膜生物反應器一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術。
基本介紹
- 中文名：生物膜反應器
- 外文名：biofilm
- 首次提出時間：1893年
- 首次提出國家：英國
- 套用於：各種污水處理
- 特點：運營成本低
定義,引言,技術特點,裝置介紹,研究進展,套用實例,工藝流程,微生物測量,結語,
定義
膜生物反應器（MBR）與生物膜(biofilm)反應器是兩種不同的反應器。膜生物反應器一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術。而生物膜反應器是在反應器中添加各種填料以便微生物附著生長使在填料上形成了一層生物構成的類似於膜的結構，這樣的反應器才被稱為生物膜反應器。
生物膜法是污水生物處理主要技術之一，它與活性污泥法並列，既是古老的、又是發展中的污水生物處理技術。生物膜法是根據土壤自淨的原理髮展起來的。
1893年，作為生物膜法的生物濾池在英國問世，並從此開始用於污水處理的實踐。 20世紀30年代，開始建造了許多生物膜法反應器，主要形式是生物濾池。與活性污泥法相比，雖然生物濾池生物量高、運行費用低，但其負荷較低，衛生條件差，處理構築物易堵塞。在40～50年代生物濾池有逐漸被活性污泥法取代的趨勢。
60年代，新型有機合成材料大量問世，生物濾池的填料由碎石、爐渣逐步改進為聚乙烯、聚苯乙烯製成的波紋板、蜂窩狀等有機人工合成填料，使其比表面積和孔隙率大大增加，生物膜法得到了新的發展。到了70年代，除了普通生物濾池外，生物轉盤、淹沒式生物濾池和生物流化床技術得到了更多的研究與套用。近年來，又湧現出大量新型的單一或複合式生物膜反應器，如微孔膜生物反應器、氣提式生物膜反應器、移動床生物膜反應器以及升流式厭氧污泥床——厭氧生物濾池等。
——胡亨魁編著. 水污染治理技術. 武漢市：武漢理工大學出版社, 2009.09.
生物膜反應器詳見中文百科：生物膜法
下面是膜生物反應器（MBR）
膜生物反應器（MBR）是通過膜強化生化反應的污水處理新技術。
引言
傳統的活性污泥工藝(Conventional Activated Sludge, CAS)廣泛地套用於各種污水處理中。由於採用重力式沉澱方式作為固液分離手段，因此帶來了很多方面的問題。如固液分離效率不高、處理裝置容積負荷低、占地面積大、出水水質不穩定、傳氧效率低、能耗高以及剩餘污泥產量大等等。傳統生物處理工藝處理後的水難以滿足越來越嚴格的污水排放標準，同時，經濟的發展所帶來的水資源的日益短缺也迫切要求開發合適的污水資源化技術，以緩解水資源的供需矛盾。在上述背景下，一種新型的水處理技術——（Membrane Biological Reactor,MBR）應運而生。隨著膜分離技術和產品的不斷開發，(MBR)也更具有實用價值，近年來許多國家都投入了大量資金用於開發此項高新技術。
技術特點
CAS是一種套用最廣的廢水好氧生物處理技術。其基本流程如圖1所示，是由曝氣池、二次沉澱池、曝氣系統（含空氣或氧氣的加壓設備、管道系統和空氣擴散裝置）以及污泥回流系統等組成。
曝氣池與二次沉澱池是活性污泥系統的基本處理構築物。由初次沉澱池流出的廢水與從二次沉澱池底部回流的活性污泥同時進入曝氣池，其混合體稱為混合液。在曝氣的作用下，混合液得到足夠的溶解氧並使活性污泥和廢水充分接觸。廢水中的可溶性有機污染物為活性污泥所吸附並為存活在活性污泥上的微生物群體所分解，使廢水得到淨化。在二次沉澱池內，活性污泥與已被淨化的廢水（稱為處理水）分離，處理水排放，活性污泥在污泥區內進行濃縮，並以較高的濃度回流曝氣池。由於活性污泥不斷地增長，部分污泥作為剩餘污泥從系統中排出，也可以送往初次沉澱池。
