膜生物反应器处理生活污水的工艺试验研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.11MB 87 页 15积分

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第1章有关 MBR 研究的综述

1.1 MBR 的发展历史

膜生物反应器最先用于微生物发酵工业。废水处理领域中的应用研究始于上

世纪 60 年代中期的美国，Dorr-Oliver 公司（位于 Connecticut 州的 Stanford）的

Smith 等[1]第一次报道了将膜与生物反应器相结合处理城市污水，当时采用板框式

超滤膜组件代替二沉池对活性污泥混和液进行泥水分离，并将浓缩污泥返回到曝

气池。该项工作的目的就在于开发一种比传统活性污泥法更紧凑、出水水质更好

的处理系统。但当时由于受膜生产技术的限制，膜的使用寿命短，水通量小，使

其未能在北美得到商业化应用。但对 MBR 的研究并未因此而停止，就在当时，

这种方法得到日本 Sanki Engineering 的许可[2]。日本国土狭小、地价高的国情为

膜分离技术在废水处理中的应用提供了广阔的前景。

70 年代膜生物反应器终于开始走向实际应用。70 年代初期，美国的 Thetford

公司（位于 Michigan 州的 Ann Arbor，1994 年更名为 ZENON）开发了一个名为

“Cycle-Let”的 MBR 工艺，用于处理并回用来自小型商业设施的冲洗水。该系

统的生物处理部分采用两段好氧－缺氧工艺，泥水分离采用管式超滤膜组件。膜

出水进一步经过UV 消毒后用于冲洗厕所。在 1974 年到 1982 年之间，该公司又

安装了 27 套这样的处理系统。

1978 年，Grethlein H.E.第一次报道了膜分离与厌氧工艺组合处理生活污水

[3]。

进入 80 年代，国际上对膜生物反应器的研究更是方兴未艾，日本、美国、

欧洲诸国、澳大利亚、南非等诸多国家都投入了很大力量对不同材质、膜组件形

式与不同类型的生物反应器的工艺组合形式进行研究，从中取得了很多具有实践

指导意义的结论。80 年代初期，Thetford 公司开始将 Cycle-Let 工艺用于更大规

模的处理，如大型办公楼、商业中心、工业区、运动区等，这些地方都要求对冲

洗水进行回用以减少污水的排放[2]。日本的三井石化公司采用活性污泥法与平板

膜组合，直接处理未经稀释的高浓度粪便污水，取得了前所未有的处理效果；用

于处理大楼生活污水时，不仅可以使 BOD、COD 降得很低，而且可以使处理出

水检不出细菌等，可直接作为楼房中水道用水、草地喷水和汽车冲洗水等，达到

了污水回用的目的[4]。1985 年至 1990 年，日本建设省制定了“Aqua Renaissance

90”大型研究计划，耗资总额高达 118 亿日元，开发的目的是把高新技术应用到

水处理上，从高效、节能的角度出发，通过小试、中试评价试验，研究了厌氧膜

生物反应器对酒精发酵废水、造纸废水、淀粉废水、油脂蛋白废水、大规模城市

污水、小规模城市污水及屎尿等七种废水的处理情况，进入了生产性试验[5,6]。

随着膜材料的发展、生物反应器新工艺的开发和研究工作的不断深入，出现

了一些新型 MBR，废水研究对象也不断扩大。

1989 年，在 Yamamoto 等[7]的报道中，将中空纤维膜组件直接置入活性污泥

反应器，开辟了一体式 MBR 新工艺，并将 MBR 的能耗大大降低。自此，MBR

在运行方式上形成了分置式和一体式两种。与此同时， Zenon 公司开发了

ZeeWeed 浸没式中空纤维膜组件，以减少泵的能耗，并于 1993 年首次进入商业

一体式膜生物反应器（MBR）处理生活污水的工艺试验研究

应用[2]。

进入 90 年代，MBR 工艺的商业化应用更是取得了空前的规模（见表 1-

1[8]）。

表1-1 商业规模的分离活性污泥 MBR 工艺应用举例[8]

