全面解析膜生物反应器(MBR)--先进污水处理解决方案
膜生物反应器（MBR）因其出色的出水品质，以及灵活、方便的运行模式，使得该项技术在污水深度处理中发挥着重要作用。系统了解膜生物反应器（MBR）技术，对工程人员使用好膜生物反应器（MBR）至关重要，期待以下内容能让工程人员更深度的了解膜生物反应器（MBR），同时也期待同行们更多的参与膜生物反应器（MBR）技术的分享与交流。
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浸没式膜生物反应器（MBR）的最早研究可以追溯到上世纪60年代末期的美国。1969年Smith等报道采用超滤膜来替代传统活性污泥工艺中的二沉池，用于处理城市污水。70年代末期，日本由于污水再生利用的需要，膜生物反应器(MBR)的研究工作有了较快的进展。自1983年到1987年日本有13家公司使用好氧膜生物反应器（MBR）处理大楼污水，处理水作为中水回用。从80年代后期到90年代初，Zenon公司继续Dorr-Oliver公司的早期研究，以开发用于处理工业废水的系统并获得了成功。Zenon公司的商业化产品，ZenoGem于1982年投入使用。
我国对浸没式膜生物反应器（MBR）的研究始于上世纪90年代初。最早开始研究的有清华大学、中科院生态环境中心、天津大学、同济大学等。近年，由于该项技术所具有的巨大吸引力和潜在的应用前景，受到了更多研究者的青睐。
1、浸没式膜生物反应器原理
浸没式膜生物反应器（MBR）是膜分离技术和生物技术的有机结合。用超滤或微滤膜分离技术取代传统的活性污泥法的二沉池和常规过滤单元，使水力停留时间（HRT）和泥龄（STR）完全分离。其高效的固液分离能力使出水水质良好，悬浮物和浊度接近于零，并可截留大肠杆菌等生物性污染物，处理后出水可直接回用，出水水质要明显优于传统污水处理工艺，是一种高效、经济的污水资源化技术。
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2、膜分离单元特点
浸没式膜生物反应器（MBR）中膜分离单元-滤膜的选择基于三点：1.可有效的分离活性污泥；2.运行成本最低；3.抗污染能力强。通过对国内外膜生物反应器技术的研究，目前国内外使用的膜生物反应器大部分滤膜孔径基本集中在0.05-0.4μm之间，基本介于超滤、微滤膜临界点附近。在如上孔径范围基本上实现了对活性污泥的有效截留，同时确保其运行能耗最低。再大或者再小的空间将不太适应于膜生物反应器技术。
微滤、超滤、纳滤及反渗透过滤功能见如下表：
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2.1微滤膜（MF）
截留颗粒直径0.1到数微米之间。微滤膜允许大分子和溶解性固体（无机盐）等通过，但会截留悬浮物、细菌及大分子量胶体等物质。微滤操作压力一般在0.01～0.2MPa之间。
2.2超滤膜（UF）
截留颗粒直径0.002～0.1μm之间。超滤允许小分子物质和溶解性固体（无机盐）等通过，同时截留下胶体、蛋白质、微生物及大分子有机物，用于表示超滤膜孔径大小的切割分子量一般在1,000～500,000之间。超滤操作压力一般在0.05～0.6MPa之间。
2.3膜组件型式
2.3.1中空纤维膜原理及型式
筛分过程，浸没式膜生物反应器（MBR）操作压力一般在0-70kPa，混合液在静压差或自吸泵的作用下，透过纤维素或高分子材料制成的微孔滤膜，利用其均一孔径，来截留水中的微粒、细菌等，使其不能通过滤膜而被去除。
2.3.2平板膜原理和形式
筛分过程，膜生物反应器（MBR）操作压力0-35KPa，混合液在静压差或自吸泵的作用下，透过纤维素或高分子材料制成的微孔滤膜，利用其均一孔径，来截留水中的微粒、细菌等，使其不能通过滤膜而被去除。
（1）平板膜元件型式
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(2)平板膜组件形式
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3、膜生物反应器工艺路线
3.1中空纤维膜-膜生物反应器工艺路线
3.2平板膜-膜生物反应器工艺路线
