【技术前沿】MBR技术的形成、应用范围与发展新趋势

1 关于MBR

膜生物反应器(membrane bioreactor, MBR)集生物反应器的生物降解和膜的高效分离于一体，是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的新型高效污水生物处理工艺。其工作原理是利用反应器的好氧微生物降解污水中的有机污染物，同时利用反应器内的硝化细菌转化污水中的氨氮。最后，通过中空纤维膜进行高效的固液分离出水。

MBR利用膜分离装置将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物有效截留，替代传统活性污泥工艺中的二沉池，使生化反应池中的活性污泥浓度(生物量)大大提高;实现水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)的分别控制，将难降解的大分子有机物截留在反应池中不断反应、降解。系统内活性污泥浓度(MLSS)可提升至10 000 mg/L，污泥龄可延长30 d以上。该工艺不仅有效地达到了泥水分离的目的,而且基本解决了传统的活性污泥法存在的污泥膨胀、污泥浓度低等因素造成的出水水质达不到中水回用要求的问题。

2 MBR技术形成的历史沿革及其功能分类

在发展过程中，第一代MBR为分置式流程(20世纪60~80年代)。第一代MBR使用板式超滤膜(聚丙烯晴)和管式超滤膜(有机及无机)，由于膜成本高，运行费用大且应用受到限制。

第二代MBR为采用一体化浸没式流程(20世纪80年代末以后)。浸没式MBR的特点是：浸没放置，低压(抽吸或重力)出水，气液两相流扰动，间歇运行，稳定运行时间长，运行能耗低。浸没MBR的型式包括内浸没(与好氧反应器一体)和外浸没(与好氧反应器分置)。

MBR的基本结构包括四个环节，即进水系统、生物反应池、膜组件、自控系统。由于各个环节的多样性，MBR有着不同的分类。从整体上来讲，膜生物反应器分类有以下几种。

膜分离生物反应器，用于污水处理中的固液分离。

膜曝气生物反应器，膜被用于气体质量传递，通常是为好氧工艺供氧，可以实现生物反应器的无泡曝气，大大提高反应器的传氧效率。

萃取膜生物反应器，用于工业中优先污染物的处理，选择性透过膜被用于萃取特定的污染物。

按照膜组件的放置方式可分为分体式和一体式膜生物反应器。

分体式膜生物反应器把生物反应器与膜组件分开放置，膜生物反应器的混合液经增压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的液体透过膜得到系统出水，活性污泥则被截留，并随浓缩液回流到生物反应器内。

一体式系统则直接将膜组件置于反应器内，通过抽吸得到过滤液，膜表面清洗所需的错流由空气搅动产生，设置在膜的正下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，以减少膜的污染。一体式膜生物反应器工艺是污水生物处理技术与膜分离技术的有机结合。

3 目前MBR的利好亮点

MBR由于采用了膜分离技术与生物反应器相结合的方式，有机物的最终去除仍然是微生物细胞的新陈代谢作用，只是膜高效的固液分离作用强化了这种生物处理作用，因此MBR具有许多其他生物处理工艺无法比拟的明显优势，体现在如下几点：

(1) 能够高效地进行固液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，出水水质良好，出水悬浮物和浊度接近于零，可以直接回用，实现了污水资源化。

(2) 膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器HRT和污泥龄的完全分离，使得运行更加灵活稳定。

(3) 反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷。

(4) 膜生物反应器有利于增殖缓慢的微生物的截留、生长和繁殖，使硝化效率得以提高。通过运行方式的改变也可以具有脱氮和除磷的功能。

(5) 污泥龄可随意控制。膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效果。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄的条件下运行，可以实现基本无剩余污泥的排放。

6) 系统由可编程序控制器(PLC)控制，可以实现全程自动化控制。

4 MBR的应用范围

4.1 在好氧工艺方面

在生活污水方面，主要涉及城市污水、楼宇污水、公厕污水、污水厂升级改造以及其他有回用要求的污水处理场合。有关MBR对生活污水的处理特性一直是研究的重点，其工艺形式多采用好氧MBR。在欧美日等国，其研究的目的在于一方面改造污水处理厂，使其达到深度处理的要求;另一方面，用于废水处理使其达到回用的目的。目前在北美，MBR处理生活污水的应用主要是流量在10~200 m3/d的小型处理装置。

