wèn)題， MBR 將分離工程中的膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)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(shì)菌群 ) 的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率。同時(shí)，通過(guò)降低 F/M 比減少剩余污泥產(chǎn)生量（甚至為零），從而基本解決了傳統(tǒng)活性污泥法存在的許多突出問(wèn)題。 根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合方式，又可將膜 - 生物反應(yīng)器分為分置式、一體式以及復(fù)合式三種基本類型。以下討論的均為固液分離型膜 - 生物反應(yīng)器。分置式膜-生物反應(yīng)器把膜組件和生物反應(yīng)器分開設(shè)置，如圖所示。生物反應(yīng)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(tǒng)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(yīng)器內(nèi)。分置式膜 - 生物反應(yīng)器的特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定可靠，易于膜的清洗、更換及增設(shè)；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(zhǎng)膜的清洗周期，需要用循環(huán)泵提供較高的膜面錯(cuò)流流速，水流循環(huán)量大、動(dòng)力費(fèi)用高 (Yamamoto,1989) ，并且泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力會(huì)使某些微生物菌體產(chǎn)生失活現(xiàn)象 ( Brockmann andSeyfried, 1997 ) 。一體式膜-生物反應(yīng)器是把膜組件置于生物反應(yīng)器內(nèi)部，如圖所示。進(jìn)水進(jìn)入膜-生物反應(yīng)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(yīng)器由于省去了混合液循環(huán)系統(tǒng)，并且靠抽吸出水，能耗相對(duì)較低；占地較分置式更為緊湊，近年來(lái)在水處理領(lǐng)域受到了特別關(guān)注。但是一般膜通量相對(duì)較低，容易發(fā)生膜污染，膜污染后不容易清洗和更換。
復(fù)合式膜-生物反應(yīng)器在形式上也屬于一體式膜-生物反應(yīng)器，所不同的是在生物反應(yīng)器內(nèi)加裝填料，從而形成復(fù)合式膜-生物反應(yīng)器，改變了反應(yīng)器的某些性狀，在復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中安裝填料的目的有兩個(gè)：一是提高處理系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷，保證系統(tǒng)的處理效果。二是降低反應(yīng)器中懸浮性活性污泥濃度，減小膜污染的程度.保證較高的膜通量。與許多傳統(tǒng)的生物水處理工藝相比， MBR 具有以下主要特點(diǎn)： 出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定 由于膜的高效分離作用，分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)沉淀池，處理出水極其清澈，懸浮物和濁度接近于零，細(xì)菌和病毒被大幅去除，出水水質(zhì)優(yōu)于建設(shè)部頒發(fā)的生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（ 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(yīng)器內(nèi)，使得系統(tǒng)內(nèi)能夠維持較高的微生物濃度，不但提高了反應(yīng)裝置對(duì)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(yīng)器對(duì)進(jìn)水負(fù)荷（水質(zhì)及水量）的各種變化具有很好的適應(yīng)性，耐沖擊負(fù)荷，能夠穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)。 該工藝可以在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷下運(yùn)行，剩余污泥產(chǎn)量低（理論上可以實(shí)現(xiàn)零污泥排放），降低了污泥處理費(fèi)用。 占地面積小，不受設(shè)置場(chǎng)合限制生物反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負(fù)荷高，占地面積大大節(jié)??；該工藝流程簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積省，不受設(shè)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。 由于微生物被完全截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，從而有利于增殖緩慢的微生物如硝化細(xì)菌的截留生長(zhǎng)，系統(tǒng)硝化效率得以提高。同時(shí)，可增長(zhǎng)一些難降解的有機(jī)物在系統(tǒng)中的水力停留時(shí)間，有利于難降解有機(jī)物降解效率的提高。 操作管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 該工藝實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間（ HRT ）與污泥停留時(shí)間（ SRT ）的完全分離，運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中容易實(shí)現(xiàn)裝備化的新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)控制，從而使操作管理更為方便。 該工藝可以作為傳統(tǒng)污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級(jí)污水處理廠出水深度處理（從而實(shí)現(xiàn)城市污水的大量回用）等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。膜-生物反應(yīng)器也存在一些不足。