膜生物反應器(MBR)

1、 匯報人：吳俊康匯報人：吳俊康 匯報時間：匯報時間：October 1u 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，也稱膜分離活性污泥法。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截留住，水力停留時間和污泥停留時間可以分別控制，而難降解的物質在反應器中不斷反應、降解。u 一方面，膜截留了反應池中的微生物，使池中的活性污泥濃度大大增加，使降解污水的生化反應進行得更迅速更徹底；另一方面，由于膜的高過濾精度，保證了出水清澈透明從而省掉二沉池。因此，MBR工藝通過膜分離技術大大強化了生物反應器的功能。u 與傳統(tǒng)的生物處理方法相比，具有污泥濃度高、抗負荷沖擊能力強、出水水質

2、穩(wěn)定、占地面積小、剩余污泥量少、便于自動控制等優(yōu)點，是目前最有前途的廢水處理新技術之一。 2.1 2.1 原理原理 膜生物反應器(英文名稱為Membrane Bioreactor)是把生物處理與膜分離相結合的一種組合工藝，是用膜組件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)生物處理技術，使反應連續(xù)進行。MBR將膜分離技術的膜組件與污水生物處理工程中的生物反應器相結合，膜組件作為泥水分離單元取代二次沉淀池，綜合了膜處理技術和生物處理技術。 下圖展示了普通A/O工藝和應用MBR反應器后工藝的差異。 2.2 MBR反應器類型反應器類型2.2.1 2.2.1 根據運行方式的不同根據運行方式的不同 外置式（分體式）外置式（分體式） 將

3、膜分離單元置于生化池之外。水透過膜的推動力主要靠水的靜壓力。為防止膜污染，必須維持較高的膜面循環(huán)流速，同時要維持污泥回流，因此動力消耗較高。 浸沒式（一體式）浸沒式（一體式） 將膜分離單元置于生化池之內。水透過膜的推動力主要靠抽吸泵產生的負壓來實現(xiàn)。依靠曝氣時空氣泡的攪動在膜表面形成交錯流，來實現(xiàn)膜表面的清潔。浸沒式膜生物反應器（MBR）的能耗遠較外置式膜生物反應器（MBR）低，具有更大優(yōu)勢，代表了MBR技術的發(fā)展方向。分體式分體式 一體式一體式 2.2.2 2.2.2 根據需氧量的不同根據需氧量的不同 2.2.3 2.2.3 根據膜材料的不同根據膜材料的不同 好氧膜生物反好氧膜生物反應器應器

4、厭氧膜生物反厭氧膜生物反應器應器有機膜生物反有機膜生物反應器應器無機膜生物反無機膜生物反應器應器 2.2.4 2.2.4 根據膜孔徑的不同根據膜孔徑的不同 可分為微濾、超濾、和納濾膜生物反應器?？煞譃槲V、超濾、和納濾膜生物反應器。 2.2.5 2.2.5 根據生物膜機理的不同根據生物膜機理的不同 膜曝氣膜曝氣- -生物反應器（生物反應器（MABRMABR） 萃取膜生物反應器（萃取膜生物反應器（EMBREMBR） 膜分離生物反應器（膜分離生物反應器（BSMBRBSMBR） a)a) 膜曝氣膜曝氣- -生物反應器（生物反應器（MABRMABR） 它采用透氣性致密膜或微孔膜，以板式或中空纖維式它采

5、用透氣性致密膜或微孔膜，以板式或中空纖維式組件，在保持氣體分壓低于泡點的情況，可實現(xiàn)向生物組件，在保持氣體分壓低于泡點的情況，可實現(xiàn)向生物反應器的無泡曝氣，如下圖所示。反應器的無泡曝氣，如下圖所示。 膜膜-曝氣生物反應器示意圖曝氣生物反應器示意圖u 膜曝氣膜曝氣- -生物反應器（生物反應器（MABRMABR） u 膜曝氣膜曝氣-生物反應器（生物反應器（MABR）特點：）特點： 氧利用效率高。傳統(tǒng)活性污泥法的氧利用率一般只有氧利用效率高。傳統(tǒng)活性污泥法的氧利用率一般只有1020%，而膜曝氣，而膜曝氣-生物反應器的氧利用率可以接近生物反應器的氧利用率可以接近100%。 有機物去除負荷高。有機物去除

