MBR工艺的组成与分类
膜-生物反应器主要由膜分离组件及生物反应器两部分组成。
通常提到的膜-生物反应器实
际上是三类反应器的总称：
①曝气膜-生物反应器（AerationMembraneBioreactor,
AMBR）;②萃取膜-生物反应器（ExtractiveMembraneBioreactor,EMBR）;③固液分离型膜-生物反应器（Solid/LiquidSeparationMembraneBioreactor,SLSMBR,简
称MBR）。
曝气膜-生物反应器曝气膜-生物反应器最早见于Cote.P等1988年报道，采用透气性致密膜（如硅橡胶膜）或微孔膜（如疏水性聚合膜），以板式或中空纤维式组件，在保持气体分压低于泡点（BubblePoint）情况下，可实现向生物反应器的无泡曝气。
该工艺的特点是提高了接触时间和传氧效率，有利于曝气工艺的控制，不受传统曝气中气泡大小和停留时间的因素的影响。
萃取膜-生物反应器
萃取膜-生物反应器又称为EMBR（ExtractiveMembraneBioreactor）。
因为高酸碱度
或对生物有毒物质的存在，某些工业废水不宜采用与微生物直接接触的方法处理；当废水中含挥发性有毒物质时，若采用传统的好氧生物处理过程，污染物容易随曝气气流挥发，发生气提现象，不仅处理效果很不稳定，还会造成大气污染。
为了解决这些技术难题，英国学者Livingston研究开发了EMB。
废水与活性污泥被膜隔开来，废水在膜内流动，而含某种专性细菌的活性污泥在膜外流动，废水与微生物不直接接触，有机污染物可以选择性透过膜被另一侧的微生物降解。
由于萃取膜两侧的生物反应器单元和废水循环单元是各自独立，各单元水流相互影响不大，生
物反应器中营养物质和微生物生存条件不受废水水质的影响，使水处理效果稳定。
系统的运
行条件如HRT和SRT可分别控制在最优的范围，维持最大的污染物降解速率。
固液分离型膜-生物反应器
固液分离型膜-生物反应器是在水处理领域中研究得最为广泛深入的一类膜-生物反应器，是
一种用膜分离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的水处理技术。
在传统的废水生物处理技术中，泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其分离效率依赖于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分离效率越高。
而污泥的沉降性取决于曝气池的运行状况，改善污泥沉降性必须严格控制曝气池的操作条件，这限制了该方法的适用范围。
由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维持较高浓度，一般在1.5~3.5g/L左右，从而限制了生化反应速率。
水力停留时间（HRT）与污泥龄（SRT）相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾。
系统在运行过程中还产生了大量的剩余污泥，其处置费用占污水处理厂运行费用的25%〜40%。
传统活性污泥处理系统还容易出现污泥
膨胀现象，出水中含有悬浮固体，出水水质恶化。
针对上述问题，MBR将分离工程中的
膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合，大大提高了固液分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌（特别是优势菌群）的出现，提高了生化反应速率。
同时，通过降低F/M比减少剩余污泥产生量（甚至为零），从而基本解决了传统活性污泥法存在的许多突出问题。
根据膜组件和生物反应器的组合方式，又可将膜-生物反应器分为分置式、一体式以及复合式三种基本类型。
以下讨论的均为固液分离型膜-生物反应器。
分置式膜-生物反应器
分置式膜-生物反应器把膜组件和生物反应器分开设置，如图所示。
生物反应器中的混合液经循环泵增压后打至膜组件的过滤端，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统处理水；固形物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。
分置式膜-生物反应器的特点是运行稳定可靠，易于膜的清洗、更换及增设；而且膜通量普遍较大。
但一般条件下为减少污染物在膜表面的沉积，延长膜的清洗周期，需要用循环泵
提供较高的膜面错流流速，水流循环量大、动力费用高（Yamamoto,1989），并且泵的高
