膜生物反应器(MBR)技术及其工程应用探讨

蒲文晶，刘云杰，钟大辉，程家运

(1.中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司 炼油厂，吉林 吉林 132021；3.中国石油吉林石化公司，吉林 吉林 132021)

膜生物反应器(MBR)废水处理技术开发始于20世纪90年代，世界第一套大型MBR安装于美国俄亥俄州Mansfield的通用电机厂[1]。近年来MBR技术的应用在世界上维持着每年高于10%的增长率，主要原因是MBR工艺对污染物的处理能力及处理效果是污水处理及回用的理想处理方式[2]。目前，世界上设计运行能力最大的MBR废水处理工程是位于美国华盛顿州金县的布赖特沃特污水处理工程[3]，主体工程2011年9月开始运营，设计处理量13.6万 m3/d，预计到2040年处理量将要达到20.4万 m3/d。

随着对水资源利用水平要求的不断提高，我国已经成为世界上MBR工程应用增长最快的国家[4]。特别是自2005年以来，处理能力5 000 m3/d以上的新建大中型MBR项目均保持大于100%的年增长率。

1 MBR污水处理系统的类型和特点

MBR污水处理系统由生物降解与膜过滤两部分组成。与常规的活性污泥工艺相比有诸多优势。膜过滤系统有着强大的固液分离能力，即使出现污泥膨胀的情况，也不会影响出水水质；反应器小巧、结构紧凑，因此可灵活地应用于对现有污水处理场的改造和升级；系统剩余污泥产量较少，如果采用内置式更不需要污泥回流；能够实现更好的处理性能，产水质量更高。但是MBR技术同时也存在设施设备费用偏高、膜污染及膜的使用寿命较短等问题。目前一些已实施的MBR工程，膜的寿命已从3a增加到了8a[4]。

MBR污水处理系统目前主要按2种方法进行类型划分。

按膜组件的形状划分为3种类型：一种是以中空纤维柱状膜组件为核心的类型，它具有膜面积大，占地面积小等特点；一种是以中空纤维帘状膜组件为核心的类型，它具有膜面积大，易于安装，清洗方便等特点；另一种是以浸没平板型帘式膜组件为核心的类型，它具有膜通量大，易于组装，清洗方便等特点。

按膜组件与生物反应器的组合方式划分为2种类型：外置式和内置式。

传统的外置式膜生物反应器系统，率先在北美推出，将膜分离装置与生物反应器分开安装，膜分离装置位于生物反应器外部。外置式膜生物反应器运行效率高、衰减慢，可连续出水，具有运行可靠，膜易于清洗、膜通量大等特点。但为减轻膜污染，要求循环泵提供较高的膜面错流速度(2～5 m/s)，因而循环量大、能耗高，动力费用较高，而且泵高速旋转的剪切力会使某些微生物菌体失活。外置式膜生物反应器系统膜组件一般在TMP大于210 kPa下操作。

内置式生物反应器系统是将膜组件直接浸没在生物反应容器中，它可以在较低的跨膜压差下在线运行和操作，通常为(28～56)kPa的TMP，低于0.6 m/s的有效错流速度，通过真空抽吸泵的抽吸实现污泥与废水的分离，因此该运行方式具有能耗相对较低，占地紧凑等特点，但膜通量较低，膜比较容易受污染，清洗更换频繁、操作繁琐。

内置式和外置式MBR的工程应用特性对比见表1[5]。

表1 内置式与外置式MBR的工程应用特性对比

如果只是从能耗角度考虑，内置式生物反应器系统具有比较明显的优势，但如果结合膜的清洗、更换和保养等综合因素进行全面衡量，运行与维护费用二者大致相当。因此，在实际工程中选用哪种形式的MBR，应视具体情况而定：在浓度低、水量大的情况下，如生活污水处理，能耗是工艺运行的主要问题，膜污染是次要的，因此选择内置式MBR比较合适；在浓度高、水量小的情况下，如工业废水和垃圾渗滤液的处理，有效降低膜污染是工艺运行的首要问题，因此外置式MBR才是最合适的选择[5]。

2 膜的污染及控制

2.1 膜污染机理及影响因素

膜污染的问题已成为限制MBR快速发展的重要因素[4]。

膜污染是指在膜过滤过程中，水中的溶质分子、胶体粒子或颗粒物由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内部的吸附或沉积，致使膜孔道变小或堵塞，膜表面形成凝胶层或滤饼层，造成膜通量降低和/或跨膜压差TMP升高的现象。