圖1 活性污泥法基本流程
裝置介紹
MBR及其分類
MBR是指將超、微濾膜分離技術與污水處理中的生物反應器相結合而成的一種新的污水處理裝置。這種反應器綜合了膜處理技術和生物處理技術帶來的優點。超、微濾膜組件作為泥水分離單元，可以完全取代二次沉澱池。超、微濾膜截留活性污泥混合液中微生物絮體和較大分子有機物，使之停留在反應器內，使反應器內獲得高生物濃度，並延長有機固體停留時間，極大地提高了微生物對有機物的氧化率。同時，經超、微濾膜處理後，出水質量高，可以直接用於非飲用水回用。系統幾乎不排剩餘污泥，且具有較高的抗衝擊能力。特別是1989年Yamamoto將中空纖維膜套用於活性污泥處理中，使工藝運行成本大大降低，實際套用前景廣闊。因此，MBR是當今倍受國內外專家學者重視的一項高新水處理技術。
MBR的特點：
- 出水水質好
由於採用膜分離技術，不必設立、過濾等其它固液分離設備。高效的固液分離將廢水中有懸浮物質、膠體物質、生物單元流失的微生物菌群與已淨化的水分開，不需經三級處理即直接可回用，具有較高的水質安全性。
二、占地面積小
膜生物反應器生物處理單元內微生物維持高濃度，使容積負荷大大提高，膜分離的高效性使處理單元水力停留時間大大縮短，占地面積減少。同時膜生物反應器由於採用了膜組件，不需要沉澱池和專門的過濾車間，系統占地僅為傳統方法的60%
三、節省運行成本
由於MBR高效的氧利用效率，和獨特的間歇性運行方式，大大減少了曝氣設備的運行時間和用電量，節省電耗。同時由於膜可濾除細菌、病毒等有害物質，可顯著節省加藥消毒所帶來的長期運行費用，膜生物反應器工藝不需加入絮凝劑，減少運行成本。
膜生物反應器（MBR）工藝是膜分離技術與生物技術有機結合的新型廢水處理技術。它利用膜分離設備將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物質截留住，省掉二沉池。活性污泥濃度因此大大提高，水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）可以分別控制，而難降解的物質在反應器中不斷反應、降解。因此，膜生物反應器（MBR）工藝通過膜分離技術大大強化了生物反應器的功能。與傳統的生物處理方法相比，是目前最有前途的廢水處理新技術之一。
從整體構造上來看，MBR是由膜組件和生物反應器兩部分組成。根據這兩部分操作單元自身的多樣性，膜生物反應器也必然有多種類型。
分置式MBR是指膜組件與生物反應器分開設定，浸沒式MBR是指膜組件安置在生物反應器內部。2種反應器的流程如圖2所示。
- 2 MBR所用濾膜及膜組件
在MBR工藝中，超、微濾膜分離的對象是活性污泥混合液。活性污泥混合液主要包括活性污泥和被處理的污水，而活性污泥是由各種膠體、絮狀物和微生物（絕大部分是各種細菌）組成。膜組件長期過濾活性污泥混合液時，污染物不斷地在膜表面沉積，細菌不斷地向膜內部繁殖，使其生成的代謝產物在膜孔中沉澱，進而引起膜孔堵塞，使膜的通量下降，膜壽命縮短，工藝運行費用增加。
一般而言，決定膜過濾效果的主要因素是膜的孔徑及孔隙率，而選擇什麼樣的膜材料並不是關鍵。但是在MBR工藝中膜材料種類卻強烈地影響其耐污染性，所要解決膜污染問題的最主要的途徑是找到耐污染的膜材料或者是對膜進行改性。