速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体产生失活现象（BrockmannandSeyfried,1997）。
一体式膜-生物反应器
一体式膜-生物反应器是把膜组件置于生物反应器内部，如图所示。
进水进入膜-生物反应器，
其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在外压作用下由膜过滤出水。
这种形式的膜-生物反应器由于省去了混合液循环系统，并且靠抽吸出水，能耗相对较低；占地较分置式更为紧凑，近年来在水处理领域受到了特别关注。
但是一般膜通量相对较低，容易发生膜污染，膜污染后不容易清洗和更换。
复合式膜-生物反应器
复合式膜-生物反应器在形式上也属于一体式膜-生物反应器，所不同的是在生物反应器内加
装填料，从而形成复合式膜-生物反应器，改变了反应器的某些性状，如图所示：
MBR工艺的特点
与许多传统的生物水处理工艺相比，MBR具有以下主要特点：
1出水水质优质稳定
由于膜的高效分离作用，分离效果远好于传统沉淀池，处理出水极其清澈，悬浮物和浊度接近于零，细菌和病毒被大幅去除，出水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准（CJ25.1-89），可以直接作为非饮用市政杂用水进行回用。
同时，膜分离也使微生物被完全被截流在生物反应器内，使得系统内能够维持较高的微生物浓度，不但提高了反应装置对污染物的整体去除效率，保证了良好的出水水质，同时反应器对进水负荷（水质及水量）的各种变化具有很好的适应性，耐冲击负荷，能够稳定获得优质的出水水质。
2剩余污泥产量少
该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低（理论上可以实现零污泥排放），降低了污泥处理费用。
3占地面积小，不受设置场合限制
生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积大大节省；该工艺流程简单、结构紧凑、占地面积省，不受设置场所限制，适合于任何场合，可做成地面式、半地下式和地下式。
4可去除氨氮及难降解有机物
由于微生物被完全截流在生物反应器内，从而有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留生长，系统硝化效率得以提高。
同时，可增长一些难降解的有机物在系统中的水力停留时间，有利于难降解有机物降解效率的提高。
5操作管理方便，易于实现自动控制
该工艺实现了水力停留时间（HRT）与污泥停留时间（SRT）的完全分离，运行控制更加灵活稳定，是污水处理中容易实现装备化的新技术，可实现微机自动控制，从而使操作管理更为方便。
6易于从传统工艺进行改造
该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元，在城市二级污水处理厂出水深度处理（从而实现城市污水的大量回用）等领域有着广阔的应用前景。
7膜-生物反应器的不足
膜-生物反应器也存在一些不足。
主要表现在以下几个方面：
1膜造价高，使膜-生物反应器的基建投资高于传统污水处理工艺；
2
MBR池
膜污染容易出现，给操作管理带来不便；
3能耗高：
首先MBR泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，其次是中MLSS浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度，还有为了加大膜通量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成MBR的能耗要比传统的生物处理工艺高。
影响MBR应用的关键因素研究由于膜通量的提高、膜寿命的延长会大幅度降低MBR的运行费用，因此，在保证出水水质的前提下，膜通量应尽可能大，这样可减少膜的使用面积，降低基建费用与运行费用。
因此控制膜污染，保持较高的膜通量，是MBR研究的重要内容。
而膜通量与膜材料、操作方式、水力条件等因素密切相关。
膜的选择
现有膜可分为有机膜和无机膜两种。
（1）高分子有机膜材料：
聚烯烃类、聚乙烯类、聚丙烯腈、聚砜类、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。
有机膜成本相对较低，造价便宜，膜的制造工艺较为成熟，膜孔径和形式也较为多样，应用广泛，但运行过程易污染、强度低、使用寿命短。
（2）无机膜：
是固态膜的一种，是由无机材料，如金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料等制成的半透膜。