MBR系统的膜污染一般表现为：主要是由小分子物质造成的膜孔堵塞，大分子物质由于浓差极化附着在膜表面造成的膜表面凝胶层，在过滤过程中污泥层吸附在膜表面造成的污泥滤饼层及废水中的毛发、纤维类物质缠绕在膜丝上造成的漂浮物缠绕。

膜污染的影响因素有很多[6]。如混合液的特性、膜材料、水力条件、生物反应条件、废水成分、操作条件等。MBR系统的膜通量随污泥浓度的增加而减小，当反应器内的污泥浓度达到8～18 g/L时，膜极易被污染[4]。

高的盐度也可能加速膜污染。当废水中ρ(氯离子)>15 000 mg/L时，膜通量加速下降[7]。

2.2 膜污染的控制

2.2.1 强化预处理系统

MBR的膜组件一般采用微滤或超滤膜，膜孔径通常(0.001～0.4)μm，膜组件是整个处理工艺的核心部分，强化预处理工艺，是保证处理效果和膜使用寿命的关键。预处理的方式应是传统预处理和保护膜的预处理方法的有机结合[6]。

某矿区生活污水处理装置采用MBR，预处理系统包括自动机械格栅和毛发聚集器。自动格栅栅条间隔(5～6 )mm，可将大块杂质拦截，毛发聚集器过滤孔径2 mm，可清除污水中的大部分毛发丝[8]。

烟草废水中含有大量的白胶、烟丝、油类等物质，采用MBR处理烟草废水时，一般先通过混凝沉淀或气浮方法进行预处理，减小了后续工艺的运行负荷[6]。

某市政污水厂采用MBR工艺处理，预处理系统包括20 mm粗格栅—6 mm网孔型阶梯细格栅—曝气沉砂池—3 mm转鼓式滤孔型超细格栅—0.75 mm 转鼓式格网型精细膜格栅，且3 mm 转鼓式滤孔型超细格栅和0.75 mm 转鼓式格网型精细膜格栅同步设置了高、中压冲洗系统以解决表面堵塞及冲洗频繁的问题[9]。

2.2.2 膜的亲水处理及运行条件控制

膜组件在投入运行前，一般需通过化学改性剂对膜进行亲水处理，处理过程常借助于膜反冲洗系统。这一过程可以强化膜的抗污染能力。

MBR污水处理系统运行时，膜组件系统按真空泵抽吸8 min—停机2 min空曝气的频率工作。膜表面在上升气流、水流的共同冲刷作用下不断更新，避免了因长时间工作污染物在膜吸附压作用下沉积，同时也可使沉积在膜表面的污染物脱离膜表面，有利于降低膜污染[10]。

2.2.3 清洗

化学清洗是控制膜污染的主要方法之一。膜的化学清洗有维护性清洗和恢复性清洗2种方式。在跨膜阻力到达设定值时，可以通过向膜组件反向输入化学药剂对膜进行清洗，这属于是维护性清洗，其周期一般为1次/(1～2)周。当维护性清洗不能有效降低TMP时，需要对膜组件进行恢复性清洗。恢复性清洗可以在膜池中进行，也可以在单独设置的清洗池中进行，其周期一般为1次/(6～12)个月。一般采用在清洗池中(离线)清洗方法[5]。

某矿区MBR生活污水处理工程，采用2套在线清洗系统和1套离线清洗系统进行膜的化学清洗操作。在线清洗系统包括贮液桶、搅拌机、自吸泵及加药管道。系统通过按一定操作程序，把药液反向注入膜组件内，实现在线清洗。在MBR池上方设置起重装置，用于膜组件的提升及膜片拆卸。拆下的膜片放入离线清洗系统(清洗池)内进行浸没清洗[8]。

无锡城北污水处理厂MBR系统，设置了清水冲洗池、酸洗池(一般采用柠檬酸)和碱洗池(一般采用次氯酸钠)3个独立的膜离线清洗池。离线清洗池中增设曝气管。膜组件在进行离线恢复性清洗时，先在清水池中通过曝气去除大部分污泥，再依次放入酸洗池、碱洗池中，在进行化学药剂浸泡的同时进行曝气[9]。

