膜生物反应器(MBR)

1、 汇报人：吴俊康汇报人：吴俊康 汇报时间：汇报时间：October 1u MBR工艺是膜分离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术，也称膜分离活性污泥法。它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物截留住，水力停留时间和污泥停留时间可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应、降解。u 一方面，膜截留了反应池中的微生物，使池中的活性污泥浓度大大增加，使降解污水的生化反应进行得更迅速更彻底；另一方面，由于膜的高过滤精度，保证了出水清澈透明从而省掉二沉池。因此，MBR工艺通过膜分离技术大大强化了生物反应器的功能。u 与传统的生物处理方法相比，具有污泥浓度高、抗负荷冲击能力强、出水水质

2、稳定、占地面积小、剩余污泥量少、便于自动控制等优点，是目前最有前途的废水处理新技术之一。 2.1 2.1 原理原理 膜生物反应器(英文名称为Membrane Bioreactor)是把生物处理与膜分离相结合的一种组合工艺，是用膜组件来代替传统生物处理技术，使反应连续进行。MBR将膜分离技术的膜组件与污水生物处理工程中的生物反应器相结合，膜组件作为泥水分离单元取代二次沉淀池，综合了膜处理技术和生物处理技术。 下图展示了普通A/O工艺和应用MBR反应器后工艺的差异。 2.2 MBR反应器类型反应器类型2.2.1 2.2.1 根据运行方式的不同根据运行方式的不同 外置式（分体式）外置式（分体式） 将

3、膜分离单元置于生化池之外。水透过膜的推动力主要靠水的静压力。为防止膜污染，必须维持较高的膜面循环流速，同时要维持污泥回流，因此动力消耗较高。 浸没式（一体式）浸没式（一体式） 将膜分离单元置于生化池之内。水透过膜的推动力主要靠抽吸泵产生的负压来实现。依靠曝气时空气泡的搅动在膜表面形成交错流，来实现膜表面的清洁。浸没式膜生物反应器（MBR）的能耗远较外置式膜生物反应器（MBR）低，具有更大优势，代表了MBR技术的发展方向。分体式分体式 一体式一体式 2.2.2 2.2.2 根据需氧量的不同根据需氧量的不同 2.2.3 2.2.3 根据膜材料的不同根据膜材料的不同 好氧膜生物反好氧膜生物反应器应器

4、厌氧膜生物反厌氧膜生物反应器应器有机膜生物反有机膜生物反应器应器无机膜生物反无机膜生物反应器应器 2.2.4 2.2.4 根据膜孔径的不同根据膜孔径的不同 可分为微滤、超滤、和纳滤膜生物反应器。可分为微滤、超滤、和纳滤膜生物反应器。 2.2.5 2.2.5 根据生物膜机理的不同根据生物膜机理的不同 膜曝气膜曝气- -生物反应器（生物反应器（MABRMABR） 萃取膜生物反应器（萃取膜生物反应器（EMBREMBR） 膜分离生物反应器（膜分离生物反应器（BSMBRBSMBR） 膜曝气膜曝气- -生物反应器（生物反应器（MABRMABR） 它采用透气性致密膜或微孔膜，以板式或中空纤维式它采用透气性致

5、密膜或微孔膜，以板式或中空纤维式组件，在保持气体分压低于泡点的情况，可实现向生物组件，在保持气体分压低于泡点的情况，可实现向生物反应器的无泡曝气，如下图所示。反应器的无泡曝气，如下图所示。 膜膜-曝气生物反应器示意图曝气生物反应器示意图u 膜曝气膜曝气- -生物反应器（生物反应器（MABRMABR） u 膜曝气膜曝气-生物反应器（生物反应器（MABR）特点：）特点： 氧利用效率高。传统活性污泥法的氧利用率一般只有氧利用效率高。传统活性污泥法的氧利用率一般只有1020%，而膜曝气，而膜曝气-生物反应器的氧利用率可以接近生物反应器的氧利用率可以接近100%。 有机物去除负荷高。有机物去除负荷高。

