MBR膜生物反应器在分散式中水回用系统中的应用

1 概述

我国水资源短缺，而水污染形势却日趋严峻，很多城市面临水紧缺的问题，在全国600 多个建制市中，有近400个城市缺水，其中130 多个严重缺水。再加上水资源时空分布不均，严重制约了我国经济和社会的发展。水资源的可持续利用，合理配置水资源, 提高水资源利用率，建立节水型社会，显得尤为迫切和重要。污水是一种稳定可靠的、可再生的水资源。污水处理与回用成为解决水资源短缺的有效措施，是实现水的良性循环的关键。

1.1 分散式中水回用系统

污水处理可分为集中式和分散式两种。污水集中式处理, 是建立集中式管网收集体系

和大型污水处理厂，采用适宜的措施进行处理，达标后再排入自然水系。集中式污水处理是绝大多数城市的选择，用于收集和处理大流量污水，能够可靠地、高效地管理和控制污水处理的运行；分散式污水处理技术是一种新型的，经济环保的污水处理系统。对于居住比较分散的中小城市(镇) 、广大农村及偏远地区，由于受到地理条件和经济因素制约，不宜于进行生活污水的集中处理，此时应因地制宜地选择和发展生活污水分散式和就地处理技术[1]。分散式污水处理最大的好处是适用于不同程度的现场条件，可便捷、快速地实现污水处理，并且投资和维护费用都不大。

在推动中国水污染治理方面，集中式污水处理模式和分散式污水处理模式各有长短，目前中国主流的污水处理大多采用管网集中收集、污水厂集中处理的集中式污水处理，但由于存在污水收集难、管网投资高、占地面积大和施工不便等问题，制约了污水处理进程。而分散式处理将污水就地收集、就地处理和就地回用，无需新建排水管网和中水回用管网，减少了投资，有利于提高污水处理率、加快水环境的改善。若将处理后的水根据需要进行进一步净化、回用，可缓解供水需求，大大减少水供应紧张的局面。因此分散式污水处理及回用集成技术已经成为集中处理方式的一种有益而必需的补充措施。

中水，也称再生水，它的水质介于污水和自来水之间，是城市污水、废水经净化处理后达到国家标准，能在一定范围内使用的非饮用水，可用于市政和百姓生活的诸多方面。城市受污染较轻的大量生活污水，经处理后，能够得到数量可观的再生水，可以使中水成为城市第二水源，大大缓解城市缺水状况。中水来源主要有雨水、冷却水、盥洗水、淋浴水、游泳池排污水、洗衣排水、厨房排水等。根据不同水质和不同回用用途的要求, 经过滤、混凝、沉淀等预处理，采用超滤、接触氧化、厌氧/缺氧/好氧（A2/O）等主体工艺，再通过过滤、消毒等后续处理，便可得到可利用的水。中水回用，指通过提高水资源的重复利用率，解决城市水资源危机，促进水资源可持续循环利用，是处理城市水资源缺乏的一条重要途径。

缺少相关政策法规，建设成本高，资金回收难，人们的用水习惯，工艺技术不稳定等因素都制约着城市中水回用的普及和技术的发展。其中工艺技术和成本是制约中水回用普及的关键因素之一。

1.2 分散式污水处理技术发展趋势

分散式污水处理技术可采用多种工艺形式，如人工湿地、生物滤池、土壤渗滤和生态塘等。这些传统工艺存在一些局限性，如有的仅采用单一好氧生化处理工艺，脱氮除磷不理想；有的采用单一曝气方式、能耗偏高；有的采用人工湿地等植物处理法，占地太大，受气候影响，运行不稳定；有的设备集成度不高、占地面积较大。国内很多地方的工程示范点在运行不到一两年就瘫痪了。深入分析可知，大部分土地处理系统利用植物的新陈代谢去除污染物，但植物呈季节性生长，需不断的收割和种植，人工维护强度大，抗冲击能力弱，且冬季运行困难，在农村操作水平较低的情况下，很难保持系统的稳定运行。在北京，已建成中水设施的上百个住宅小区中，能正常运行的不足三成，小区中水的年用量仅有300万吨。分析其原因，中水处理设施建设成本高，中水处理成本高，是制约中水设施正常运行的主要因素。

由此可以看出，分散式污水处理及回用技术首先要保证稳定运行，其次，要容易操作，最好能实现无人值守，减少人工操作强度，同时也可避免因为操作不当对设备引起的人为损坏，另一个应注重是要省地，特别是在景区和城区，占地成为制约污水处理设施的主要因素之一。随着用地规范的不断调整，分散式污水处理设备重复利用性要高，很多工程因为改迁或当地用地规划调整，处理设施全部报废。