某生活垃圾填埋场渗滤液处理站MBR系统，首先用清水进行MBR膜片的表面冲洗，去除表面附着的活性污泥，再依次经过质量分数0.5%的NaClO溶液1 h的浸泡，质量分数5%～10%的NaOH溶液将MBR膜片2 h浸泡，杀死附着在膜表面的细菌，去除附着在MBR膜片表面的有机物和胶体物质，最后清水再次冲洗，实现膜组件的清洗过程[11]。

某高校生活污水处理工程MBR系统，使用质量分数4‰～6‰次氯酸钠作清洗剂实现在线清洗。清洗周期1次/周。在线清洗期间好氧生物反应池停止曝气，将清洗剂注入膜组，每次反冲洗90 min。在线化学清洗后膜通量恢复率可达80% 以上。根据膜污染情况，一段时间后还应采用离线清洗方式对膜组件进行彻底清洗。3年的运行实践表明，离线清洗周期可维持1次/a。离线化学清洗后膜通量恢复率可达95% 以上[10]。

3 MBR的工程应用的技术经济情况

3.1 用于生活污水的处理

采用倒置A2/O-MBR 处理某矿区的生活污水，工程设计污水处理能力450 m3/d。出水经紫外消毒后的水质达到城镇污水厂一级A标准，回用于厂区绿化、冲洗地面等杂用水。处理成本包括人工费0.89元/t，电费0.46 元/t，药剂费0.05元/t，合计1.4元/t[8]。

湖南省大围山至浏阳高速公路服务区生活污水通过MBR处理后，出水达到回用水标准。MBR工艺的建设成本3 067元/m3，日常运行成本0.74元/m3，MBR工艺占地面积0.46 m2/m3，回用水量为38 325 m3/a，回用水经济效益114 975元/a，是MBR日常运营费用(40 515元/a) 的2.8倍，获得较高的环境效益和经济效益回报[13]。

采用MBR技术处理某高校生活污水，处理能力1 000 m3/d，出水水质优于《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T18920—2002) 标准。对CODCr和BOD5的去除率达到96% 以上，对浊度、氨氮去除率达到99%以上。项目建设造价6 000元/t。运行成本为0.967 6元/t[10]。

3.2 用于工业废水的处理

MBR污水处理技术近几年在卷烟厂中水回用项目中获得广泛应用。卷烟厂废水属于难处理废水，废水水质波动较大，生化性较差。COD最低值350 mg/L，最高值1 836 mg/L，平均值为1 112 mg/L；BOD的最低值为178 mg/L，最高值为436 mg/L，平均值为300 mg/L，B/C 0.27。徐州卷烟厂、淮阴卷烟厂、内蒙古卷烟厂、西昌卷烟厂等全国十多家卷烟厂均采用MBR工艺处理生产废水，出水一般可直接回用于厂区绿化、洗车、冲厕，或作为RO 系统水源[6]。

MBR组合工艺近年来在垃圾渗滤液的处理上也获得广泛的工程应用，由于进水COD质量浓度的不同，选择工艺及运行成本也有很大差距。进水浓度最低2 kg/m3，最高达68 kg/m3，运行费用介于9～31元/m3[5]。

东兴市卫生填埋场改扩建工程渗滤液处理站设计处理量为200 m3/d，采用厌氧-A/O(MBR)组合工艺处理后，出水再经超滤-反渗透-活性炭过滤处理，2011年装置开车后各项水质指标均达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889—2008) 的表2标准。一体式MBR动力消耗为0.2～0.4 kW·h/m3，仅约为分置式的1/10[12]。

西部某垃圾焚烧电厂渗滤液处理站采用厌氧复合床反应器-膜生物反应器(UBF-MBR)组合工艺处理垃圾渗滤液，处理规模300 m3/d。尽管渗滤液中含氮化合物较高，但系统出水氨氮仅为22 mg/L，可达到GB16889—1997中三级标准，系统处理效果良好，项目的运行成本约为30.6元/m3[5]。

4 结束语

MBR污水处理技术的工程应用近年来逐渐从生活污水处理发展到了工业废水处理，综合处理成本随着水质的不同而不同。随着抗污染膜的开发和膜材料生产成本的降低，MBR污水处理技术将会呈现更广阔的应用前景。

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