公司

国家

废水类型

设备数量

处理能力

m3/d

Rhone Poulenc-Techsep

MPC-UBIS

Thetford Systems

Kubota

Degremont

Membratek

Zenon Env Inc

Grontmij

SITA/Lyonnaise des Eaux

法国

日本

美国

日本

法国

南非

加拿大

德国

法国

生活污水

工业废水

工业渗滤液

渗滤液

>40

>30

>20

<400

<200

10-110

500

100-500

116

50-240

10-50

在日本，这一工艺成功的用于大楼的屎尿处理和污水回用，据统计，从 1992

年至 1998 年就有 50 座一体式 MBR 投入使用，最大处理量为 120m3/d[9]。在英

国，城市用水约占总用水量的 40%，高于欧共体其他成员国，因此“灰水”（grey

water，包括洗澡水、雨水、厕所冲洗水和草皮灌溉水等）回用受到了极大重视，

经过研究比较，MBR 以其高效稳定的出水水质，尤其满足了对细菌指标的要求

而受到青睐[10]。英国水协 Wessex 于1997 年11 月在英国西南海岸的 Porlock 建立

具有最大处理流量为 2000m3的MBR 工艺[8]。德国的 Erft River Association 已设计

了一个处理量为 650m3/d 的MBR 城市污水处理工艺[11]。法国 Maisons-Laffitte 的

Anjou 研究中心为了考察一体化膜生物反应器对生活污水的处理性能进行了为期

两年的中试研究，该工艺被命名为“BIOSEP”，并已对两座污水处理厂进行改

造，处理量为 900m3/d，其中一座改造目的是提高原污水厂的处理效率，另一座

改造目的是提高原污水处理厂（460m3/d）的处理能力[12]。在北美，膜生物反应

器目前已用于商业发展中的现场处理、工业废水处理和城市污水处理，其中，商

业发展中所用 MBR 装置较小，处理量在 10～200m3/d，分布在住宅区、办公区、

商业中心、学校、宾馆和风景名胜区，且如果出水要回用于冲洗厕所还需进一步

经过 UV 消毒和活性炭吸附，再通过单独的管网输送；而在工业废水中的应用集

中在处理难度较大的废水，如金属加工车间所排除的含有油脂的废水，其处理量

为750m3/d，并主要用管式膜组件；1997 年6月在 Ontario 的Milton 第一个用于

城市污水处理的 MBR 投入使用，此后还有 15 个城市污水处理厂被列入改造计

划，总处理量累计达 9500m3/d[2]。

近几年，一体式 MBR 又取得了很大发展，Ueda 等[13]在一体式 MBR 处理生

活污水的中试研究中，浸没在反应器中的膜不再通过抽吸的外加压力，而是通过

浸没深度所产生的水头来实现过滤作用。试验连续运行 371 天未对膜进行清洗，

过滤压力可限制在 17kPa（对应曝气池所能提供的最高水位的压头为 1.69m）以

下。这一进步得益于膜制作水平的提高。

世纪之交，围绕 MBR 的研究继续蓬勃发展，如在美国的圣地亚哥（San

Diego）“2000 年水研究中心”目前正在评价各种水回用项目，在这些项目中，膜

占有重要地位，并对新出现的经济有效的城市污水回用技术表现出浓厚兴趣，其

第1章有关 MBR 研究的综述

中就有 MBR 工艺[14]。

在MBR 的发展期间，其含义也得到拓展。Keith Brindle 等[1]将两种通过膜

来优化反应器的工艺也纳入 MBR 的范畴：即无泡曝气（bubbleless aeration）

MBR 和萃取（extractive）MBR（也称 EMB）。

无泡曝气 MBR 最早见于 Cote.P 等[15]于1988 年的报道，采用透气性致密膜