目前在MBR中使用的无机膜多为陶瓷膜，优点是：
它可以在pH=0~14、压力
P<10MPa、温度<350C的环境中使用，其通量高、能耗相对较低，在高浓度工业废水
处理中具有很大竞争力；缺点是：
造价昂贵、不耐碱、弹性小、膜的加工制备有一定困难。
由于较高的投资成本限制了无机膜生物反应器在我国的广泛应用，国内MBR系统普
遍采用有机膜。
常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。
分离式MBR通常采用超滤膜组件，截留分子量一般在2〜30万。
截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜通量未必越大。
张洪宇进行无机膜的通量衰减试验表明：
孔径0.2^m的膜比0.8^m的膜更适合于MBR。
何义亮用PES平板膜组件进行膜通量衰减规律的研究发现：
在该试验条件下，膜初始通量衰减主要是由于浓差极化引起，膜截留分子量愈小，通量衰减率愈大；膜长期运行的通量衰减主要是由于膜污染引起，膜截留分子量愈大，通量衰减幅度愈大，化学清洗恢复率愈低。
对于淹没式MBR，既可用超滤膜，也可使用微滤膜。
由于膜表面的凝胶层也起到了过滤作用，在处理生活污水时，微滤膜与超滤膜的出水水质没有明显差别，因此淹没式MBR多采用o.i〜0.4^m微滤膜。
为了便于工业化生产和安装，提高膜的工作效率，在单位体积内实现最大的膜面积，通常将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，在一定的驱动力下，完成混合液中各组分的分离，这类装置称为膜组件（Module）。
工业上常用的膜组件形式有五种：
板框式（PlateandFrameModule）、螺旋卷式（SpiralWoundModule）、圆管式（TubularModule）、中空纤维式（HollowFiberModule）和毛细管式（CapillaryModule）。
前两种使用平板膜，后三者使用管式膜。
圆管式膜直径>10mm;毛细管式－0.5~10.0mm；中空纤维式<0.5mm>。
操作方式的优化
当膜材料选定后，其物化性质也就基本确定了，操作方式就成为影响膜污染的主要因素。
为了减缓膜污染，反冲洗是维持分离式MBR稳定运行的重要操作，樊耀波通过确定最佳反冲洗周期，使分离式MBR的膜通量达到60L/（m2?
h）。
针对抽吸淹没式MBR，山本提出间歇式抽吸方式可有效减缓膜污染。
桂萍通过研究进一步指出：
缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染，抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量其次。
不仅污泥浓度、混合液粘度等影响膜通量，混合液本身的过滤性能，如活性污泥性状，生物相也影响膜通量的衰减。
有研究表明：
粉末活性炭与絮凝剂的加入有助于改善泥水分离性能，形成体积更大、粘性更小的污泥絮体，减少了膜堵塞的机会。
但絮凝剂的过量加入会使污泥活性受到抑制，影响反应器的处理能力和处理效果。
水力学特性的改善
改善膜面附近料液的流体力学条件，如提高流体的膜面流速，减少浓差极化，使被截留的溶质及时被带走，能有效降低膜的污染，保持较高的膜通量。
黄霞、何义亮分别采用PAN平
板式超滤膜、PAN/PS管式膜组件考察不同膜面循环流速下污泥浓度对膜通量的影响，发现MLSS对膜通量的影响程度与膜面循环流速有关。
大量试验表明：
污泥过膜流态为层流，远比紊流时易于堵塞，因此从理论上确定不同污泥浓度下紊流发生的最小膜面流速（Vmin）
有重要意义。
邢传宏、彭跃莲研究均发现：
最小膜面流速与污泥浓度之间呈良好的线性关系。
但他们对临界膜面流速的计算值可能偏高，因为污泥沿流道流动的过程中，水同时透过膜流出，增加了流体在垂直方向的紊动，从而在一定程度上降低了下临界雷诺数（Rek）。
何义亮的发现证实了这一推论，平板膜组件由紊流到层流的Rek为1083，外压管式膜组件的Rek
为966，均小于一般牛顿流体的下临界雷诺数2000。
分离式MBR中，一般采用错流过滤的方式，这有助于防止膜面沉积污染。
对于一体式
MBR，设计合理的流道结构，提高膜间液体上升流速，使较大的曝气量起到冲刷膜表面的错流过滤效果显得尤为重要。
刘锐通过均匀设计试验，得到适合活性污泥流体的膜间液体上升模型，提出反应器结构对液体上升流速的影响：
在同样的曝气强度下，反应器越高，上升流通道越窄，下降流通道与底部通道越宽，则越能获得较大的膜间错流流速。
能耗
能耗是污水处理工艺的一个重要的评价指标，直接关系到处理方法的可行性。
目前，常规分离式MBR运行能耗为3〜4kW?