6、負荷高。 占地小。適用于活性污泥濃度大，對供氧要求高的廢水的占地小。適用于活性污泥濃度大，對供氧要求高的廢水的處理。處理。 基建費用高，操作復雜?；ㄙM用高，操作復雜。 b)b) 萃取膜生物反應器（萃取膜生物反應器（EMBREMBR） 萃取萃取MBRMBR是結合膜萃取和生物降解，利用膜將廢水中有是結合膜萃取和生物降解，利用膜將廢水中有毒的、溶解性差的優(yōu)先污染物從廢水中萃取出來，然后用毒的、溶解性差的優(yōu)先污染物從廢水中萃取出來，然后用專性菌對其進行單獨的生化降解，從而使專性菌不受廢水專性菌對其進行單獨的生化降解，從而使專性菌不受廢水中離子強度和中離子強度和pHpH的影響，生物反應器的功能得到優(yōu)化

7、，如的影響，生物反應器的功能得到優(yōu)化，如下圖所示。下圖所示。 u 萃取膜生物反應器（萃取膜生物反應器（EMBREMBR） u 萃取膜生物反應器（萃取膜生物反應器（EMBR）的特點）的特點 膜萃取膜萃取-生物反應器適用來萃取和處理廢水中的優(yōu)先污染生物反應器適用來萃取和處理廢水中的優(yōu)先污染物。物。 特別適用于廢水酸堿度高、鹽濃度高或含有毒生物難降解特別適用于廢水酸堿度高、鹽濃度高或含有毒生物難降解有機物，不宜使廢水與微生物直接接觸處理時的情況。有機物，不宜使廢水與微生物直接接觸處理時的情況。 適用于廢水含有揮發(fā)性物質，采用傳統(tǒng)的生物處理工藝易適用于廢水含有揮發(fā)性物質，采用傳統(tǒng)的生物處理工藝易隨曝氣

8、氣流揮發(fā)的情況。隨曝氣氣流揮發(fā)的情況。 c)c) 膜分離生物反應器（膜分離生物反應器（BSMBRBSMBR） 膜分離生物反應器中的膜組件相當于傳統(tǒng)中的二沉池膜分離生物反應器中的膜組件相當于傳統(tǒng)中的二沉池利用膜組件進行固液分離，截留的污泥回流至生物反應器利用膜組件進行固液分離，截留的污泥回流至生物反應器中，透過水外排。其按膜組件和和生物反應器的相對位置中，透過水外排。其按膜組件和和生物反應器的相對位置又可分為：又可分為： 一體式膜生物反應器一體式膜生物反應器 分置式膜生物反應器分置式膜生物反應器 復合式膜生物反應器復合式膜生物反應器 u 膜分離生物反應器（膜分離生物反應器（BSMBRBSMBR）

9、 u 膜分離生物反應器（膜分離生物反應器（BSMBRBSMBR） u 膜分離生物反應器（膜分離生物反應器（BSMBRBSMBR） u 膜分離生物反應器（膜分離生物反應器（BSMBRBSMBR）的特點）的特點 （與傳統(tǒng)活性污泥相比） 出水水質好，出水水質好，BOD、氮、磷和懸浮物濃度很低，不含細、氮、磷和懸浮物濃度很低，不含細菌、病毒、寄生蟲卵等，水質符合三級標準，可直接回菌、病毒、寄生蟲卵等，水質符合三級標準，可直接回收或補充地下水。收或補充地下水。 工藝流程短，占地省，省去了二沉池，占地約為生物處工藝流程短，占地省，省去了二沉池，占地約為生物處理的理的1/2。 利于世代時間長的細菌如硝化菌的

10、繁殖，提高了硝化效利于世代時間長的細菌如硝化菌的繁殖，提高了硝化效率。率。 污泥濃度高，傳氧效率高達污泥濃度高，傳氧效率高達26%60%，節(jié)省了能耗。，節(jié)省了能耗。 u 膜分離生物反應器（膜分離生物反應器（BSMBRBSMBR）的特點）的特點 （與傳統(tǒng)活性污泥相比） 可使水力停留時間和污你泥齡分開，運行控制靈活?？墒顾νＡ魰r間和污你泥齡分開，運行控制靈活。 容積負荷大，反應器內容積負荷大，反應器內MLSS約為（約為（1.53）X104mg/L，利于傳統(tǒng)活性污泥法的改造。利于傳統(tǒng)活性污泥法的改造。 在在MBR中同時進行硝化和反硝化，效果較好，脫氮能力中同時進行硝化和反硝化，效果較好，脫氮能力強