從近期國內外MBR研究情況來看（文獻的抽取有隨機性），濾膜大都為較小孔徑的微濾膜，或較大截留分子量的超濾膜，孔徑範圍為0.1～0.5μm；材質主要是疏水性的聚烯烴、聚偏氟乙烯和親水性的聚碸、纖維素等，還有一些無機膜。疏水性的聚烯烴、聚偏氟乙烯一般做成中空纖維式膜組件，而親水性的聚碸、纖維素膜一般做成平板式膜組件。研究表明，膜材料的疏水性易造成膜污染，因此在制膜過程（如PVDF）中會添加一些親水有機物，如PEG和殼聚糖等。
研究進展
目前，MBR的研究主要集中在以下幾個方面：
（1）降低膜污染，提高膜通量；
（2）探求合適的工作條件和工藝參數；
（3）降低處理工藝的運行成本。
張少輝, 鄭平, 華玉妹〔1〕用反硝化生物膜啟動厭氧氨氧化反應器的研究等選取不同截留分子量的聚醚碸膜（PES），採用板框式膜組件構成的厭氧MBR對高濃度食品廢水進行處理，考察了截留分子量對膜通量和出水效果的影響。
王榮昌, 文湘華, 錢易〔2〕 分析了生物膜反應器中好氧顆粒污泥形成機理，研究了MBR運行條件對膜過濾特性的影響。
楊玉旺〔3〕研究了移動床生物膜反應器處理污水的研究套用進展。
邢傳宏等進行了管式MBR（分置式）處理城市污水的工藝設計，認為運行成本主要由電費、藥劑費和人工費等3部分組成。其中電費是最主要的，電耗為2.3kW·h/m3。
魯敏，曾慶福，張躍武〔4〕對一種新型生物膜反應器處理污水的研究發生了濃厚興趣。
王亞娥等分析了影響超濾膜通量和過濾阻力的主要因素。
楊磊等對MBR運行過程中的膜污染和清洗進行了較詳盡的試驗。
李軍, 彭永臻, 楊秀山 ,王寶貞 ,楊海燕〔5〕著重研究了序批式生物膜法反硝化除磷特性及其機理。
姜蘇等〔6〕研究了一體化A/O生物膜法處理生活污水。
白宇等〔7〕研究分析了污水深度處理生物濾層中菌群的時空分布特徵。
陳壁波等〔8〕對移動床生物膜反應器及對造紙廢水處理的意義進行了卓有成效的研究論證。
Cote P 研究了浸沒式膜系統的電耗，包括抽吸泵及曝氣2部分。每立方米產水僅耗電0.3～0.6 kW·h，而電耗是運行費用的主要部分。
榮宏偉等〔9〕在實驗室條件下對序批式生物膜法生物除磷進行了試驗研究，得出了令人期待的結論。
Wang L-Choo Ho等比較了浸沒式和分置式MBR工藝運行時的電耗，結果是，在通量為18L/(m2·h)的情況下，前者電耗僅為0.2～0.4 kW·h /m3,而後者電耗為2～10 kW·h /m3。
鮑立寧等〔10〕在電極生物膜脫氮工藝中反硝化菌相分析方面進行了研究。
MBR因自身特殊的工藝也要求了不同於一般的超、微濾膜材料，但製備針對於MBR所用的膜材料的研究還很少。顯然選擇合適的膜材料是降低膜污染的一個重要方法，這還有待於進一步研究。
套用實例
隨著研究的深入，國內外已有了MBR套用的實例。實踐表明，膜污染嚴重、水通量低，是限制MBR推廣套用最主要的原因。
加拿大Cote P等 報導了北美洲在20世紀90年代MBR發展的概況。其中ZENON環保公司在1996年推出了組件膜面積為46m2、體積密度為63m2/m3的ZW-500型膜生物反應器，該設備已成功地套用於市政污水處理。目前以小規模裝置為主，處理能力為10～200m3/d，主要在辦公樓、購物中心、學校、醫院和療養地推廣使用。裝置的水力停留時間(HRT)為24h，SRT為1～2年。濾出液經過紫外線消毒或活性炭吸附後，用作廁所沖洗水。在安大略省建成的日處理污水3 800m3的MBR裝置，安裝了ZW-500型膜組件144個，總膜面積6624m2。曝氣池體積440m3，正常HRT為3.8h；厭氧反應池體積為380m3，HRT為2.4h。運行期間的MLSS濃度為12 000～20 000mg/L，MLVSS濃度僅為MLSS的55%～70%。運行9個月以來出水BOD和有機磷的去除率都接近100%。
