壹、MBR工藝的組成
膜生物反應器主要由膜分離組件和生物反應器組成。通常所說的膜生物反應器，其實是三類反應器的統稱:①曝氣式膜生物反應器(AMBR)；②萃取膜生物反應器(EMBR)；③固/液分離膜生物反應器(SLS MBR)。
二。曝氣膜生物反應器
Cote首先報道了曝氣膜生物反應器。p等在1988。它采用透氣的致密膜(如矽橡膠膜)或微孔膜(如疏水聚合物膜)，采用板式或中空纖維式組件，在保持氣體分壓低於泡點的條件下，實現對生物反應器的無泡曝氣。該工藝的特點是提高了接觸時間和氧傳遞效率，有利於曝氣過程的控制，不受傳統曝氣中氣泡大小和停留時間因素的影響。如圖【1】。
圖[1]
三。萃取膜生物反應器
萃取膜生物反應器也被稱為EMBR(萃取膜生物反應器)。有些工業廢水因pH值高或存在對生物體有毒的物質，不宜直接與微生物接觸處理。當廢水中含有揮發性有毒物質時，如果采用傳統的好氧生物處理工藝，汙染物容易隨曝氣氣流揮發，產生剝離現象，不僅使處理效果不穩定，還會造成空氣汙染。為了解決這些技術問題，英國學者利文斯頓研究開發了EMB。流程如圖2所示。廢水通過膜與活性汙泥分離，廢水在膜內流動，而含有某些特定細菌的活性汙泥在膜外流動。廢水不與微生物直接接觸，有機汙染物可通過膜被另壹側的微生物選擇性降解。由於萃取膜兩側的生物反應器單元和廢水循環單元是獨立的，各單元的水流相互影響很小，生物反應器中營養物質和微生物的生存條件不受廢水水質的影響，水處理效果穩定。系統的運行條件，如水力停留時間和SRT，可以控制在最佳範圍內，以維持汙染物的最大降解率。
四、固液分離膜生物反應器
固液分離膜生物反應器是水處理領域研究最廣泛的膜生物反應器，是壹種用膜分離工藝代替傳統活性汙泥法中二沈池的水處理技術。在傳統的廢水生物處理技術中，汙泥和水的分離是在二沈池中靠重力完成的，其分離效率取決於活性汙泥的沈降性能。沈澱越好，泥水分離效率越高。但是汙泥的沈降依賴於曝氣池的運行，必須嚴格控制曝氣池的運行條件來提高汙泥的沈降，這就限制了這種方法的應用範圍。由於二沈池固液分離的要求，曝氣池中的汙泥無法維持較高的濃度，壹般在1.5~3.5g/L左右，從而限制了生化反應速率。水力停留時間(HRT)和汙泥齡(SRT)相互依賴，增加容積負荷和減少汙泥負荷往往是矛盾的。系統運行過程中還會產生大量剩余汙泥，其處置費用占汙水處理廠運行費用的25% ~ 40%。傳統的活性汙泥處理系統也容易發生汙泥膨脹，出水含有懸浮物，惡化了出水水質。針對上述問題，MBR將分離工程中的膜分離技術與傳統的廢水生物處理技術有機結合，大大提高了固液分離效率，並且由於曝氣池中活性汙泥濃度的增加和汙泥中特殊細菌(尤其是優勢菌群)的出現，提高了生化反應速率。同時，通過降低F/M比，減少了剩余汙泥的產量(甚至為零)，從而基本解決了傳統活性汙泥法存在的諸多突出問題。
動詞 （verb的縮寫）MBR工藝類型
以下均為固液分離膜生物反應器。根據膜組件與生物反應器的組合方式，膜生物反應器可分為分離式、集成式和復合型三種基本類型。請參考圖3了解分離式和集成式MBR。
如圖3所示，分離式膜生物反應器將膜組件與生物反應器分開。生物反應器中的混合液由循環泵加壓後泵入膜組件的過濾端，混合液中的液體在壓力下透過膜成為系統處理水；固體、大分子等。被膜截留並與濃縮液壹起返回生物反應器。分離式膜生物反應器運行穩定可靠，易於清洗、更換和添加膜。而且膜通量壹般都很大。但壹般情況下，為了減少膜表面汙染物的沈積，延長膜的清洗周期，需要使用循環泵在膜表面提供較高的錯流速度，水循環量大，動力成本高(Yamamoto，1989)，泵高速旋轉產生的剪切力會使部分微生物細胞失活(Brockmann和Seyfried，1997)。