（如硅橡胶膜）或微孔膜（如疏水性聚合膜），以板式或中空纤维式组件，在保

持气体分压低于泡点（bubble point）的情况下，可实现向生物反应器的无泡曝气

（纯氧）。由于传递的气体含在膜系统中，因此提高了接触时间，从而达到约

100%的传氧效率；同时由于气液两相被膜分开，因此有利于曝气工艺的更好控

制，有效的将曝气和混和功能分开；而且由于供氧面积一定，因此该工艺不受传

统曝气系统中气泡大小及气停留时间等因素的影响。此后，英国的 Keith Brndle

等[16]对此进行了更多的研究，如在序批式生物膜法中采用螺旋硅橡胶膜管进行无

泡曝气，取得了高效曝气效果[17]。

萃取 MBR 是结合膜萃取和生物降解，将有毒的、溶解性差的有机化合物从

具有离子强度高和极端 pH 值的废水中分离出来，然后用专性菌对其进行降解，

从而使专性菌不受废水中离子强度和 pH 值的影响，生物反应器的功能得到优

化，英国的 Brookes 等对这方面的研究较多[18]。

由于无泡曝气 MBR 和萃取 MBR 与通常所说的的分离生物固体的 MBR 有较

大差别，因此，本文除非特别指出这两种 MBR，否则均指的是分离生物固体的

MBR 系统。此外，还出现了生物膜法与膜分离组合的工艺，以及由无泡曝气

MBR 和分离生物固体的 MBR 相结合的新型反应器，如 Kimura 等[19]所研究的转

盘式生物膜－膜反应器（BMR），既将膜作为生物膜形成的载体，又利用膜实现

对处理水的过滤；Scott 等[20]的MBR 中所用陶瓷膜具有曝气和分离生物固体的双

重功能；而 Castillo 等[21]所用的生物膜－膜反应器中膜既发挥无泡曝气功能，同

时膜还作为生物膜的载体，实现脱氮除磷的目的。这些反应器主要体现的是生物

处理的功效，也被纳入本文所指的 MBR 工艺。

我国从 1994 年开始 MBR 处理污水的研究，清华大学、中国科学院生态研究

中心、哈尔滨工业大学、天津大学和同济大学等先后开展了关于 MBR 的理论及

应用方面的研究。但从整个 MBR 发展状况来看，还未进入商业化的领域。

1.2 MBR 的组成和特点

1.2.1 工艺组成

MBR 装置由生物反应器和膜组件组成。根据膜组件设置的位置可分为分置

式和一体式两种，分别如图 1-1 和图 1-2 所示。

在分置式 MBR 中，生物反应器的混和液由泵增压后进入膜组件，在压力作

用下膜过滤液成为系统处理出水，活性污泥、大分子物质等则被膜截留，并回流

到生物反应器内。最早使用的分置式 MBR 是双泵循环系统，如 Cycle-Let 工艺

[2]，而 Zenon 和General Motors 共同开发的 ZenoGem 工艺则是单泵循环系统[2]。

分置式 MBR 通过料液自身的再循环错流运行，其特点是：运行稳定可靠，

操作管理容易，易于膜的清洗、更换及增设。但为了减少污染物在膜面的沉积，

由循环泵提供的料液流速很高，为此动力消耗高。

一体式膜生物反应器（MBR）处理生活污水的工艺试验研究

1、进水 2、曝气管 3、反应器 4、循环泵 5、膜组件

6、回流污泥 7、出水

图1-1 分离式膜生物反应器

1、进水 2、反应器 3、膜组件 4、曝气管 5、抽吸泵 6、出水

图1-2 一体式膜生物反应器

一体式 MBR 根据出水方式的不同，可分为两种组合形式：第一种是利用生

物反应器内液面和膜组件出口液面的高度差，即利用自然的水力压头进行膜分

离，亦称为重力淹没式 MBR；第二种组合是通过真空泵或其它类型的泵抽吸，

得到过滤液。为了减少膜面污染，延长运行周期，一般系统是采用间断出水方

式。

一体式 MBR 利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流效果，也有采