日本自1998年以來，著重推廣了中水道系統的開發利用。其目的主要是將以廚房排水、洗臉及洗澡後的排水為主體的樓房排水進行處理，然後作為廁所沖洗水再利用。比如，日立工廠建設公司用高濃度活性污泥法和旋轉平板超濾膜裝置組合而成的系統作為大樓中水道的回用系統。因為膜板旋轉，使膜表面的污泥被攪拌，從而可控制膜面污染。
天津清華德人環境公司和天津大學共同研製的MBR已有了一些的套用實例。以處理天津某寫字樓排放的污水為例，該寫字樓的建築面積約為17 000m2,採用了日處理能力為25m3 的裝置，設備本體占地3.2m2,投資10餘萬元，能耗為0.8kW·h/m3。處理出水可用作沖廁、綠化及洗車等。
鄭斐等〔11〕研製出生物膜法的新工藝—無泡曝氣膜生物反應器。
呂曉輝等〔12〕對移動床生物膜反應器脫氮除磷技術情有獨衷，使脫氮除磷效率又有了較大的發展。
工藝流程
ge mbr膜反應器技術通過氣、液兩相逆流進行脫臭操作，含有H2S的氣體從底部進入，經過生物濾床和移動床在由頂部排出，此時污水可以從頂部均勻的灑出，然後通過底部排水管進入沉澱池。
複合生物反應器對醫院污水處理的效果
該工藝可以對污水處理和除臭同時進行。它的進水方式可以分為兩種：一種是保證連續進水，另一種是間歇進水。這兩種進水方式輔助生物反應器同時處理污水並脫臭，使其最終處理效果顯著。
微生物測量
在正常運行狀況下，複合生物反應器下部是固定生物膜濾床，上部是移動床。
其微生物量為：
1、CBBR混合液SS為1 604 mg/L，總量約為2.456 g。
2、固定填料生物膜總量為12.036 g
3、移動床懸浮填料生物膜總量為1.428 g
4、CBBR微生物總量約為15.92 g
該工藝對污水除臭起到了很大作用，它的除臭工藝簡單且效果顯出。複合生物反應器與其他污水處理設備相結合，降低污水處理難度，從而改善周邊環境，有效遏制病菌的傳播。隨著醫療技術的不斷提高，新型藥劑的產生將繼續加大污水處理難度，所以水處理技術仍需隨之提升，滿足時代發展需求。
結語
- 1 MBR綜合了膜分離技術和生物處理技術的優點，超、微濾膜組件能替代CAS中的二沉池，更有效地進行泥水分離，並延長SRT，提高微生物對污水中有機物的處理能力。經超、微濾膜處理後出水水質好可以直接用於非飲用水回用。系統占地面積小，幾乎不排剩餘污泥，具有較高的抗衝擊能力。
- 2 MBR具有一定的實用性，但膜污染仍是制約MBR推廣套用的最主要因素。因為MBR中膜材料既要面臨活性污泥、污水中固體顆粒的污染，又要面臨活性污泥中微生物的侵蝕。雖可以通過控制抽停時間、曝氣量等工藝參數以及採用適當的清洗技術來減少膜面的污染，但最有效、最根本的方法是研製出一種抗污染、耐微生物侵蝕的新的膜材料及對膜進行適當的改性。
- 3 在套用MBR技術處理市政、生活污水並實現中水回用時，還要考慮另外一個關鍵因素，即運行成本。因此，在研究中要始終將運行成本。作為考慮試驗方案和確定試驗結果的主要出發點。
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