11、。強。 剩余污泥量比常規(guī)活性污泥法少剩余污泥量比常規(guī)活性污泥法少50%80%，利于處理。，利于處理。 易于實現(xiàn)自控。易于實現(xiàn)自控。 啟動快。啟動快。 2.3 2.3 MBR工藝的特點工藝的特點 在在MBR中，降解時間較長的可溶性大分子化合物可以被膜中，降解時間較長的可溶性大分子化合物可以被膜截留下來并與污泥一起返回到生物反應器中，使這些化合物在截留下來并與污泥一起返回到生物反應器中，使這些化合物在生物反應器中的停留時間變長，從而有利于微生物對這些化合生物反應器中的停留時間變長，從而有利于微生物對這些化合物的降解；同時較長的物的降解；同時較長的SRT可以使世代時間較長的硝化細菌能可以使世代時間較

12、長的硝化細菌能夠在生物反應器中積累，提高了硝化效果。因此夠在生物反應器中積累，提高了硝化效果。因此MBR出水有機出水有機物含量較低，且總氮和總磷的含量也遠遠低于傳統(tǒng)活性污泥法物含量較低，且總氮和總磷的含量也遠遠低于傳統(tǒng)活性污泥法。同時，由于膜單元采用微濾膜或超濾膜，因而不僅對水中懸。同時，由于膜單元采用微濾膜或超濾膜，因而不僅對水中懸浮物截留率高，而且可以去除細菌。浮物截留率高，而且可以去除細菌。 2.3 2.3 MBR工藝的特點工藝的特點 在在MBR中，用膜組件代替二沉池，可以同時實現(xiàn)較短的中，用膜組件代替二沉池，可以同時實現(xiàn)較短的HRT(相相對水力停留時間）和很長的對水力停留時間）和很長的

13、SRT（污泥停留時間）。同時，（污泥停留時間）。同時，MBR中中由于膜對污泥的截留，可以在很大程度上消除污泥膨脹現(xiàn)象。由于膜對污泥的截留，可以在很大程度上消除污泥膨脹現(xiàn)象。 MBR中生物反應器中的微生物濃度比普通生物反應器高得多，中生物反應器中的微生物濃度比普通生物反應器高得多，裝置處理容積負荷大，同時當進水中有機物濃度變化較大時，有機裝置處理容積負荷大，同時當進水中有機物濃度變化較大時，有機負荷率負荷率(單位質量的微生物在單位時間內承受的有機物質量單位質量的微生物在單位時間內承受的有機物質量)變化不變化不大，系統(tǒng)去除有機物的效果變化不大。大，系統(tǒng)去除有機物的效果變化不大。 2.3 2.3 M

14、BR工藝的特點工藝的特點 生物反應器中的污泥濃度很高，泥齡長，因此污泥負荷生物反應器中的污泥濃度很高，泥齡長，因此污泥負荷F/M（污（污泥負荷，即單位質量的污泥微生物）較低，污泥產量很低。泥負荷，即單位質量的污泥微生物）較低，污泥產量很低。 MBR系統(tǒng)結構簡單，運行靈活穩(wěn)定，容易操作和實現(xiàn)自動化。系統(tǒng)結構簡單，運行靈活穩(wěn)定，容易操作和實現(xiàn)自動化。 存在膜污染，需要定期反沖洗和化學清洗；膜需要定期更換；能存在膜污染，需要定期反沖洗和化學清洗；膜需要定期更換；能耗較一般生化處理方法要高。耗較一般生化處理方法要高。 3.1 3.1 膜的定義膜的定義 膜從廣義上可以定義為兩相之間的一個具有選擇透過性的

15、薄層屏障。膜分離是指在某種推動力的作用下，利用膜的透過性能，達到分離混合物中離子、分子以及某些微粒的過程。 與傳統(tǒng)過濾器的最大不同是，膜可以在離子或分子范圍內進行分離，并且該過程是一種物理過程，不需發(fā)生相的變化和添加助劑。 3.2 3.2 膜的結構與分類膜的結構與分類 根據相態(tài)的不同 液相膜、氣相膜、固相膜 根據孔徑的不同 微濾膜、超濾膜、納濾膜 根據材料的不同 無機膜、有機膜 根據形態(tài)的不同 均質膜、非對稱膜 3.2 3.2 膜的結構與分類膜的結構與分類 3.3 3.3 膜的性能膜的性能3.3.1 3.3.1 膜通量和膜的過濾方式膜通量和膜的過濾方式膜通量：單位時間單位膜面積上通過的物質的量