6、占地小。适用于活性污泥浓度大，对供氧要求高的废水占地小。适用于活性污泥浓度大，对供氧要求高的废水的处理。的处理。 基建费用高，操作复杂。基建费用高，操作复杂。 萃取膜生物反应器（萃取膜生物反应器（EMBREMBR） 萃取萃取MBRMBR是结合膜萃取和生物降解，利用膜将废水中有是结合膜萃取和生物降解，利用膜将废水中有毒的、溶解性差的优先污染物从废水中萃取出来，然后毒的、溶解性差的优先污染物从废水中萃取出来，然后用专性菌对其进行单独的生化降解，从而使专性菌不受用专性菌对其进行单独的生化降解，从而使专性菌不受废水中离子强度和废水中离子强度和pHpH的影响，生物反应器的功能得到优的影响，生物反应器的功

7、能得到优化，如下图所示。化，如下图所示。 u 萃取膜生物反应器（萃取膜生物反应器（EMBREMBR） u 萃取膜生物反应器（萃取膜生物反应器（EMBR）的特点）的特点 膜萃取膜萃取-生物反应器适用来萃取和处理废水中的优先污染生物反应器适用来萃取和处理废水中的优先污染物。物。 特别适用于废水酸碱度高、盐浓度高或含有毒生物难降特别适用于废水酸碱度高、盐浓度高或含有毒生物难降解有机物，不宜使废水与微生物直接接触处理时的情况解有机物，不宜使废水与微生物直接接触处理时的情况。 适用于废水含有挥发性物质，采用传统的生物处理工艺适用于废水含有挥发性物质，采用传统的生物处理工艺易随曝气气流挥发的情况。易随曝气

8、气流挥发的情况。 膜分离生物反应器（膜分离生物反应器（BSMBRBSMBR） 膜分离生物反应器中的膜组件相当于传统中的二沉池膜分离生物反应器中的膜组件相当于传统中的二沉池利用膜组件进行固液分离，截留的污泥回流至生物反应利用膜组件进行固液分离，截留的污泥回流至生物反应器中，透过水外排。其按膜组件和和生物反应器的相对器中，透过水外排。其按膜组件和和生物反应器的相对位置又可分为：位置又可分为： 一体式膜生物反应器一体式膜生物反应器 分置式膜生物反应器分置式膜生物反应器 复合式膜生物反应器复合式膜生物反应器 u 膜分离生物反应器（膜分离生物反应器（BSMBRBSMBR） u 膜分离生物反应器（膜分离生

9、物反应器（BSMBRBSMBR） u 膜分离生物反应器（膜分离生物反应器（BSMBRBSMBR） u 膜分离生物反应器（膜分离生物反应器（BSMBRBSMBR）的特点）的特点 （与传统活性污泥相比） 出水水质好，出水水质好，BOD、氮、磷和悬浮物浓度很低，不含细、氮、磷和悬浮物浓度很低，不含细菌、病毒、寄生虫卵等，水质符合三级标准，可直接回菌、病毒、寄生虫卵等，水质符合三级标准，可直接回收或补充地下水。收或补充地下水。 工艺流程短，占地省，省去了二沉池，占地约为生物处工艺流程短，占地省，省去了二沉池，占地约为生物处理的理的1/2。 利于世代时间长的细菌如硝化菌的繁殖，提高了硝化效利于世代时间长

10、的细菌如硝化菌的繁殖，提高了硝化效率。率。 污泥浓度高，传氧效率高达污泥浓度高，传氧效率高达26%60%，节省了能耗。，节省了能耗。 u 膜分离生物反应器（膜分离生物反应器（BSMBRBSMBR）的特点）的特点 （与传统活性污泥相比） 可使水力停留时间和污你泥龄分开，运行控制灵活。可使水力停留时间和污你泥龄分开，运行控制灵活。 容积负荷大，反应器内容积负荷大，反应器内MLSS约为（约为（1.53）X104mg/L，利于传统活性污泥法的改造。利于传统活性污泥法的改造。 在在MBR中同时进行硝化和反硝化，效果较好，脱氮能中同时进行硝化和反硝化，效果较好，脱氮能力强。力强。 剩余污泥量比常规活性污泥