MBR作为一种强化的生物处理工艺，在工业废水的处理中主要包括制药废水、化工废水、食品污水等高浓度、难降解有机废水的处理。目前好氧MBR工艺已经成功应用于下列行业的工业污水处理：包括医药、纺织、化妆品、食品、造纸与纸浆、饮料、炼油工业与化工厂，在欧洲垃圾填埋场渗滤液的好氧MBR处理厂也正在兴建。

4.2 在厌氧工艺方面

厌氧生物法以其能耗低、可回收利用沼气能源、负荷高、产泥少等诸多优点成为了处理高浓度有机废水的首选方法。但由于厌氧微生物的生长速率比好氧微生物的生长速率小得多，污泥流失对厌氧生物法造成的不利影响远大于对好氧生物法的影响，因此如何减少污泥流失就成为了厌氧生物法所必须面临的一个重要问题，同时也是新型厌氧生物反应器开发的一个主要出发点。

将膜分离与厌氧生物处理相结合组成的厌氧膜生物法，一方面可以完全避免厌氧污泥的流失，使反应器内有充足的厌氧微生物，保证处理效果的稳定性;另一方面膜自身良好的截留作用还可以进一步改善厌氧出水的水质，提高处理效果。除此之外，膜分离作用还体现在对厌氧反应器的构造和处理效果有特殊的强化作用。而对于两相厌氧MBR，膜分离作用可以使产酸反应器中的产酸细菌浓度增加，提高水解发酵的能力，同时膜将大分子有机物截留在产酸反应器中使之水解发酵，因此可以使系统保持较高的酸化率。

4.3在有机废水处理脱氮方面

由于膜可以有效截留细菌，避免污泥的流失，因此可以使生长缓慢的硝化细菌在最短的时间里获得最大的增殖，并且维持较高的浓度，为氨氮的顺利硝化提供必要的保证。另外，MBR中过高的污泥浓度易于使污泥絮体形成表面好氧、内部缺氧的状态，可以在同一反应器中实现硝化和反硝化。

有关MBR脱氮，目前多数是建立在传统的硝化和反硝化机理上的两级或单级脱氮工艺，但也有一些新的脱氮理念融入到MBR系统中。建立在传统硝化和反硝化的两级MBR脱氮工艺对TN的去除率多数为60%~80%。间歇曝气MBR脱氮工艺对TN的去除率大于80%，说明改进型脱氮工艺的效果更好。某些单一的好氧硝化过程同时可实现反硝化作用，对TN的去除率为46%~60%，说明MBR工艺具有一定程度同时硝化反硝化作用。各种处理系统中氮的负荷都比较低。

5 MBR的发展新趋势

从MBR日益广泛的应用状况来看，今后MBR的发展新趋势主要表现在如下几个方面。

⑴进行新型膜组件集装式、密集式模块化的优化设计;

⑵研究新的制膜方法，研制性能优越的膜材料;

⑶研制新型的MBR，并找到适宜MBR能长期稳定运行的工艺条件。

随着膜技术的产业化及膜在各行各业应用的扩大，今后MBR应用可能获得迅速发展的重点领域和方向如下几个方面。

⑴应用于高浓度、有毒、难降解工业污水的处理。如高浓度有机废水是一种较普遍的污染源，全国造纸、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行业每年高浓度有机污水的排放量很大，这类污水采用常规活性污泥法处理尽管有一定作用，但是出水水质难以达到排放标准的要求。而MBR在技术上的优势，决定了它可以对常规方法难以处理的污水进行有效的处理，并且出水可以回用。

⑵更新升级现有的城市污水处理厂，特别要针对出水难以达标或处理流量剧增而占地面积无法扩大的情况。

⑶应用于有污水回用需求的地区和场所，如洗车业、宾馆、流动公厕等充分发挥膜生物反应器占地面积小、设备紧凑、自动控制、灵活方便的特点。

⑷应用于垃圾填埋渗滤液的处理及回用。

⑸应用于在小规模的污水处理厂的应用，这由膜的价格所决定。

⑹应用于无排水管网系统的地区，如小居民点、度假区、旅游风景区等。

(7) 应用于现有自来水厂饮用水水源中微量污染物去除的应用。

总而言之，MBR原理大大提升了传统活性污泥处理工艺的功能，在水处理多个领域中的应用同样也受到了广泛的关注。在21世纪的创新要求时代，被誉为全球范围内最有发展前途的水处理新技术之一，当之无愧。