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3.3浸没式MBR工艺流程
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常规MBR污水处理工艺说明：
（1）格栅
污废水通过格栅，利用机械格栅去除大块杂物、漂浮物等，避免对后续设备的影响。在格栅井内安装一套机械格栅，栅条间隙为1-2mm，由进水室、格栅渠道组成。在格栅进水室设置应急溢流管，当设备故障或其他非常原因，使进水室的污水超过最高设定水位时，污水通过应急溢流管超越排出，为检修，在格栅前设置圆形闸阀。栅渣需定期清理，可作垃圾处理。
（2）调节池
由于来自各时的水质、水量均不一样，一般高峰流量为平均处理量的2～8倍，因此为使处理系统连续稳定地运行，同时调节水量和均和水质，设计一座调节池。调节池的设计有效容积一般为平均处理量的4～12倍，为保证调节池内不沉积污物，设置潜水搅拌器进行搅拌。设置液位自动控制装置，水泵将根据液位自动开启；设置潜污泵提升污水至缺氧池，配套自动耦合起吊装置。
（3）缺氧池
污水进入缺氧池，同时进入的还有膜池的回流混合液和污泥池的污泥。缺氧池主要作用是依靠污水中的有机物为碳源，利用反硝化细菌的反硝化作用将回流至该池泥水混合物中的硝酸盐、亚硝酸盐转化为氮气，从而实现废水脱氮。此外，由于在脱氮过程中也消耗了污水中的有机物，所以废水COD同时降低。池内设潜水搅拌器，溶解氧浓度为0.5mg/L。
（4）好氧池
污水经缺氧池处理后，自流进入好氧池，即进入好氧处理阶段。在曝气状态下中大量繁殖的活性污泥中微生物以及硝化菌群、磷细菌，降解或吸附水中含碳、氨氮、磷有机污染物质，以达到净化水质的目的。池内设置硅橡胶管式曝气器，具有良好的氧转移率。控制溶解氧浓度2.0mg/L。
好氧池采用鼓风曝气方式。传统地埋式常用潜流曝气方式，但运行发现当停止曝气时，污泥沉淀至曝气口附近而造成曝气口堵塞现象，使曝气机难以启动，甚至完全不能启动；同时，由于潜流曝气设备埋设于地下，造成维修更换困难，给正常运行造成很大的麻烦。所以本设计采用罗茨鼓风机进行鼓风曝气，安装由管道组成的曝气系统，不易堵塞，风机设在设备房，维修更换方便。
（5）MBR池
利用膜对生化反应池内的含泥污水进行过滤，实现泥水分离。一方面，膜截留了反应池中的微生物，使池中的活性污泥浓度大增加，使降解污水的生化反应进行得更迅速更彻底；另一方面，由于膜的高过滤精度，保证了出水清澈透明，得到高质量的产水。
膜池设置MBR膜组件系统及配套的出水、清洗、吹扫等系统。MBR膜区内的吹扫（曝气）有两个用途，一是用于膜组件周围的气水振荡，保持膜表面清洁，二是为提供生物降解所需要的氧气。通过膜的高效截留作用，全部细菌及悬浮物均被截流在曝气池中，可以有效截留硝化菌，使硝化反应顺利进行，有效去除氨氮；同时可以截留难于降解的大分子有机物，延长其在反应器中的停留时间，使之得到最大限度的降解。剩余污泥通过膜区剩余污泥泵定期排出，可控制系统内活性污泥的浓度及污泥龄。
（6）消毒/清水池
经膜过滤的出水尚有一部分病毒不能被去除，出水再经消毒即可达标回用。可采用紫外消毒，消毒后的水储存在清水池内供使用，预留取水泵位置。
MBR系统实现从水中去除有机物（COD）、氨氮（NH3-H）、总氮（TN）和总磷（TP）。用户可根据出水要求，组合厌氧、缺氧、好氧工艺，实现对出水的要求。
以下是本公司针对不同水处理要求所建议的处理工艺，如表所示
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3.4膜池活性污泥循环方式
如果采用好氧池+膜池或脱氮池+膜池的运行方式，为了保证均衡的污泥浓度和脱氮效果，需要进行活性污泥（MLSS）循环。大致有以下三种方式：
4、浸没式膜生物反应器布置
4.1中空纤维膜组件布置
4.2平板膜组件布置图
5、浸没式膜生物反应器的主要特点
膜生物反应器（MembraneBio-Reactor，MBR）是一种由膜分离单元与生物处理单元相结台的新型水处理技术，以膜组件取代二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度减少污水处理设施占地，并通过保持低污泥负荷减少污泥量。与传统的生化水处理技术相比，MBR具有以下主要优点：