h/m3，淹没式MBR运行能耗为0.6〜2kW?
h/m3，高于活性污泥法的0.3〜0.4kW?
h/m3。
较高的动力费用是MBR推广应用中遇到的主要问题之一。
许多研究结果也表明：
能耗是造成MBR运行费用高的主要原因。
张绍园分析了分离式MBR的能耗组成：
泵的热能损失、曝气能耗、管道阻力能耗、膜组件能耗和回流污泥水头损失能耗，其耗能大小依次为：
膜组件＞泵＞曝气〉管道〉回流污泥，膜组件能耗占总能耗的40%〜50%，其中80%用于膜过滤的能量以热能的方式散发。
顾平对抽吸淹没式MBR的能耗分析表明：
曝气的能耗占总能耗的96%以上。
通常研究者都认为能耗的降低与膜污染的控制是MBR研究领域两个独立的课题，而张绍园、郑祥采用穿流式、错流式膜组件进行分离式MBR研究发现：
能耗随运行时间的延长、膜污染的增加呈上升趋势，从运行初期的不足0.5kW?
h/m3增加到3kW?
h/m3。
这说
明：
分离式膜生物反应器的能耗问题实质是膜污染问题。
在实际工程中，由于系统各部件的不匹配（如风机、水泵的实际处理能力高于MBR系统所需）也造成实际运行能耗高于理论能
耗值。
为了进一步降低能耗，顾平应用位差驱动出水和低水头间断工作的重力淹没式MBR，
较好地克服了膜的污染与阻塞，使膜长时间保持较大的膜通量，并且省去复杂的气水反冲洗设备和降低曝气量，使MBR处理生活污水的能耗可下降到1.0kW?
h/m3，该型MBR在实际工程中能耗已降到0.6〜0.8kW?
h/m3。
MBR的应用领域
进入90年代中后期，膜-生物反应器在国外已进入了实际应用阶段。
加拿大Zenon公司首
先推出了超滤管式膜-生物反应器，并将其应用于城市污水处理。
为了节约能耗，该公司又开发了浸入式中空纤维膜组件，其开发出的膜-生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃
及等十多个地方，规模从380m3/d至7600m3/d。
日本三菱人造丝公司也是世界上浸入式中空纤维膜的知名提供商，其在MBR的应用方面也积累了多年的经验，在日本以及
其他国家建有多项实际MBR工程。
日本Kubota公司是另一个在膜-生物反应器实际应用
中具有竞争力的公司，它所生产的板式膜具有流通量大、耐污染和工艺简单等特点。
国内一些研究者及企业也在MBR实用化方面进行着尝试。
1城市污水处理及建筑中水回用
1967年第一个采用MBR工艺的废水处理厂由美国的Dorr-Oliver公司建成，这个处理厂处理14m3/d废水。
1977年，一套污水回用系统在日本的一幢高层建筑中得到实际应用。
1980年，日本建成了两座处理能力分别为10m3/d和50m3/d的MBR处
理厂。
90年代中期，日本就有39座这样的厂在运行，最大处理能力可达500m3/d，
并且有100多处的高楼采用MBR将污水处理后回用于中水道。
1997年，英国Wessex公司在英国Porlock建立了当时世界上最大的MBR系统，日处理量达2000m3，1999年又在Dorset的Swanage建成了13000m3/d的MBR工厂。
1998年5月，清华大学进行的一体式膜-生物反应器中试系统通过了国家鉴定。
2000年初，清华大学在北京市海淀乡医院建起了一套实用的MBR系统，用以处理医院废水，该工程于2000年6月建成并投入使用，目前运转正常。
2000年9月，天津大学杨造燕教授及其领导的科研小组在天津新技术产业园区普辰大厦建成了一个MBR示范工程，该系统日处理污水25吨，处理后的污水全部用于卫生间的冲洗及绿地浇洒，占地面积为10平方米，处理每吨污水的能耗为0.7kW?