用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件自身的旋转（如转盘式膜组件）来

实现膜面错流效应。与分置式相比，一体式的最大特点是运行动力费用低。但一

些学者认为，一体式在运行稳定性、操作管理方面和清洗更换上不及分置式[4]。

常用于 MBR 工艺的膜有微滤膜（MF）和超滤膜（UF）。膜材质包括有机膜

和无机膜，有机膜制造相对便宜，应用广泛，但在运行过程中容易污染、寿命

短；无机膜则抗污染能力强，寿命长，能在恶劣的环境下使用，但目前制造成本

高，使其广泛应用受到限制。

分置式 MBR 采用的膜组件形式一般为平板式和管式（如 Zenon 公司名为

PermaFlowZ-8 的管式膜组件[2]），而一体式 MBR 多采用中空纤维式（如加拿大

第1章有关 MBR 研究的综述

Zenon 公司的名为 ZeeWeed 中空纤维膜组件[2]）和平板式（如日本 Kubota 公司的

板式膜组件[2]）。螺旋卷式膜组件其构造不宜用于分离生物固体，因此不用于

MBR 工艺。

在MBR 组合工艺的发展过程中，为适应不同的处理要求，选用了不同的生

物反应器类型及工艺与膜进行组合。根据生物反应器有无供氧可分为好氧 MBR

和厌氧 MBR。好氧 MBR 多用于易降解有机废水的处理，如城市和生活污水的处

理，并从微生物的形态可将普通活性污泥法及生物膜法分别与膜组合；从运行方

式上又可将连续流生物反应器和序批式生物反应器（SBR）分别与膜组合。厌氧

MBR 多用于工业废水的处理，并将不同的厌氧工艺，如固定床厌氧反应器、流

动床厌氧反应器、UASB 和两相厌氧反应器（膜分别用于产酸段出水和产甲烷段

出水混和液的分离）分别与膜组合。

1.2.2 工艺特点

大量的试验研究和实际运行结果表明，MBR 有如下特点：

（1）污染物去除效率高，处理出水水质好。不仅对悬浮物、有机物去除效

率高，而且可以去除细菌、病毒等，出水可直接回用。

（2）膜分离可使微生物完全截留在生物反应器内，实行反应器水力停留时

间和污泥停留时间完全分离。使运行控制更加灵活、稳定。

（3）生物反应器内的微生物浓度高，装置处理容积负荷大，设备占地少。

（4）有利于增殖缓慢的微生物，如硝化细菌的截留和生长，系统硝化效率

得以提高，同时可以提高难降解有机物的降解效率。

（5）传质效率高，氧转移效率高达 26%～60%左右。

（6）污泥产量低（由于相对较小的 F/M 值）。

（7）易于实现自动控制，操作管理方便。

（8）能耗较高。

（9）运行过程中膜易受到污染，使产水量降低。

（10）制造成本较高。

1.3 MBR 的现状与发展

1.3.1 MBR 在国外废水处理工程中的应用现状

膜生物反应器技术在污水处理领域目前正在受到广泛的重视，并在世界范围

内开始应用。据 Koyunco1998 年调查统计，世界上每天约有 5百万立方米各类水

质的水经过膜工艺进行处理。

鉴于膜技术的迅速发展，1992 年3月在 IAWPRC（国际水污染研究与控制协

会，后改为 IAWQ——国际水质协会，现在并入 IWA——国际水协会）的主持

下，在南非的开普敦举行了第一届“膜技术用于污水处理专题会”，会议由 153

名世界各地代表参加。与会代表参观了南非当时的一座采用 ADUF 工艺的玉米加

工污水处理厂，两座大型电厂冷却塔，以及污泥脱水，UF 和RO 处理屠宰废水、

羊毛处理污水等一系列处理设施，各工艺均采用膜技术对相应污水进行了成功的

处理。从那时起，膜技术开始在污水处理领域中得到了长足的发展和应用。1999

年11 月在日本东京 IAWQ 组织了第二次专题会——“膜技术用于环境治理专题

一体式膜生物反应器（MBR）处理生活污水的工艺试验研究

会”，会议由 287 名世界各地代表参加，论文结集出版并在以下三个方面进行了

深入的讨论：

1) 膜处理过程如：反渗透、纳滤、超滤、微滤等的基本理论；

