MBR膜生物反应器

MBR膜生物反应器
一、MBR技术简介
膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor,MBR）为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。

以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。

主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子有机物。

膜生物反应器系统内活性污泥（MLSS）浓度可提升至8000~10000mg/L，甚至更高；污泥龄(SRT)可延长至30天以上。

膜生物反应器因其有效的截留作用，可保留世代周期较长的微生物，可实现对污水深度净化，同时硝化菌在系统内能充分繁殖，其硝化效果明显，对深度除磷脱氮提供可能。

1.MBR 的技术原理
MBR 工艺一般由膜分离组件和生物反应器组成, 由膜组件代替二次沉淀池进行固液分离。

由于膜能将全部的生物量截留在反应器内, 可以获得长泥龄和高悬浮固体浓度,有利于生长缓慢的固氮菌和硝化菌的增殖,不需进行延时曝气就能实现同步硝化和反硝化, 从而强化了活性污泥的硝化能力, 膜分离还能维持较低的FöM , 使剩余污泥产率远小于活性污泥工艺, 且系统运行更加灵活和稳定。

2. MBR 工艺中膜选择的技术要点
MBR 从膜分离的角度主要涉及微滤、超滤、纳滤及反渗透。

由于无机膜的成本相对较高, 目前几乎所有的膜技术都依赖于有机的高分子化合物。

应用于MBR 的膜材料既要有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性, 同时应具有较高的水通量和较好的抗污染能力。

目前, 国内外常采用的方法是膜材料改性或膜表面改性，能有效地提高膜组件的通量和抗污染能力。

另一点需要考虑的因素是膜的孔径, 由于曝气池中活性污泥是由聚集的微生物颗粒构成, 其中一部分污染物被微生物吸收或粘附在微生物絮体和胶质状的有机物质表面,尽管粒子的直径取决于污泥的浓度、混合状态以及温度条件, 这些粒子仍存在着一定的分布规律,考虑到活性污泥状态与水通量, 最好选择0.10～0.40 微米孔径的膜。

二、MBR技术的优点
MBR是膜分离技术与生物处理法的高效结合,其起源是用膜分离技术取代活性污泥法中的二沉池,进行固液分离。

这种工艺不仅有效地达到了泥水分离的目的,而且具有污水三级处理传统工艺不可比拟的优点:
1、高效地进行固液分离,其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生物反应器内,实现反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离,运行控制灵活稳定。

3、由于MBR将传统污水处理的曝气池与二沉池合二为一,并取代了三级处理的全部工艺设施,因此可大幅减少占地面积,节省土建投资。

4、利于硝化细菌的截留和繁殖,系统硝化效率高。

通过运行方式的改变亦可有脱氨和除磷功能。

5、由于泥龄可以非常长,从而大大提高难降解有机物的降解效率。

6、反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行,剩余污泥产量极低,由于泥龄可无限长,理论上可实现零污泥排放。

7、系统实现PLC控制,操作管理方便
三、MBR处理工艺在设计和运行过程中存在的问题
1. 工艺设计
在常规的水处理工艺中，废水中的污染物约有2/3被转化为新生的生物量（污泥）。

因为这些新生的生物量也是一种潜在的污染源，所以在传统的水处理工艺中污泥的分离过程与降解过程具有同样重要的地位。

在传统的处理工艺中，污泥分离是以重力分离形式来实现的，因此反应器混合液污泥容积指数（SVI）在设计和运行控制过程中占有很重要的地位。

2. MBR系统的工艺配置
MBR系统可以省去活性污泥法中的初沉池。

但是，进入到MBR反应器的固体颗粒会聚集在膜纤维之间。

过量的积累将导致断丝的情况发生使整个系统的正常运行受到影响。

因为目前膜组件的造价占整个工程投资的比例较大，所以在MBR系统的设计过程中应该对预处理单元进行合理的配置。

此外，MBR处理工艺中污泥停留时间较长，随着运行时间延长污泥活性下
降明显。

污泥中的非活性物质在反应器中的积累不但对微生物的活性产生抑制使污泥老化，而且这些非活性物质还会在膜表面沉积导致膜通量降低，给反应器的稳定运行带来麻烦。

另外，从固液分离的角度而言，膜单元可以取代二沉池，但是它却很难实现剩余污泥分离这一功能。

在传统活性污泥法中二沉池污泥含水率在99.8%（相当于20g/l），曝气池混合液污泥浓度在2500～4500mg/l之间。

而MBR混合液的污泥浓度在6000～12000mg/l之间。

另外，MBR混合液的沉降性能远不如活性污泥法中曝气池混合液的沉降性能好。

目前，尚无一种现成的适合于处理MBR剩余污泥的方法。

3. 磷的去除
在MBR系统中污泥的分离过程是靠膜材料截留来实现的，因此MBR工艺与活性污泥法有很大的不同：
其一是在传统活性污泥法中污泥的回流量通常为进水流量的0.5～1.5倍，而在MBR处理工艺中为了保证膜材料的分离性能回流量通常是进水流量的2～4倍。

