MBR技术的发展及应用

42中国环保产业2010.11技术与工程应用Technology&EngineeringApplication房 蕾，郑 骥(北京机电院高技术股份有限公司，北京 100027)摘■要:介绍了目前MBR的主要类型、膜污染情况、膜清洗方式以及MBR在不同领域的应用情况和工程实例，对MBR技术未来的发展趋势进行了预测。关键词:膜生物反应器（MBR）;MBR类型;膜污染;膜清洗;技术应用中图分类号:X703文献标志码:A文章编号:1006-5377（2010）11-0042-06MBR技术的发展及应用前言膜生物反应器（MBR）是一种相对新型的污水处理技术。膜生物反应器中的膜组件能将污水中所有的生物菌种截留在反应器内，在长泥龄和高悬浮固体浓度下处理废水中的有机物质。MBR技术主要应用于城市污水的处理、净化、回收，还可以联合其它方法处理特殊行业的高浓度有机废水，其处理后的出水悬浮物和浊度接近零，水质良好且稳定。MBR技术因其具有能够自动控制、操作管理方便、对旧工艺改造简单等优点，已在全球多个国家、多个城市、多个水处理领域广泛应用。1MBR的主要类型MBR技术已发展了近20年的时间，随着科学技术的进步，MBR实际应用经验的积累，MBR组件的形式不断变化。按照不同的分类方法，MBR主要有以下的形式：（1）按照膜材料不同划分MBR组件中最重要的组成部分是膜组件，按照膜材料的不同，膜组件可以分为有机膜、无机膜、复合膜以及仿生膜。有机膜材料有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚砜（PS）、聚酰胺（PA）、聚偏氟乙烯（PVDF）等，价格较便宜，但易污损，目前市面上最常用的是PVDF和PE膜；无机膜有陶瓷膜等，使用寿命长，且能在恶劣的环境下工作，但价格较贵，目前市场应用较少；复合膜以及仿生膜是当前研究的重点，其具有优良的抗污染能力、低廉的价格优势，必将成为未来膜材料的发展方向。（2）按生物反应器需氧性能划分按生物反应器需氧性能分为好氧性MBR和厌氧性MBR。好氧性MBR主要处理城市废水和生活污水；厌氧性MBR主要处理高浓度有机废水。（3）按膜组件类型划分按膜组件类型分为板式、管式和中空纤维式。其中中空纤维式的成本最低，但是湍流促进性能较差，易污染，应用于微滤、超滤、反渗透，可进行反冲洗；板式的成本较高，湍流促进性能较好，应用于超滤、反渗透，不可反冲洗；管式的成本最高，其湍流促进的效果最好，抗污染力强，应用于错流微滤、错流超滤、纳滤，不可反冲洗。目前采用这些膜组件的主要提供厂商如下，中空纤维式：三菱丽阳（MitsubishiRayon）、GE、Zenon和SiemensMemcor等；平板式：久保田（Kubota）、东丽（Toray）和Huber等；管式：NORITX-FLOW、Berghof等。（4）按膜组件在MBR中所起作用划分按膜组件在MBR中所起作用不同分为膜分离MBR、曝气式MBR、萃取式MBR。膜分离MBR用于固液的分离与截留，是现在应用最为广泛的一种方式；曝气式MBR的无泡曝气，适于有机负荷率高、高需氧量的废水处理；萃取式MBR用于高浓度无机物、高酸度或碱度、高浓度有毒物质的工业污水的处理。（5）按膜组件与生物反应器的相对位置划分按膜组件与生物反应器的相对位置分为分置式（又称错流式）MBR和一体式（又称浸没式）MBR，其中55%以上的工程应用一体式MBR。43CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY2010.11技术与工程应用Technology&EngineeringApplication2MBR膜的污染及清洗MBR处理工艺拥有占地面积小、处理效果好、利于对旧工艺改造等众多优点，但是同其它膜一样，无法避免膜污染问题。当污水过滤污泥的浓度达8~18g/L时，膜很容易被污染，膜污染的问题已成为限制MBR快速发展的重要因素。