(1)能够有效地进行固液分离，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，可直接回用，实现了污水资源化；
(2)膜的高效拦截作用使微生物完全截流在反应器内，实现了反应器水力停留时间（HRT)和污泥龄（SRT)的完全分离，使运行控制更加灵活稳定；
(3)反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷能力强；
(4)有利于增殖缓慢的硝化细菌的截流生长和繁殖，系统硝化效率得以提高，具有一定的脱氮、除磷功能，优于传统的生物处理单元；
(5)污泥龄长。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率。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，可以实现基本无剩余污泥排放；
(6)省去二次沉淀池，节省占地；
(7)系统采用PLC控制，可实现全自动化控制。
6、浸没式膜生物反应器预处理
没有预处理，对MBR是不可想象。预处理的作用：既要防止膜污染，又要保证生物体系的正常运行。处理不当：格栅过粗、絮凝不充分（PAM）等高分子之间易吸附，加强膜污染。根据原水的特点，选择适当的预处理措施。
6.1MBR预处理设施选择的原则
MBR工艺保护膜的预处理设施：超细格栅（0.2-2mm）。超细格栅选择原则：(1)设在沉砂池之后；(2)选用Mesh或Hole状转鼓格栅；(3)平板膜1-2mm。
6.2MBR工艺保护膜的预处理
多数膜工程商：进水油脂<50mg/L,矿物油<3mg/L
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6.3中空纤维膜对预处理的要求
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6.4平板膜对预处理的要求
7.1MBR构型选择与膜组件形式
（1）污泥浓度<10g/L；
（2）膜组件排布时，需要考虑维护管理的便利性；
（3）通量：工业废水处理时，提供一般1/2生活污水通量，但实际选择时，需要结合具体的废水类型和水质特征进行具体分析。
7.2运行费用与能耗
（1）运行费用是工程设计中需要特别考虑的。
（2）MBR的运行费用：a.水泵的性能：与膜组件和TMP有关；b.曝气：膜曝气，一般采用大气泡曝气；生物曝气，一般采用微气泡曝气；
注：①小型MBR，生物曝气和膜曝气可以合并，采用大气泡方式，保证对膜组件的冲刷，但能耗稍高。②中型、大型MBR，需分开设置，既保证对膜组件的冲刷作用，又可以降低能耗。③过量的膜曝气，会造成膜寿命下降和膜组件损伤。
（3）膜的清洗：所在比例很小；
（4）膜的更换：与膜材质、膜厂家技术水平、维护好坏等有关。
7.3风机与曝气管
（1）为保护膜，宜采用无油压缩风机。
（2）由于工业废水冲击负荷的问题，需要足够的溶解氧即需要有足够的风机富余量。
曝气管容易堵塞，需要设置清洗设备。设计管路时，应防止清洗水流入风机。鼓风机管路应高于水面，防止清洗水流入风机。
7.4自控方式与监测
（1）通常情况下采用PLC控制，配置必要的电/气动阀门，自动运行。
（2）自动阀门应带有信号反馈，以确定是否开关到位。
（3）设计监测指标：TMP、水质、浊度等。
7.5臭味、噪音和湿度问题
（1）由于曝气量较大，MBR车间的臭味、噪音和湿度都较大。
（2）臭味：根据需要，反应池顶部加盖，做成密闭方式，用离心鼓风机将臭气抽取到臭味去除装置中。
（3）噪音：采用隔音罩，或者选择低噪音风机。
（4）湿度：根据需要，增加除湿器或者加强通风。
（5）温度：不能超过40～45度。
7.6色度问题与去除
（1）目前的MBR均采用超滤/微滤膜，对色度的截留效果较低。
（2）原水中的色度：进行预处理，加入混凝剂或脱色剂，预先把色度降低到一个合理的范围，然后进入MBR，通过生物降解作用继续脱色。
（3）膜出水有时会有色度。可采用臭氧、活性炭等方式继续脱色。
7.7后期运行维护的便利性
（1）考虑膜组件清洗的便利性；