壹體式膜生物反應器是將膜組件置於生物反應器內，如圖4所示。進水進入膜生物反應器，混合液中的活性汙泥去除大部分汙染物，出水在外壓下進行膜過濾。這種類型的膜生物反應器省去了混合液循環系統和泵出水，因此能耗相對較低。占地比分離式更緊湊，近年來在水處理領域受到特別關註。但壹般膜通量比較低，容易出現膜汙染，膜汙染後不容易清洗更換。
復合膜生物反應器在形式上也屬於壹體式膜生物反應器，但不同的是在生物反應器中加入了填料，從而形成復合膜生物反應器，改變了反應器的壹些特性，如圖5所示:
MBR工藝的特點
與許多傳統的生物水處理工藝相比，MBR具有以下主要特點:
第壹，出水水質高且穩定。
由於膜的高效分離作用，分離效果比傳統沈澱池好得多。處理後的水極其清澈，懸浮物和濁度接近於零，細菌和病毒被大大去除，出水水質優於建設部頒布的《生活雜用水水質標準》(CJ25.1-89)，可作為非飲用水城市雜用水直接回用。
同時，膜分離使微生物完全截留在生物反應器中，使系統保持較高的微生物濃度，既提高了反應裝置對汙染物的整體去除效率，又保證了良好的出水水質。同時，反應器對進水負荷(水質和水量)的各種變化具有良好的適應性，能夠抵抗沖擊負荷，從而穩定獲得高質量的出水水質。
二是剩余汙泥產量低。
該工藝可在高容積負荷和低汙泥負荷下運行，剩余汙泥產量低(理論上可實現汙泥零排放)，降低了汙泥處理成本。
三是占地面積小，不受設置場合限制。
生物反應器可以保持高濃度的微生物量，處理裝置的容積負荷高，大大節省了占地面積；工藝流程簡單，結構緊湊，節省占地面積，不受設置場所的限制。適用於任何場合，可以做成地上、半地下、地下。
第四，可以去除氨氮和難降解有機物。
由於微生物被完全截留在生物反應器中，有利於硝化細菌等生長緩慢的微生物的截留和生長，系統的硝化效率得到提高。同時可以增加部分難降解有機物在系統中的水力停留時間，有利於提高難降解有機物的降解效率。
5.操作管理方便，易於實現自動控制。
該工藝實現了水力停留時間(HRT)和汙泥停留時間(SRT)的完全分離，運行控制更加靈活穩定。它是汙水處理中易於裝備的新技術，可以實現微機自動控制，從而使運行管理更加方便。
第六，容易從傳統工藝轉型。
該工藝可作為傳統汙水處理工藝的深度處理單元，在城市二級汙水處理廠出水的深度處理(從而實現城市汙水的大量回用)等領域具有廣闊的應用前景。
膜生物反應器也有壹些缺點。主要表現在以下幾個方面:
o膜成本高，使得膜生物反應器的基建投資高於傳統汙水處理工藝；
o容易出現膜汙染，給運行管理帶來不便；
o高能耗:首先，MBR的泥水分離過程中必須保持壹定的膜驅動壓力；其次，MBR池中MLSS濃度很高，為了保持足夠的氧轉移速率，必須增加曝氣強度；並且為了增加膜通量和減少膜汙染，必須增加流速和清洗膜表面，導致MBR比傳統生物處理工藝能耗更高。
MBR工藝用膜
膜可以由多種材料制成，可以是液體、固體甚至氣體。目前，使用的大多數分離膜是固相膜。根據孔徑大小不同，可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜；按材質不同可分為無機膜和有機膜，無機膜主要是微濾膜。該膜可以是同質的或異質的，並且可以是帶電的或電中性的。廣泛用於廢水處理的膜主要是由有機高分子材料制成的固相不對稱膜。
膜的分類如圖所示:
第壹，MBR膜材料
1.高分子有機膜材料:聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯腈、聚碸、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。