通常来说，一体式和分置式膜生物反应器有其各自最佳的生物反应器和膜组合形式，当生物填料的体积较大时，一体式膜生物反应器的膜污染最重，复合式膜生物反应器次之，活性污泥膜生物反应器的膜污染最轻。总体来说，膜的污染分为三种类型：无机污染、浓差极化污染以及生物污染。这三种膜污染的形式在废水处理过程中都无法避免，只能通过控制废水处理过程，减缓污染程度以延长膜清洗周期。膜的清洗方式有多种，一般可分为物理清洗和化学清洗。物理清洗包括反冲洗和膜松弛。反冲洗是液流反向流动，膜松弛时停止过滤，用空气不断冲刷滤膜，很多时候反冲洗和膜松弛结合使用。物理法主要包括水外洗、水反冲洗、空气反吹、空曝气等。化学清洗主要采用无机或有机酸、氢氧化钠、次氯酸钠对MBR膜原位清洗，也可加入一定的低浓度化学清洗剂。3MBR的应用3.1生活污水的处理MBR处理技术最早应用于生活污水的处理，国内外已有成熟的工程技术经验。久保田公司和泽能公司[1]是目前世界上占有城市污水处理工程市场份额最大的企业。久保田平板膜技术在世界多个国家已有成功的工程项目。如柏林的CoiLLDubh污水厂，2004年建成MBR处理工艺并运行至今。其设计污水处理量为50m3/h，总膜通量约为27LMH，出水水质BOD5mg/L、SS5mg/L、NH3-N0.5mg/L、TP0.05mg/L，出水水质稳定。泽能公司的中空纤维膜MBR技术，在污水处理领域拥有成熟的技术经验，其在意大利布雷西亚污水厂的MBR设计处理量达到42,000m3/d，HRT为7~8h，SRT为17d，污泥保持浓度8~10mg/L，从运行至今，MBR系统未出现任何差错。东丽公司MBR目前在全世界大约有25项正在运行的工程，其中3项的日处理量为500m3/d。如其2006年在比利时建成的MBR平板膜生活污水处理装置，处理量已达到2400m3/d，并且从建成至今，运行稳定。我国MBR技术处理生活污水已有众多工程实例。北京市密云县再生水厂处理采用MBR技术，使用中空纤维膜组件和模块化设计与安装，运行全部实现自动控制。密云县再生水厂设计规模4.5万m3/d（现运行3万m3/d），处理成本0.67元/t，目前出水COD30mg/L、BOD4.8mg/L、NH3-N0.28mg/L、SS6mg/L、TP0.06mg/L，出水水质良好。常颖[2]等人研究了复合式膜生物反应器（HMBR）工艺对小区生活污水进行处理和回用，工艺设计的特点为通过曝气对水流的循环作用实现膜表面截留的污泥与硝化液的自动回流，简化A/O系统的运行。杨娜[3]等研究了复合淹没式MBR深度处理生活污水，工艺的特点是实现了固体停留时间与水力停留时间的分离，减少了剩余污泥的产量，解决了传统工艺中二者关联的问题。汪传新[4]等使用改良的MBR技术处理高氨氮生活污水并对其做了回用的中试研究，工艺的特点是在常规MBR的基础上增加水解区及泥水回流装置，并将其用于处理高氨氮生活污水。以上MBR技术处理生活污水其出水水质均满足了《生活杂用水水质标准》（CJ25.1-89），通过消毒处理后还可以用于小区冲厕、绿化、洗车、喷洒道路、空调补水，甚至可以用于标准更高的小区美化的水景和喷泉工程等。在我国，MBR技术的起步较晚，但是从目前的研究来看，MBR处理生活污水技术已日趋成熟，今后会应用于更多的工程项目。3.2工业废水的处理20世纪90年代以来，MBR的处理对象不断拓宽，研究人员将MBR处理技术不断应用于工业废水、高浓度有机废水等特殊行业废水的处理中，如处理食品工业废水、水产加工废水、养殖废水、印染废水、石油化工废水等等，这些研究均获得了良好的处理效果。（1）印染废水印染废水中含有大量以芳烃和杂环化合物为母体，并带有显色基团及极性基团的高分子有机物，染料结构非常复杂，尤其是带有乙烯砜基的活性染料更是生物难降解染料。MBR处理装置截留的大量微生物可以有效处理染料废水中难降解的有机物。郑祥[5]用厌氧反应器与膜生物反应器（MBR）组合工艺处理毛纺印染废水。