11、法少剩余污泥量比常规活性污泥法少50%80%，利于处理，利于处理。 易于实现自控。易于实现自控。 启动快。启动快。 2.3 2.3 MBR工艺的特点工艺的特点 在在MBR中，降解时间较长的可溶性大分子化合物可以被膜中，降解时间较长的可溶性大分子化合物可以被膜截留下来并与污泥一起返回到生物反应器中，使这些化合物在截留下来并与污泥一起返回到生物反应器中，使这些化合物在生物反应器中的停留时间变长，从而有利于微生物对这些化合生物反应器中的停留时间变长，从而有利于微生物对这些化合物的降解；同时较长的物的降解；同时较长的SRT可以使世代时间较长的硝化细菌能可以使世代时间较长的硝化细菌能够在生物反应器中积累

12、，提高了硝化效果。因此够在生物反应器中积累，提高了硝化效果。因此MBR出水有机出水有机物含量较低，且总氮和总磷的含量也远远低于传统活性污泥法物含量较低，且总氮和总磷的含量也远远低于传统活性污泥法。同时，由于膜单元采用微滤膜或超滤膜，因而不仅对水中悬。同时，由于膜单元采用微滤膜或超滤膜，因而不仅对水中悬浮物截留率高，而且可以去除细菌。浮物截留率高，而且可以去除细菌。 2.3 2.3 MBR工艺的特点工艺的特点 在在MBR中，用膜组件代替二沉池，可以同时实现较短的中，用膜组件代替二沉池，可以同时实现较短的HRT(相相对水力停留时间）和很长的对水力停留时间）和很长的SRT（污泥停留时间）。同时，（污

13、泥停留时间）。同时，MBR中中由于膜对污泥的截留，可以在很大程度上消除污泥膨胀现象。由于膜对污泥的截留，可以在很大程度上消除污泥膨胀现象。 MBR中生物反应器中的微生物浓度比普通生物反应器高得多，中生物反应器中的微生物浓度比普通生物反应器高得多，装置处理容积负荷大，同时当进水中有机物浓度变化较大时，有机装置处理容积负荷大，同时当进水中有机物浓度变化较大时，有机负荷率负荷率(单位质量的微生物在单位时间内承受的有机物质量单位质量的微生物在单位时间内承受的有机物质量)变化不变化不大，系统去除有机物的效果变化不大。大，系统去除有机物的效果变化不大。 2.3 2.3 MBR工艺的特点工艺的特点 生物反应

14、器中的污泥浓度很高，泥龄长，因此污泥负荷生物反应器中的污泥浓度很高，泥龄长，因此污泥负荷F/M（污（污泥负荷，即单位质量的污泥微生物）较低，污泥产量很低。泥负荷，即单位质量的污泥微生物）较低，污泥产量很低。 MBR系统结构简单，运行灵活稳定，容易操作和实现自动化。系统结构简单，运行灵活稳定，容易操作和实现自动化。 存在膜污染，需要定期反冲洗和化学清洗；膜需要定期更换；能存在膜污染，需要定期反冲洗和化学清洗；膜需要定期更换；能耗较一般生化处理方法要高。耗较一般生化处理方法要高。 3.1 3.1 膜的定义膜的定义 膜从广义上可以定义为两相之间的一个具有选择透过性的薄层屏障。膜分离是指在某种推动力的

15、作用下，利用膜的透过性能，达到分离混合物中离子、分子以及某些微粒的过程。 与传统过滤器的最大不同是，膜可以在离子或分子范围内进行分离，并且该过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。 3.2 3.2 膜的结构与分类膜的结构与分类 根据相态的不同 液相膜、气相膜、固相膜 根据孔径的不同 微滤膜、超滤膜、纳滤膜 根据材料的不同 无机膜、有机膜 根据形态的不同 均质膜、非对称膜 3.2 3.2 膜的结构与分类膜的结构与分类 3.3 3.3 膜的性能膜的性能3.3.1 3.3.1 膜通量和膜的过滤方式膜通量和膜的过滤方式膜通量：单位时间单位膜面积上通过的物质的量,m3/(m2s)。影响膜通量的因