16、,m3/(m2s)。影響膜通量的因素有： 膜的阻力 單位膜面積上的驅動壓力 膜表面的水動力學狀況 膜污染和其他清洗情況 3.3.2 3.3.2 膜通量和膜的過濾方式膜通量和膜的過濾方式過濾方式： 全程過濾：在膜兩邊壓力差的驅動下，溶質和溶劑垂直于分離膜方向運動，溶質被膜截留，溶劑通過膜而被分離。 錯流過濾：主體料液與膜表面相切而流動，料液中的溶質被截留，透過液垂直于膜面而通過膜流出。 3.3.3 3.3.3 膜的分離性能參數(shù)膜的分離性能參數(shù) 膜過濾過程中通常希望膜具有良好的機械性能、高的膜通量和高的選擇性。表征膜的分離性能參數(shù)主要有兩個。即： 截留率：包括表觀截留率和本證截留率。 膜通量：由本

17、身性能決定。 膜在運行過程中，隨著流體阻力越來越大，膜的推動力也越來越大，而膜通量則越來越小，被截留的分子也越來越小。 3.3.4 3.3.4 濃差極化與膜污染濃差極化與膜污染 濃差極化：在膜分離過程中，料液中的溶劑在壓力驅動下透過膜，溶質被截留，由于水的通量不斷把溶質帶到濾膜表面，使溶質在濾膜表面的濃度高于在水溶液中的濃度，在濃度梯度的作用下，溶質由膜表面向本體溶液擴散，形成一個穩(wěn)定的邊界層，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化的危害：使膜表面溶質濃度增高，引起滲透壓增大，從而減小傳質驅動力。膜表面沉積層會改變膜的分離特性可能會導致結晶析出，阻塞通道溶質截留率下降膜通量降低 3.3.4 3.3.4

18、 濃差極化與膜污染濃差極化與膜污染 膜污染：由于膜在分離過程中，由于污水中的溶質分子與膜分子發(fā)生物理化學的作用，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產生透過量和分離特性發(fā)生變化的現(xiàn)象。 膜污染與濃差極化密切相關，常常同時發(fā)生，膜污染的具體內容及其防治見第五章。 3.3.5 3.3.5 膜組件膜組件 板框式 螺旋卷式 圓管式 毛細管式 中空纖維式板框式膜組件板框式膜組件 3.3.5 3.3.5 膜組件膜組件管式膜組件管式膜組件 3.3.5 3.3.5 膜組件膜組件螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件 3.3.5 3.3.5 膜組件膜組件中空纖維式膜組件中空纖維式膜組件 3.3.5 3.3.5 膜組件膜組件毛細管式

19、膜組件毛細管式膜組件 4 4.1 影響影響MBR穩(wěn)定運行的生物動力學參數(shù)穩(wěn)定運行的生物動力學參數(shù)有機負荷：有機負荷：每立方米池容積每日負擔的有機物量每立方米池容積每日負擔的有機物量 污泥負荷：污泥負荷：單位質量的活性污泥在單位時間內所去除的污染物的量單位質量的活性污泥在單位時間內所去除的污染物的量 在好氧在好氧MBR中，污泥濃度隨容積負荷的增加迅速升高，有機物中，污泥濃度隨容積負荷的增加迅速升高，有機物去除速率加快，污泥負荷基本保持不變，從而抑制出水水質的惡化去除速率加快，污泥負荷基本保持不變，從而抑制出水水質的惡化；而在厭氧；而在厭氧MBR中，污泥濃度升高緩慢，污泥負荷與容積負荷幾乎中，污泥

20、濃度升高緩慢，污泥負荷與容積負荷幾乎呈正相關關系，因此厭氧呈正相關關系，因此厭氧MBR出水水質易受容積負荷的影響。出水水質易受容積負荷的影響。 4 4.1 影響影響MBR穩(wěn)定運行的生物動力學參數(shù)穩(wěn)定運行的生物動力學參數(shù)污泥濃度：污泥濃度：污泥濃度是污泥濃度是MBR系統(tǒng)的重要參數(shù)，不僅影響有機物的去除能力，還系統(tǒng)的重要參數(shù)，不僅影響有機物的去除能力，還對膜通量產生影響。研究成果表明：一定條件下污泥濃度越高，膜對膜通量產生影響。研究成果表明：一定條件下污泥濃度越高，膜通量愈低。但國內學者在一體式通量愈低。但國內學者在一體式MBR處理生活污水的研究卻發(fā)現(xiàn)：處理生活污水的研究卻發(fā)現(xiàn)：當曝氣強度足夠大時