结果表明，当进水COD、BOD和色度分别为128~321mg/L、36~95mg/L和40~70倍时，出水44中国环保产业2010.11技术与工程应用Technology&EngineeringApplicationCOD、BOD、色度的平均值分别为36.9mg/L、3.7mg/L、21倍，平均去除率分别达到80.3%、95%、59%，达到生活杂用水水质标准。邓家添[6]研究了MBR-RO处理江苏盛虹集团印染废水，采用威士邦膜科技有限公司开发的浸没式超滤（MBR）+反渗透工艺对二沉池出水进行深度处理，实现印染废水的循环回用，整个工艺出水水质能够达到回用水的标准。石大安[7]等人以钢铁厂废酸对印染前处理废水进行简单预处理，再利用膜生物反应器（MBR）进一步处理，这样可使废水水质大为改善，减轻后续处理负荷。在最佳工艺条件下，废水中的SS几乎完全得以去除，色度可去除30%左右，NH3-N和COD去除率均可达72%左右。通过研究发现MBR技术处理印染废水，不仅对COD、BOD有较好的去除效果，而且对色度也有较好的去除率。MBR工艺截留的高浓度菌种对难降解有机物有很强的处理效果。从研究结果也可以看出，MBR与其它工艺的组合处理效果更佳，因此，未来的研究会偏向于多种技术结合的处理方式。（2）啤酒废水啤酒废水比较特殊，其生产中废水间歇排放，水质水量的变化很大。采用传统的活性污泥法处理，水质、水量的变动会对整个处理系统产生高负荷，稳定性差。而MBR处理技术稳定性强，抗冲击负荷能力高，因此使用MBR技术处理啤酒废水具有重要的意义。2004年，科式公司采用科式膜在比利时建成MBR处理啤酒废水，处理量为2000m3/d，最终出水COD为100~200mg/L、BOD为2~5mg/L、TSS为0、TN为1~2mg/L、TP1mg/L。该工艺是由原活性污泥构筑物改建而成，从改建至今，出水水质稳定，运行可靠。由此可见，MBR技术不仅能对啤酒废水进行有效处理，且方便于对旧工艺的改造。天津市2006年建成啤酒废水MBR处理工程，设计年产啤酒40万t，同时在啤酒生产过程中每天将产生4000m3废水。污水处理厂采用UASB-MBR工艺，使该厂生产过程中产生的废水经处理后达到景观回用水和生活杂用水标准。（3）制药废水制药废水一般属于中等浓度的废水，但是废水中会含有部分药剂成分，这些药剂会抑制微生物的生长、繁殖，最终造成污泥膨胀，影响生化处理的效果。利用MBR处理这些制药废水，膜可将大部分微生物截留在MBR反应器内，因此对制药废水可以达到很有效的处理。孙从明[8]研究了MBR处理植物制药厂废水，针对昆明某制药有限公司制药废水采用MBR处理工艺，最终出水水质达到国家污水一级排放标准，出水水质COD31.72mg/L，NH3-N0.16mg/L，磷酸盐未检出，pH8.19，粪大肠杆菌9个。该制药厂2002年竣工后连续五年使用日本产的浸入式超滤膜，为聚乙烯中空纤维帘式膜，于2007年初重新更换成国产膜—天膜天方膜（天津产），运行后水质稳定。由此看出，国产膜质量也在快速进步。杨新宁[9]等人对维生素C类制药废水进行了臭氧+MBR处理工艺的中试研究，实验中废水先经过臭氧氧化处理，然后再经过MBR工艺，最终出水水质COD、氨氮都有明显的降低，可以达到国家《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中的二级标准。在这里臭氧工艺的预处理起到了很好的作用，与MBR技术的联用非常有效。在特殊废水处理中，MRB技术与其他技术的结合使用是一种非常有效的方法，可以满足特殊废水的处理目标。（4）食品加工废水食品行业废水中含有大量的食物纤维、蛋白质、油脂、有机物和悬浮物。其中有机物和悬浮物易腐烂，会导致水体富营养化，造成水生动物和鱼类死亡，致使水底沉积的有机物产生臭味，恶化水质，污染环境。由于MBR技术污泥浓度较高，污泥龄较长，因此对于有机物含量高、悬浮物多的食品废水有较好的处理效果。英国的KanesFood公司和BourneSaLads公司的废水回用系统都是采用一种改良过的MBR技术处理，MBR采用分置式，膜组件采用NoritX-FLOW管式