2) 膜技术在环境工程中的应用：如污水处理、饮用水处理、工业废水处理

等；

3) 膜分离生物反应器中的微生物群落。

好氧 MBR 工艺的最早的实际商业应用在 20 世纪 70 年代末期的北美。厌氧

MBR 工艺的首次实际商业应用是 80 年代早期在日本和南非。而在欧洲，好氧

MBR 工艺的第一次出现是在 80 年代中期。目前在世界范围内，实际运行的

MBR 系统已经超过 500 套，同时许多工程正在计划或者建设中。MBR 系统在日

本的商业应用发展很快，世界上约有 66%的工程在日本，其余主要在北美和欧

洲。这些工程中 98%以上是膜分离工艺与好氧生物反应器相结合。约 55%是浸没

于生物反应器中，其余则是膜器件置于生物反应器之外。见表 1-2。[22]

表1-2 世界范围内 MBR 所处理污水的类型及相应的的 MBR 的百分率

污水类型

约占所有 MBR 的百

分率/%

污水类型

约占所有 MBR 的百

分率/%

工业污水

楼宇污水

家庭污水

城市污水

垃圾渗滤液

表1-3[22]列出 6种主要商业化 MBR 中，5种为好氧式，1种为厌氧式。其中

3种为浸没式，3种为外置式。与浸没式膜组件相比，外部循环式膜系统趋于错

流速率更高，膜驱动压力（Transmembrane Pressure，TMPs）和膜通量更大。尽

管制造商声称外置式膜组件的设计，易于对现有污水处理系统进行更新，但是它

的清洗也比较复杂。

不同的商业化 MBR 采用不同的方法，来获取相应膜通量所需的膜驱动压

力。Kubota MBR 采用高于膜组件的静态水压头，膜在正常情况下浸没于一定液

面深度之下。ZenoGem MBR 采用静态水压头与真空抽吸相结合的方法，Kubota

工艺在高峰水力负荷时也用此法。Orelis 和WehrleWerk MBR 采用控制与外部循

环膜组件相连的循环系统压力值的方法。

好氧 MBR 工艺已经成功应用于下列行业的工业污水处理：包括化妆品、医

药、润滑油、纺织、屠宰场、乳制品、食品、造纸与纸浆、饮料、炼油工业与化

工厂。在欧洲垃圾填埋场渗滤液的好氧 MBR 处理厂正在兴建。

2001 年，S.Adham 等撰文公布了对市场上活跃的四家 MBR 生产商的问卷调

查结果，调查内容涉及 MBR 的设计、运行、造价等，具体包括以下几方面。①

MBR 的总体信息，如地点、处理量、污水类型、流程（浸没式还是外置式）、开

始运行时间。②膜特性和运行参数，如孔径、面积、膜通量、反冲洗和化学清洗

参数。③生物反应器的流程、水力和运行参数、污泥产量、曝气速率。④运行效

果，如有机物、氨氮、微生物（如大肠杆菌）的去除效果。⑤造价。包括膜和污

水厂的基建投资、运行和维护的人力费用、能耗、污泥处置费用以及其他费用。

问卷向四家公司发出 45 份，收回 20 份(见表 1-4)[23]。

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摘要：

第1章有关MBR研究的综述1第1章有关MBR研究的综述1.1MBR的发展历史膜生物反应器最先用于微生物发酵工业。废水处理领域中的应用研究始于上世纪60年代中期的美国，Dorr-Oliver公司（位于Connecticut州的Stanford）的Smith等[1]第一次报道了将膜与生物反应器相结合处理城市污水，当时采用板框式超滤膜组件代替二沉池对活性污泥混和液进行泥水分离，并将浓缩污泥返回到曝气池。该项工作的目的就在于开发一种比传统活性污泥法更紧凑、出水水质更好的处理系统。但当时由于受膜生产技术的限制，膜的使用寿命短，水通量小，使其未能在北美得到商业化应用。但对MBR的研究并未因此而停止，就在当...

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