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1膜造價(jià)高，使膜 - 生物反應(yīng)器的基建投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝；2 膜污染容易出現(xiàn)，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(qū)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(qiáng)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(tǒng)的生物處理工藝高。 由于膜通量的提高、膜壽命的延長(zhǎng)會(huì)大幅度降低MBR的運(yùn)行費(fèi)用，因此，在保證出水水質(zhì)的前提下，膜通量應(yīng)盡可能大，這樣可減少膜的使用面積，降低基建費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用。因此控制膜污染，保持較高的膜通量，是MBR研究的重要內(nèi)容。而膜通量與膜材料、操作方式、水力條件等因素密切相關(guān)。能耗是污水處理工藝的一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，直接關(guān)系到處理方法的可行性。目前，常規(guī)分離式MBR運(yùn)行能耗為3～4 kW·h/m3，淹沒(méi)式MBR運(yùn)行能耗為0.6～2 kW·h/m3，高于活性污泥法的0.3～0.4 kW·h/m3。較高的動(dòng)力費(fèi)用是MBR推廣應(yīng)用中遇到的主要問(wèn)題之一。許多研究結(jié)果也表明：能耗是造成MBR運(yùn)行費(fèi)用高的主要原因。分離式MBR的能耗組成：泵的熱能損失、曝氣能耗、管道阻力能耗、膜組件能耗和回流污泥水頭損失能耗，其耗能大小依次為：膜組件＞泵＞曝氣＞管道＞回流污泥，膜組件能耗占總能耗的40%～50%，其中80%用于膜過(guò)濾的能量以熱能的方式散發(fā)。其中曝氣的能耗占總能耗的96%以上。1967 年第一個(gè)采用 MBR 工藝的廢水處理廠由美國(guó)的 Dorr-Oliver 公司建成，這個(gè)處理廠處理 14m 3 /d 廢水。 1977 年，一套污水回用系統(tǒng)在日本的一幢高層建筑中得到實(shí)際應(yīng)用。1980 年，日本建成了兩座處理能力分別為 10m 3 /d 和 50m 3 /d 的 MBR 處理廠。 90 年代中期，日本就有 39 座這樣的廠在運(yùn)行，最大處理能力可達(dá) 500m 3 /d ，并且有 100 多處的高樓采用 MBR 將污水處理后回用于中水道。 1997 年，英國(guó) Wessex 公司在英國(guó) Porlock 建立了當(dāng)時(shí)世界上最大的 MBR 系統(tǒng)，日處理量達(dá) 2 000 m 3 ， 1999 年又在 Dorset 的 Swanage 建成了13000m 3 /d 的 MBR 工廠 。1998 年 5 月，清華大學(xué)進(jìn)行的一體式膜 - 生物反應(yīng)器中試系統(tǒng)通過(guò)了國(guó)家鑒定。 2000 年初，清華大學(xué)在北京市海淀鄉(xiāng)醫(yī)院建起了一套實(shí)用的 MBR 系統(tǒng)，用以處理醫(yī)院廢水，該工程于 2000 年 6 月建成并投入使用，目前運(yùn)轉(zhuǎn)正常。 2000 年 9 月，天津大學(xué)楊造燕教授及其領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在天津新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)普辰大廈建成了一個(gè) MBR 示范工程，該系統(tǒng)日處理污水 25 噸，處理后的污水全部用于衛(wèi)生間的沖洗及綠地澆灑，占地面積為 10 平方米，處理每噸污水的能耗為 0.7kW · h 。90 年代以來(lái)， MBR 的處理對(duì)象不斷拓寬，除中水回用、糞便污水處理以外，MBR 在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用也得到了廣泛關(guān)注，如處理食品工業(yè)廢水、水產(chǎn)加工廢水、養(yǎng)殖廢水、化妝品生產(chǎn)廢水、染料廢水、石油化工廢水，均獲得了良好的處理效果。 90 年代初，美國(guó)在 Ohio 建造了一套用于處理某汽車制造廠的工業(yè)廢水的 MBR 系統(tǒng)，處理規(guī)模為 151m 3 /d ，該系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷達(dá) 6.3kgCOD/m 3 ·d ， COD 去除率為 94% ，絕大部分的油與油脂被降解。在荷蘭，一脂肪提取加工廠采用傳統(tǒng)的氧化溝污水處理技術(shù)處理其生產(chǎn)廢水，由于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，結(jié)果導(dǎo)致污泥膨脹，污泥難以分離，最后采用 Zenon 的膜組件代替沉淀池，運(yùn)行效果良好。隨著氮肥與殺蟲劑在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，飲用水也不同程度受到污染。LyonnaisedesEaux 公司在 90 年代中期開發(fā)出同時(shí)具有生物脫氮、吸附殺蟲劑、去除濁度功能的 MBR 工藝， 1995 年該公司在法國(guó)的Douchy建成了日產(chǎn)飲用水 400m3的工廠。出水中氮濃度低于0.1mgNO2/L ，殺蟲劑濃度低于 0.02μg/L 。 土地填埋場(chǎng) / 堆肥滲濾液含有高濃度的污染物，其水質(zhì)和水量隨氣候條件與操作運(yùn)行條件的變化而變化。 MBR 技術(shù)在 1994 年前就被多家污水處理廠用于該種污水的處理。通過(guò) MBR 與 RO 技術(shù)的結(jié)合，不僅能去除 SS 、有機(jī)物和氮，而且能有效去除鹽類與重金屬。美國(guó) Envirogen 公司開發(fā)出一種 MBR 用于土地填埋場(chǎng)滲濾液的處理，并在新澤西建成一個(gè)日處理能力為40 萬(wàn)加侖 ( 約 1500m 3 /d) 的裝置，在 2000 年底投入運(yùn)行。該種 MBR 使用一種自然存在的混合菌來(lái)分解滲濾液中的烴和氯代化合物，其處理污染物的濃度為常規(guī)廢水處理裝置的 50 ～100 倍。能達(dá)到這一處理效果的原因是，MBR 能夠保留高效細(xì)菌并使細(xì)菌濃度達(dá)到50000g/L 。在現(xiàn)場(chǎng)中試中，進(jìn)液COD 為幾百至40000mg/L ，污染物的去除率達(dá) 90% 以上。MBR工藝技術(shù)涵蓋內(nèi)容十分廣泛，我們希望更多的專業(yè)人士加入進(jìn)來(lái)，匯聚更為專業(yè)詳盡的資料，為三十萬(wàn)七友帶來(lái)更優(yōu)質(zhì)更專業(yè)的膜技術(shù)內(nèi)容。 文中數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確在所難免，還望各位七友多多指正，小七一定會(huì)積極改正的。
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