（2）考虑膜组件更换的便利性；
（3）操作人员日常维护、日常检修等。
7.8膜组件选型
膜元件用量计算
n（张）＝Qmax/（F˙A）
其中：Qmax：日最大污水量（m3/d）；考虑下雨、洪水等情况的最大日污水量。
F：膜通量[L/(m2˙d)]；
A：每张膜元件的有效膜面积（m2/张）。
参考值：
1.生活污水设计膜通量范围：400～800L/(m2˙d)。（中空、平板适用范围）
2.工业废水设计膜通量范围：100～400L/(m2˙d)。工业废水的场合最好通过试验确认膜通量最佳值.（中空、平板适用范围）
7.9设计水量
设计流量的确定是污水处理厂设计最基本的问题，是污水处理系统设计、工艺设备选型的基础。
（1）传统的生物处理工艺：污水处理厂规模Qd是指平均日污水量，污水处理的生物处理系统多数也是按照Qd设计。生物处理系统是利用微生物吸附、水解或氧化水中有机物的设施，具有很强的缓冲能力。
（2）MBR工艺：通常采取恒流出水模式，决定了膜通量和膜数量的选择。污水处理厂的设计流量与运行流量要保持一致。
多数膜供应商：设定(1.2-1.3)Qd的水量冲击负荷。
如果出现长时间的污水量冲击负荷，对系统运行膜而言，需以更大的膜通量运行才能保证系统进、出水平衡，显然这样高通量运行势必会造成严重的膜污染，影响MBR系统的正常运行。如发生长时间污水量的冲击，需采取一定的措施来分流超过设计流量的峰值负荷，引向污水处理厂中其他非MBR工艺的处理系统或其他市政污水处理厂。
7.10膜生物反应器系统设计计算书（以平板膜-膜生物反应器为案例）
7.10.1设计参数
（1）处理对象：生活污水
（2）处理规模：200m3/d
（3）进出水水质：
（4）处理工艺：缺氧+MBR工艺
7.10.2构筑物容积设计计算
（1）调节池
无特殊参数设定，一般按照平均小时处理量的4-12倍设计，有效停留时间4-12h。
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流量调节比：
K=膜片数量（片）×膜面积（1.0或1.5m2）×0.4m3/(m2.d)÷Qm3.d=330×1.5×0.4÷200=0.99
计算式：V=(Q/T-KQ/24)T=(200/12-0.99×200/24)×12=100.92m3
实际尺寸：8.0×5.0×4.5m实际有效容积：100m3
(2)脱氮池
氮容积负荷定为0.2kg-N/(m3?d)以下。
流入水含氮量
200.0m3/d×0.035kg-N/m3＝7.0kg/d
需要容量
7.0kg/d÷0.2kg-N/(m3?d)＝35.0m3以上
实际尺寸：5.0m×2.0m×4.5m（实际有效容积40m3）
(3)硝化池
氮容积负荷定为0.25kg-N/(m3?d)以下。
流入水含氮量
200.0m3/d×0.05kg-N/m3＝10.0kg/d
需要容量
10.0kg/d÷0.25kg-N/(m3?d)＝40.0m3以上
实际尺寸：5.0m×2.0m×4.5m（实际容量40m3）
※以上尺寸应该为考虑到了膜组件的设置面积后的容量。
(4)消毒池
日平均汚水量的15分钟量以上
0.14m3/min×15min＝2.1m3以上
实际尺寸：1.0m×1.5m×4.5m（实际有效容积6m3）
(5)排放池
日平均汚水量的15分钟量以上
0.14m3/min×15min＝2.1m3以上
实际尺寸：1.0m×1.5m×4.5m（实际有效容积6m3）
(6)残渣?汚泥储存池
剩余汚泥量：（汚泥浓度设为2.0％，BOD的汚泥转换率设为45％）
200.0m3/d×0.2kg-BOD/m3×0.45＝18.0kg/d
18.0kg/d÷20kg/m3＝0.9m3/d
残渣量：（残渣浓度50000mg/L，每流入1kgBOD为0.05kg）
200.0m3/d×0.2kg-BOD/m3×0.05kg/kg＝2.0kg/d
2.0kg/d÷50kg/m3＝0.04m3/d
存贮量设为14天的量。（0.9m3/d＋0.04m3/d）×14d＝13.2m3以上
实际尺寸：3.0m×1.5m×4.5m（实际有效容积：18.0m3）
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