16、素有： 膜的阻力 单位膜面积上的驱动压力 膜表面的水动力学状况 膜污染和其他清洗情况 3.3.2 3.3.2 膜通量和膜的过滤方式膜通量和膜的过滤方式过滤方式： 全程过滤：在膜两边压力差的驱动下，溶质和溶剂垂直于分离膜方向运动，溶质被膜截留，溶剂通过膜而被分离。 错流过滤：主体料液与膜表面相切而流动，料液中的溶质被截留，透过液垂直于膜面而通过膜流出。 3.3.3 3.3.3 膜的分离性能参数膜的分离性能参数 膜过滤过程中通常希望膜具有良好的机械性能、高的膜通量和高的选择性。表征膜的分离性能参数主要有两个。即： 截留率：包括表观截留率和本证截留率。 膜通量：由本身性能决定。 膜在运行过程中，随着

17、流体阻力越来越大，膜的推动力也越来越大，而膜通量则越来越小，被截留的分子也越来越小。 3.3.4 3.3.4 浓差极化与膜污染浓差极化与膜污染 浓差极化：在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被截留，由于水的通量不断把溶质带到滤膜表面，使溶质在滤膜表面的浓度高于在水溶液中的浓度，在浓度梯度的作用下，溶质由膜表面向本体溶液扩散，形成一个稳定的边界层，这种现象称为浓差极化。浓差极化的危害：使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压增大，从而减小传质驱动力。膜表面沉积层会改变膜的分离特性可能会导致结晶析出，阻塞通道溶质截留率下降膜通量降低 3.3.4 3.3.4 浓差极化与膜污染浓差极化与膜污染

18、 膜污染：由于膜在分离过程中，由于污水中的溶质分子与膜分子发生物理化学的作用，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过量和分离特性发生变化的现象。 膜污染与浓差极化密切相关，常常同时发生，膜污染的具体内容及其防治见第五章。 3.3.5 3.3.5 膜组件膜组件 板框式 螺旋卷式 圆管式 毛细管式 中空纤维式板框式膜组件板框式膜组件 3.3.5 3.3.5 膜组件膜组件管式膜组件管式膜组件 3.3.5 3.3.5 膜组件膜组件螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件 3.3.5 3.3.5 膜组件膜组件中空纤维式膜组件中空纤维式膜组件 3.3.5 3.3.5 膜组件膜组件毛细管式膜组件毛细管式膜组件 4 4.1

19、影响影响MBR稳定运行的生物动力学参数稳定运行的生物动力学参数有机负荷：有机负荷：每立方米池容积每日负担的有机物量每立方米池容积每日负担的有机物量 污泥负荷：污泥负荷：单位质量的活性污泥在单位时间内所去除的污染物的量单位质量的活性污泥在单位时间内所去除的污染物的量 在好氧在好氧MBR中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化；而在厌氧；而在厌氧MBR中，污泥浓度升高缓慢，污泥负荷与容积负荷几乎中，污泥浓度升高缓慢，污泥负荷与容积负荷几

20、乎呈正相关关系，因此厌氧呈正相关关系，因此厌氧MBR出水水质易受容积负荷的影响。出水水质易受容积负荷的影响。 4 4.1 影响影响MBR稳定运行的生物动力学参数稳定运行的生物动力学参数污泥浓度：污泥浓度：污泥浓度是污泥浓度是MBR系统的重要参数，不仅影响有机物的去除能力，还系统的重要参数，不仅影响有机物的去除能力，还对膜通量产生影响。研究成果表明：一定条件下污泥浓度越高，膜对膜通量产生影响。研究成果表明：一定条件下污泥浓度越高，膜通量愈低。但国内学者在一体式通量愈低。但国内学者在一体式MBR处理生活污水的研究却发现：处理生活污水的研究却发现：当曝气强度足够大时（气水比近似当曝气强度足够大时（气