h。
2工业废水处理
90年代以来，MBR的处理对象不断拓宽，除中水回用、粪便污水处理以外，MBR在工业废水处理中的应用也得到了广泛关注，如处理食品工业废水、水产加工废水、养殖废水、化妆品生产废水、染料废水、石油化工废水，均获得了良好的处理效果。
90年代初，美国在Ohio建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业废水的MBR系统，处理规模为151m3/d，该系统的有机负荷达6.3kgCOD/m3?
d，COD去除率为94%，绝大部分的油与油脂被降解。
在荷兰，一脂肪提取加工厂采用传统的氧化沟污水处理技术处理其生产废水，由于生产规模的扩大，结果导致污泥膨胀，污泥难以分离，最后采用Zenon的膜组件代替沉淀池，运行效果良好。
3微污染饮用水净化
随着氮肥与杀虫剂在农业中的广泛应用，饮用水也不同程度受到污染。
LyonnaisedesEaux公司在90年代中期开发出同时具有生物脱氮、吸附杀虫剂、去除浊
度功能的MBR工艺，1995年该公司在法国的Douchy建成了日产饮用水400m3的工厂。
出水中氮浓度低于O.lmgNO2/L，杀虫剂浓度低于0.02卩g/L。
4粪便污水处理
粪便污水中有机物含量很高，传统的反硝化处理方法要求有很高污泥浓度，固液分离不稳定，影响了三级处理效果。
MBR的出现很好地解决了这一问题，并且使粪便污水不经稀释而直接处理成为可能。
日本已开发出被称之为NS系统的屎尿处理技术，最核心部分是平板膜装置与好氧高浓度活性污泥生物反应器组合的系统。
NS系统于1985年在日本琦玉县越谷市建成，生产规模为10kL/d，1989年又先后在长崎县、熊本县建成新的屎尿处理设施。
NS系统
中的平板膜每组约0.4m2共几十组并列安装，做成能自动打开的框架装置，并能自动冲洗。
膜材料为截流分子量20000的聚砜超滤膜。
反应器内污泥浓度保持在15000~18000mg/L范围内。
到1994年，日本已有1200多套MBR系统用于处理4000多万人的粪便污水。
5土地填埋场/堆肥渗滤液处理
土地填埋场/堆肥渗滤液含有高浓度的污染物，其水质和水量随气候条件与操作运行条件的变化而变化。
MBR技术在1994年前就被多家污水处理厂用于该种污水的处理。
通过MBR与RO技术的结合，不仅能去除SS、有机物和氮，而且能有效去除盐类与重金属。
最近美国Envirogen公司开发出一种MBR用于土地填埋场渗滤液的处理，并在新泽西建成一个日处理能力为40万加仑（约1500m3/d）的装置，在2000年底投入运行。
该种MBR使用一种自然存在的混合菌来分解渗滤液中的烃和氯代化合物，其处理污染物的浓度为常规废水处理装置的50〜100倍。
能达到这一处理效果的原因是，MBR能
够保留高效细菌并使细菌浓度达到50000g/L。
在现场中试中，进液COD为几百至40000mg/L，污染物的去除率达90%以上。
膜技术在饮用水深度处理中的应用
农业化肥、杀虫剂的大量持续使用，工业废气、废水的超标排放，和人们生活污水的大量增加，导致水源污染日趋严重。
另一方面，随着生命科学、医学的技术进步和人民生活水平的提高，人们对饮用水的品质提出了新的概念和要求，饮用水与人体健康这一话题，引起了各级人民政府和广大群众，比以往任何时间都要关切。
饮水安全、卫生已成为当前消费者的主导潮流。
膜技术是近30年来发展起来的一项高新技术，也是当前促进和保证社会持续发展的关键技术之一，已在能源、电子、化工、医药、食品、汽车、家电、环保等领域，发挥着其独特的重要作用。
1.3X104t/d的海水淡化大型工厂，2.4X104t/d苦咸水电渗析淡化工厂，用膜近万平方米的大型超滤退浆废水处理厂，2400t/d的地表水微孔过滤净化工厂，每年救治几十万人生命的人工肾（透析器）已成为现代的重要医疗手段，膜法制取的矿泉水、纯净水、优质饮用水等已进入千家万户……，这些已充分了
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