21、（氣水比近似當曝氣強度足夠大時（氣水比近似100：1），），MLSS由由10g/L變化到變化到35g/L時，時，MLSS（混合液懸浮固體）與膜通量沒有明顯的相關性；（混合液懸浮固體）與膜通量沒有明顯的相關性；但如果降低曝氣強度，但如果降低曝氣強度，MLSS對膜通量可能產生一定的影響。對膜通量可能產生一定的影響。 4 4.2 膜分離參數(shù)膜分離參數(shù)膜的選擇：膜的選擇：膜材料分為有機膜和無機膜兩種。由于較高的投資成本限制了無機膜材料分為有機膜和無機膜兩種。由于較高的投資成本限制了無機膜在我國的廣泛應用，國內膜在我國的廣泛應用，國內MBR普遍采用有機膜，常用的膜材料為普遍采用有機膜，常用的膜材料為聚乙

22、烯、聚丙烯等。分離式聚乙烯、聚丙烯等。分離式MBR通常采用超濾膜組件，截留分子量通常采用超濾膜組件，截留分子量一般在一般在230萬。截留分子量越大，初始膜通量越大，但長期運行膜萬。截留分子量越大，初始膜通量越大，但長期運行膜通量未必越大。對于一體式通量未必越大。對于一體式MBR，既可用超濾膜，也可使用微濾膜，既可用超濾膜，也可使用微濾膜。 4 4.2 膜分離參數(shù)膜分離參數(shù)操作方式的優(yōu)化操作方式的優(yōu)化：對于分體式對于分體式MBR，為了減緩膜污染，反沖洗是維持，為了減緩膜污染，反沖洗是維持MBR穩(wěn)定運行的穩(wěn)定運行的重要操作。對于一體式重要操作。對于一體式MBR，縮短抽吸時間或延長停吸時間和增加，縮

23、短抽吸時間或延長停吸時間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染，抽吸時間對膜阻力的上升影響最大，曝氣量均有利于減緩膜污染，抽吸時間對膜阻力的上升影響最大，曝氣量其次。曝氣量其次。 水力學特性的改善：水力學特性的改善：對于分體式對于分體式MBR，可以提高流體的進水流速，減少濃差極化，使被，可以提高流體的進水流速，減少濃差極化，使被截留的溶質及時被帶走。對于一體式截留的溶質及時被帶走。對于一體式MBR，設計合理的流道結構，設計合理的流道結構，提高曝氣強度，較大的曝氣量具有沖刷膜表面的錯流過濾效果。提高曝氣強度，較大的曝氣量具有沖刷膜表面的錯流過濾效果。 5.1 膜污染的來源膜污染的來源 凝膠層，即濾餅 水

24、透過后被截留下來的部分活性污泥和膠體物質，在濾壓差和透過水流的作用下堆積在膜表面而形成的可逆性膜面污染。 溶解性物質 溶解性物質被膜內微孔表面吸附或結晶，堵塞孔道，使膜通量減少，屬于可逆污染。 微生物污染 在膜表面和膜孔中有微生物所需的營養(yǎng)物質，因而會有大量的微生物滋生，從而造成膜通量的減少。 5.2 膜污染的影響因素膜污染的影響因素（1）膜本身的性質 包括膜材質、膜孔徑大小、孔隙率、親疏水性、電荷性質和粗糙度等 膜污染指數(shù) =（1-最終膜通量/初始膜通量）100% 膜阻力 = 180/d2（1-）2/ 3 （2）料液和污泥的特點 包括顆粒分布、COD負荷、污泥濃度，污泥泥齡，污泥絮體結構，微

25、生物群落結構等（3）工藝的操作條件 包括反應器運行方式，操作壓力，HRT，濾出速率， 溫度，膜清洗周期等 5.3 膜污染的控制膜污染的控制5.3.1 5.3.1 膜污染的預防膜污染的預防 采用低成本的無機膜，因為無機膜如陶瓷、金屬膜等比有機膜具有更強的抗污染能力，尤其重視動態(tài)膜的使用； 優(yōu)化系統(tǒng)運行的操作條件，針對不同的MBR的運行狀況，測定出最佳的運行條件； 調控混合液性狀，可添加吸附劑或混凝劑，除去混合液中溶解性微生物產物、胞外聚合物、微粒子等，防止它們對膜污染的影響。 5.3.2 5.3.2 膜的清洗膜的清洗 物理清洗：曝氣、反洗p 曝氣是利用上升氣流帶來的錯流減少微粒子在膜面的沉積，從而減輕膜污染，反洗指使用濾液進行反洗可成功去除大部分可逆污染物。p 空氣反吹：通過對幾種不同的過濾空氣反吹操作的研究發(fā)現(xiàn)，空氣反吹可以獲得穩(wěn)定的通透量和總透過量，與連續(xù)運行的工藝相比透過量提高，說明空氣反吹可以緩解膜污染，但對膜組件的強度要