有機膜的成本相對較低，制造成本便宜，膜的制造工藝成熟，膜的孔徑和形式也多樣，應用廣泛，但在運行過程中容易被汙染，強度低，使用壽命短。
2.無機膜:是壹種固體膜，是由無機材料制成的半透膜，如金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無機高分子材料等。
目前MBR中使用的無機膜多為陶瓷膜，其優點是可以在pH = 0 ~ 14，壓力P
二、MBR膜的孔徑
MBR工藝中使用的膜壹般為微濾膜(MF)和超濾膜(UF)，大多采用0.1 ~ 0.4微米的膜孔徑，對於固液分離的膜反應器來說已經足夠。
微濾膜常用的高分子材料有:聚碳酸酯、纖維素酯、聚偏氟乙烯、聚碸、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亞胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚酰胺等。
超濾常用的高分子材料有聚碸、聚醚碸、聚酰胺、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯、纖維素酯、聚醚醚酮、聚酰亞胺、聚醚酰胺等。
三。MBR膜組件
為了便於工業化生產和安裝，提高膜的工作效率，使單位體積的膜面積達到最大，通常將膜以某種形式組裝在壹個基本單元裝置中，在壹定的驅動力下，使混合溶液中的組分分離。這種裝置叫做膜組件。
工業上常用的膜組件有五種類型:
板框組件、螺旋纏繞組件、管狀組件、中空纖維組件和毛細管組件。前兩種用平板膜，後三種用管式膜。圓管膜直徑>:10mm；毛細管型-0.5 ~ 10.0毫米；中空纖維型
表:各種膜組件的特性
名稱/項目中空纖維毛細管螺旋盤管扁管型
價格(元/立方米)40 ~ 150 150 ~ 800 250 ~ 800 800 ~ 2500 400 ~ 1500。
填充密度高、中低、中低。
清潔有難有易，清潔有易。
壓降有高、中、低。
能在高壓下操作嗎？還能更難嗎？
對膜的形式沒有限制。
MBR工藝中常用的膜組件有:板框式、圓管式和中空纖維式。
板和框架類型:
它是MBR工藝中最早使用的膜組件形式，外觀與普通板框壓濾機相似。優點是制造和裝配簡單，操作方便，易於維護、清洗和更換。缺點是:密封復雜，壓力損失大，堆積密度低。
圓管型:
它由膜和膜支架組成，有內壓式和外壓式兩種運行方式。實際中多采用內壓式，即水從管道流入，滲透液從外部流出。膜的直徑在6-24mm之間，圓管膜的優點是:可以控制料液的湍流，不易堵塞，易於清洗，壓力損失小。缺點是:堆積密度低。
中空纖維類型:
裝配形式如下圖所示:
[圖]
壹般外徑為40 ~ 250μ m，內徑為25 ~ 42μ m..優點:抗壓強度高，不易變形。在MBR中，組件通常直接放入反應器中，沒有壓力容器，以形成浸沒式膜生物反應器。壹般是外壓膜組件。優點是:堆積密度高；成本相對較低；使用壽命更長，可使用理化性能穩定、透水性低的尼龍中空纖維膜；該膜具有良好的耐壓性，並且不需要支撐材料。缺點是:對堵塞敏感，汙染和濃差極化對膜的分離性能影響較大。
MBR膜組件設計的壹般要求:
o為膜提供足夠的機械支撐，流道暢通，無死角和死水；
o低能耗，盡量減少濃差極化，提高分離效率，減少膜汙染；
o包裝密度盡可能高，便於安裝、清洗和更換；
o足夠的機械強度、化學和熱穩定性。
膜組件的選擇應綜合考慮成本、裝填密度、應用場合、系統流程、膜汙染、清洗和使用壽命等因素。
MBR的應用領域