综上，分散式污水处理及回用技术应向一体化、自动化和灵活化的方向发展。MBR的工艺特点正是较好的满足了这一发展需求，从而在分散式中水回用工程中得到了越来越广泛的应用。

2 膜生物反应器（MBR）工艺

膜-生物反应器（Membrane Bioreactor）工艺是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术。它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子物质截留住，省掉二沉池。活性污泥浓度因此大大提高，水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应、降解。

20世纪80年代以来，该技术在国外愈来愈受到广泛关注，成为研究的热点技术之一。目前膜生物反应器技术已应用于美国、德国、法国、英国、埃及等数十个国家，规模为每天5～100000m3不等[3]。我国对膜生物反应器的研究起步于20世纪90年代初。最早开始研究的有清华大学、中国科学院生态环境研究中心、天津大学和同济大学等单位。近年来，由于该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。许多大学、研究院所、环保公司也加入到该项技术的研究和开发之中。目前MBR技术在我国已逐步从实验室研究过渡到工程应用，其处理规模为每天5～45000m3不等[4]。现今，膜生物反应器主要用于回用水、工业废水、城市污水和生活污水的处理[5]。

2.1 MBR工艺及特点

膜生物反应器（MBR）是将生物反应器与膜组件相联用的一项废水处理新技术，它由膜组件、生物反应器和泵三部分组成。其流程为：原水进入生物反应器与生物相充分接触，再在循环泵作用下，由生物反应器流经膜组件，过滤出水被排放，生物相回流入生物反应器；或者膜组件浸入生物反应器中进行负压抽吸出水。污泥被膜完全截留在反应器中，剩余污泥被排放以确保固定的污泥龄。

膜生物反应器的主要类型有分置式和一体式，近年来还出现了一些改进型如图1 所示：

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图1 膜生物反应器的基本类型

膜生物反应器（MBR）融合了微生物对污染物的分解和膜的高效分离两个过程。一方面，由于膜的截留作用，反应器内得以存有大量高活性的微生物，因此污水中的有机污染物被微生物吸附、降解，这对污染物的去除起主要作用；另一方面，由于吸附、筛分等过程，膜可以截留大部分微生物絮体、胶体粒子以及大分子有机物，从而提高了出水水质[5]。

与传统好氧活性污泥法比较，膜生物反应器具有以下优点：处理效率高、出水水质好；工艺设备紧凑、占地面积小；易于实现自动化控制、运行管理简便。MBR可以通过膜的截留作用，使硝化菌长期停留在好氧池内，在不增加池容的前提下延长了污泥龄，满足了硝化菌的生长，减少了硝化菌的流失。同时，在MBR中还发现存在反硝化除磷菌，在脱氮的同时也能有效地去除磷。

3 MBR在国外污水及废水处理中的应用

早在1983年到1987年，在日本已有13家公司使用好氧膜生物反应器处理大楼废水，经处理后的水做中水回用，处理水量每天达50～25m3。欧洲大部分国家，由于国土面积小，地面水体因径流距离较短而导致自净能力较差，水生生态系统较为脆弱，易受污染。MBR处理系统由于占地面积小且出水水质好，目前越来越多的国家将其应用于生活污水和工业废水的处理。荷兰在处理能力为240m3/d的MBR中试取得成功以后，正在建造处理能力18000m3/d的MBR污水处理厂，并计划从2003年开始投资建设处理能力为6～24×104m3/d的MBR污水处理厂。

德国已经建成5家大规模使用MBR的污水处理厂，总的处理能力为21000m3/d；另有两家污水处理厂已在规划中，其中一家位于Kaarst的污水处理厂，设计服务人口为8万人，使用膜面积总计为88000m2，预算为4600万德国马克，建成后将是世界上最大的MBR污水处理厂。

荷兰Xflow公司开发的MBR在生活污水和食品、林业、造纸等工业废水处理中得到了广泛的应用。工业废水合计处理流量为245m3/h，一家规模最大的生活污水处理厂的处理能力为1100m3/h。

美国和加拿大已有多个投入运行的MBR污水处理厂，并取得了良好的运行效果。美国已有超过357个城市实现了污水处理后再利用，其中丹佛市已将处理后的再生水送入自来水管网作为城市管网的补压用水。

目前日本对于MBR的使用更为普遍，主要是用于小区污水的处理与回用及工业（如食品、饮料制造业等）废水处理。

4 MBR工艺在我国分散式中水回用系统中的应用

近年来，我国MBR工艺技术研究发展非常迅速。从1999年至2000年的试验室阶段，到2004年至2005年的每天千吨级的规模应用，再到2007年至今每天10万吨级的规模工程设计，建设和运行。在过去几年，我国的MBR技术产业取得了“井喷”式发展。随着膜技术的成熟和膜的大规模生产，膜的价格降低和使用寿命延长，膜组件的一次性投资及后期运行成本不断降低，MBR在分散式中水回用系统中应用越来越普遍。