21、水比近似100：1），），MLSS由由10g/L变化到变化到35g/L时，时，MLSS（混合液悬浮固体）与膜通量没有明显的相关性；（混合液悬浮固体）与膜通量没有明显的相关性；但如果降低曝气强度，但如果降低曝气强度，MLSS对膜通量可能产生一定的影响。对膜通量可能产生一定的影响。 4 4.2 膜分离参数膜分离参数膜的选择：膜的选择：膜材料分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜材料分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜在我国的广泛应用，国内膜在我国的广泛应用，国内MBR普遍采用有机膜，常用的膜材料为普遍采用有机膜，常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。分离式聚乙烯、聚丙烯

22、等。分离式MBR通常采用超滤膜组件，截留分子量通常采用超滤膜组件，截留分子量一般在一般在230万。截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜万。截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜通量未必越大。对于一体式通量未必越大。对于一体式MBR，既可用超滤膜，也可使用微滤膜，既可用超滤膜，也可使用微滤膜。 4 4.2 膜分离参数膜分离参数操作方式的优化操作方式的优化：对于分体式对于分体式MBR，为了减缓膜污染，反冲洗是维持，为了减缓膜污染，反冲洗是维持MBR稳定运行的稳定运行的重要操作。对于一体式重要操作。对于一体式MBR，缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加，缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加曝气

23、量均有利于减缓膜污染，抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量均有利于减缓膜污染，抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量其次。曝气量其次。 水力学特性的改善：水力学特性的改善：对于分体式对于分体式MBR，可以提高流体的进水流速，减少浓差极化，使被，可以提高流体的进水流速，减少浓差极化，使被截留的溶质及时被带走。对于一体式截留的溶质及时被带走。对于一体式MBR，设计合理的流道结构，设计合理的流道结构，提高曝气强度，较大的曝气量具有冲刷膜表面的错流过滤效果。提高曝气强度，较大的曝气量具有冲刷膜表面的错流过滤效果。 5.1 膜污染的来源膜污染的来源 凝胶层，即滤饼 水透过后被截留下来的部分活性污泥和胶

24、体物质，在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面而形成的可逆性膜面污染。 溶解性物质 溶解性物质被膜内微孔表面吸附或结晶，堵塞孔道，使膜通量减少，属于可逆污染。 微生物污染 在膜表面和膜孔中有微生物所需的营养物质，因而会有大量的微生物滋生，从而造成膜通量的减少。 5.2 膜污染的影响因素膜污染的影响因素（1）膜本身的性质 包括膜材质、膜孔径大小、孔隙率、亲疏水性、电荷性质和粗糙度等 膜污染指数 =（1-最终膜通量/初始膜通量）100% 膜阻力 = 180/d2（1-）2/ 3 （2）料液和污泥的特点 包括颗粒分布、COD负荷、污泥浓度，污泥泥龄，污泥絮体结构，微生物群落结构等（3）工艺的操作条件

25、 包括反应器运行方式，操作压力，HRT，滤出速率， 温度，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 膜污染的预防膜污染的预防 采用低成本的无机膜，因为无机膜如陶瓷、金属膜等比有机膜具有更强的抗污染能力，尤其重视动态膜的使用； 优化系统运行的操作条件，针对不同的MBR的运行状况，测定出最佳的运行条件； 调控混合液性状，可添加吸附剂或混凝剂，除去混合液中溶解性微生物产物、胞外聚合物、微粒子等，防止它们对膜污染的影响。 5.3.2 5.3.2 膜的清洗膜的清洗 物理清洗：曝气、反洗p 曝气是利用上升气流带来的错流减少微粒子在膜面的沉积，从而减轻膜污染，反洗指使用滤液进行反洗可成功去除大部分可逆污染物。p 空气反吹：通过对几种不同的过滤空气反吹操作的研究发现，空气反吹可以获得稳定的通透量和总透过量，与连续运行的工艺相比透过量提高，说明空气反吹可以缓解膜污染，但对膜组件的强度要求更