20世紀90年代中後期，膜生物反應器在國外已進入實際應用階段。加拿大Zenon公司首先引進了超濾管式膜生物反應器，並將其應用於城市汙水處理。為了節約能源，公司還開發了浸沒式中空纖維膜組件，其開發的膜生物反應器已在美國、德國、法國、埃及等十多個地方得到應用，規模從380m 3 /d到7600m 3 /d不等，日本三菱麗陽公司也是世界知名的浸沒式中空纖維膜供應商，在MBR的應用方面積累了多年的經驗，在日本等國家建設了許多實用的MBR工程。日本久保田公司是膜生物反應器實際應用的另壹家競爭公司，其生產的平板膜具有流通量大、抗汙染、工藝簡單等特點。國內壹些研究人員和企業也在努力使MBR實用化。
目前，膜生物反應器已應用於以下領域:
壹、城市汙水處理和建築中水回用
1967年美國Dorr-Oliver公司建成第壹座采用MBR工藝的汙水處理廠，處理廢水14m 3 /d。1977期間，日本某高層建築采用了汙水回用系統。1980年，日本建成了兩座MBR處理廠，處理能力分別為65438+100m3/d和50m 3 /d。在90年代中期，日本有39個這樣的工廠在運行，最大處理能力為500m 3 /d，超過65，438+000個高層建築使用MBR處理汙水並在中渠回用。1997年，英國威塞克斯公司在英國波洛克建立了當時世界上最大的MBR系統，日處理能力2,000 m3。1999年還在多塞特郡Swanage[14]建設了壹座13，000 m3/d的MBR工廠。
1998年5月，清華大學壹體化膜生物反應器中試系統通過國家鑒定。2000年初，清華大學在海澱鎮醫院建立了壹套實用的MBR系統來處理醫院廢水。該項目於2000年6月建成並投入使用，目前運行正常。2000年9月，天津大學楊早彥教授及其研究團隊在天津新技術產業園區陳普大廈建立了MBR示範工程。該系統每天處理汙水25噸，處理後的汙水全部用於廁所沖洗和綠地澆灌，占地面積10平方米，處理每噸汙水的能耗為0.7 kW·h。
二。工業廢水處理
自20世紀90年代以來，MBR的處理對象不斷擴大。除了中水回用和糞便汙水處理，MBR在工業廢水處理中的應用也受到廣泛關註，如食品工業廢水、水產品加工廢水、水產養殖廢水、化妝品生產廢水、染料廢水和石化廢水等，並取得了良好的處理效果。20世紀90年代初，美國在俄亥俄州建設了壹套MBR系統處理某汽車廠工業廢水，處理規模為151m 3 /d，系統有機負荷達到6.3kg COD/m3·d，COD去除率為94%，大部分油脂得到降解。荷蘭某油脂提取加工廠采用傳統的氧化溝汙水處理技術處理其生產廢水。由於生產規模擴大，汙泥膨脹，難以分離。最後用Zenon膜組件代替沈澱池，運行效果良好。
三。微汙染飲用水的凈化
隨著氮肥和農藥在農業上的廣泛應用，飲用水受到不同程度的汙染。20世紀90年代中期，LyonnaisedesEaux開發了壹種具有生物脫氮、農藥吸附和除濁功能的MBR工藝。1995年，Lyonnaise de Seaux在法國Douchy建設了壹座日飲用水能力為400m 3的工廠。廢水中氮的濃度低於0.1.02微克/升，農藥的濃度低於0.02微克/升..
四。糞便汙水處理
糞便汙水中有機物含量很高，傳統的脫氮方法需要較高的汙泥濃度，固液分離不穩定，影響三級處理效果。MBR的出現很好地解決了這個問題，使糞便汙水不經稀釋直接處理成為可能。
日本開發了壹種叫做NS系統的糞便處理技術，其核心是平板膜裝置和好氧高濃度活性汙泥生物反應器相結合的系統。NS系統於1985年在日本埼玉縣月谷市建成，生產規模為10kL/d，1989年在長崎縣和熊本縣新建了排泄物處理設施。NS系統中，每組平膜約0.4m2 * *幾十組並聯安裝，使之成為壹個可自動開啟，可自動清洗的框架裝置。膜材料為截留分子量為20000的聚碸超濾膜。反應器內汙泥濃度保持在15000 ~ 18000 mg/L範圍內，到1994年，日本已有超過1200套MBR系統用於處理超過4000萬人的糞便汙水。