其二是在传统活性污泥法中回流污泥的溶解氧浓度很低，而在MBR处理工艺中回流混合液的溶解氧浓度在2～4mg/l之间。

MBR系统可以很方便的提高系统的污泥龄同时还可以为前置反硝化提供兼氧的环境，所以MBR系统具有很好的脱氮效果，而在MBR除磷的过程中则必须要合理的配置厌氧、兼氧和好氧过程或者采用化学处理的方式。

生物除磷是通过厌氧放磷、好氧过量吸磷以及含有磷元素的剩余污泥排除这样几个过程来实现的。

在MBR系统中回流的是反应器混合液而不是像活性污泥法那样回流的是二沉池沉淀污泥。

由于混合液溶解氧浓度较高采用一般布置形式的MBR处理工艺中厌氧放磷效果不理想。

因此为了取得理想的除磷效果就要借助于化学除磷方式。

化学除磷是依靠投加化学药剂（铁盐、铝盐、石灰等）与混合液中的磷酸盐形成难溶性的沉淀类物质并以剩余污泥的形式排出系统。

值得注意的是，在采用化学除磷的MBR处理系统中必须注意化学药剂的投放点以避免所生成的难溶盐在膜材料表面的沉积。

在MBR反应器中为了保证膜材料的通量就应该避免磷的难溶盐的生成以及沉淀过程和膜分离过程在同一个空间内进行。

因此采用化学除磷就要对反应器进
行合理、科学的布置。

四、传统MBR膜生物反应器与改进型MBR膜生物反应器
传统MBR膜生物反应器分为分置式和一体式两种，在对普通的MBR膜生物反应器进行改进的基础上，改进型MBR膜生物反应器的主要部件有MBR膜组件和生物反应器。

由导流板分成生物降解区和膜滤出水区两部分，由于导流板的作用，进入膜滤出水区的活性污泥浓度很低，在提高生物降解区污泥浓度的同时，大大减轻了膜污染，可明显延长膜的清洗周期。

生物降解区为复合式，即兼有固定培养(生物膜)和悬浮培养(活性污泥)生物反应器的特点，研究表明，相比单纯的活性污泥法MBR和生物膜MBR污水处理，复合式MBR膜生物反应器的性能更佳。

微滤膜，孔径0.05μm，直接悬挂于膜滤出水区。

原污水经毛发过滤器过滤后，进入高位水箱，再经流量计进入生物降解区，有机物在这里被微生物分解，混合液经导流板进入膜滤出水区，在真空泵的抽吸作用下经膜过滤后进入出水槽，浓缩液可经底部连通管返回生物降解区，形成回流，底部采用曝气器曝气。

1. 与传统MBR相比，改进型MBR在结构上具有如下特点：
1)与一体式MBR相比，MBR膜组件相对独立于MBR膜生物反应器，位于膜
滤出水区，而一体式MBR膜组件直接悬挂于MBR膜生物反应器中，相同
之处在于水均通过负压抽吸从膜单元外表进入中空纤维引出，底部曝气以
减轻膜污染。

2)与分置式MBR相比，MBR膜组件与MBR膜生物反应器之间无需泵和管线
连接，相同之处在于MBR膜组件相对独立于生物反应器，MBR膜污染减
轻。

2. 改进型MBR膜生物反应器的主要优点是：
1)较一体式MBR膜污染大为减轻，而较分置式MBR的结构紧凑，体积小，
工作压力小，无水循环，节能;
2)处理对象不同。

一体式MBR和分置式MBR的膜组件处理的是生物反应
器中经生物降解的完全混合液，而改进型MBR膜组件处理的是经导流
板预澄清的料液，SS浓度降低，有利于在不增加能耗的情况下减轻膜
污染。

除生物降解区外，膜滤出水区也需少量曝气(前者是为微生物提
供好氧环境，后者是为了减轻膜污染)，因此该设备的具体能耗需进一
步的试验研究。

五、膜污染
MBR 工艺有传统工艺所无法比拟的优点, 但也存在较难克服的问题。

首先如何防止膜污染, 是国内外研究者面临的主要问题。

诸多研究表明, 生物细胞的胞外聚合物EPS(Extracelluar Polymers) 是膜污染的重要因素, 因为EPS 在污泥混合液中的累积可引起混合液粘度的增加以及膜过滤阻力的增加。

膜污染现象非常复杂, 它取决于浓度、温度、pH 值、离子强度、氢健、偶极间作用力等物理和化学参数。

研究表明，好氧MBR数量占绝对多数的生物絮体对膜污染起主导作用; 而厌氧MBR 则归结于有机质在膜面的吸附、难溶无机物在膜表面的沉积以及微生物细胞在膜面的粘附。

其实, 膜污染在MBR工艺中是非常复杂、难控制的, 它是MBR 工艺实用化的主要问题。