4.1 MBR在酒店中水回用设施的应用

大连香格里拉大饭店原有的中水处理设施采用三级处理方法，处理效率低、占地面积大，没有实现完全的自动化，而且其处理能力远大于酒店最大回用水量，又无法灵活地调节，造成了人力、物力的浪费，增加了成本。采用MBR工艺对原有系统进行改造。其进出水水质及处理水量见表如下：

表1 大连香格里拉大饭店中水处理设施进出水水质水量

图2 大连香格里拉大饭店中水处理设施工艺流程

大连香格里拉大饭店MBR中水回用工程自2001年10月投产以来运行性能良好，出水水质完全达到《生活杂用水水质标准》（CJ25.1-89），运行成本主要构成为电费0.57元/m3，折旧费1.052元/m3消毒剂0.036元/m3，营养剂0.007元/m3，合计运行成本为1.665元/m3。与大连市旅游业、商业等场所的自来水费为5元/m3的价格相比，显然采用MBR工艺使中水回用是经济可行的。

4.2 MBR在超市卖场中水回用

该工程采用MBR膜生物反应器为主体的水处理工艺，使卖场污水经处理后，用于生活杂用。出水水质达到国家规定的生活杂用水水质要求。中水水源主要来自超市生鲜及生活污水。进出水水质及设计处理量见表如下。

表2 卖场污水处理设施进出水水质水量

该工程采用一体化设备，节省了占地和安装时间，将处理工艺的各个单元集成在一个设备中。其主体工艺流程如下：

图3 卖场污水处理设施工艺流程

4.3 MBR在洗浴废水和雨水中水回用中的应用

广州科学城A团组六栋建筑中水回用工程，采用以处理洗浴洗涤废水为主、处理少量雨水为辅的MBR处理工艺，调试运行良好，出水各项指标极佳，均达到国家规定的中水回用标准[5]。该工程设计水量为300 m3/d其中每天可以处理的洗浴废水为250m3/d，雨水量为50m3/d.水力停留时间(HRT)为6h，溶解氧(DO)为2.5mg/L，气水比30∶1。其主体工艺如图4所示，处理前后进出水水质如表3所示。

图4 广州科学城A团组六栋建筑中水回用工程工艺流程

表3 广州科学城A团组六栋建筑中水回用工程进出水水质水量

4.4 一体化MBR在高校中水回用中的应用

华东交通大学中水回用系统采用4S-MBR一体化处理装置，通过引入特性菌群，实现了污泥减量，基本不排有机污泥；同时强化了系统厌氧氨氧化、反硝化除磷以及气化除磷等生化降解效果，实现了一体式连续脱氮除磷；出水COD、NH3-N、TN、TP稳定优于《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）标准；能耗降低50%以上。出水就近用于校园杂用。该系统于2008年投入运行，处理水量200m3/d，占地面积小于0.2m2/m3工程投资小于1800元/吨水，吨水运行电耗约0.36kW•h/m3，吨水处理成本0.3～0.5元。该处理装置4S-MBR工艺示意图见图 。

图5 4S-MBR工艺示意图

污水经提升泵提升后进入兼氧/好氧区（主要目的是控制前端硝化反应，优化后段氨氮及硝酸盐比例），随后污水进入膜生物反应区，由于膜的截留作用，反应区内形成高浓度的活性污泥，主要污染物（有机负荷及氨氮）在此区得到强化降解，出水达到城市生活回用水标准要求。

目前MBR一体化中水回用装置已成功应用在集装箱码头污水处理与回用、校园污水处理与回用、森林公园污水处理与回用、创业园区生活污水处理回用、村庄污水处理回用、高速公路生活污水处理回用等生活污水处理与回用领域。另外，将MBR工艺与反渗透等深度处理工艺相结合，更可满足各种不同工业回用水的水质要求，在电子电镀、皮革、印染、制药、烟草等多个工业废水处理与回用领域也有广泛的应用。

5 结论

分散式污水处理及回用技术正向着一体化、自动化和灵活化的方向发展。MBR工艺具有处理效率高、出水水质好；污泥浓度高，脱氮除磷效果好；工艺设备紧凑、占地面积小；易于实现自动化控制、运行管理简便等特点。随着膜技术的成熟和膜的大规模生产，膜的价格降低和使用寿命延长，膜组件的一次性投资及后期运行成本不断降低，MBR在分散式中水回用系统中应用将越来越普遍。