膜生物反應(yīng)器( Membrance Bioreactor Reactor，簡(jiǎn)稱(chēng)MBR)是膜分離與生物處理技術(shù)組合而成的廢水生物處理新工藝, 與傳統(tǒng)的生化處理技術(shù)相比，MBR具有以下主要特點(diǎn)：處理效率高、出水水質(zhì)好;設(shè)備緊湊、占地面積小;易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單。80年代以來(lái)，該技術(shù)愈來(lái)愈受到重視，成為水處理技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，膜生物反應(yīng)器已應(yīng)用于美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本和埃及等十多個(gè)國(guó)家，處理規(guī)模在6～13000 m3/d。

近兩年來(lái)，膜生物反應(yīng)器在我國(guó)國(guó)內(nèi)已進(jìn)入了實(shí)用化階段。 MBR系統(tǒng)的處理對(duì)象從生活污水?dāng)U展到高濃度有機(jī)廢水和難降解工業(yè)廢水，如制藥廢水、化工廢水、食品廢水、屠宰廢水、煙草廢水、豆制品廢水、糞便污水、黃泔污水等。從目前的趨勢(shì)看，中水回用將是MBR在我國(guó)推廣應(yīng)用的主要方向。表1列舉了MBR在我國(guó)的應(yīng)用實(shí)例及處理效果。這些應(yīng)用實(shí)例表明：MBR對(duì)生活污水、高濃度有機(jī)廢水與難降解工業(yè)廢水的處理效果良好。

MBR工藝的組成與分類(lèi)

膜-生物反應(yīng)器主要由膜分離組件及生物反應(yīng)器兩部分組成。通常提到的膜 - 生物反應(yīng)器實(shí)際上是三類(lèi)反應(yīng)器的總稱(chēng)：

① 曝氣膜 - 生物反應(yīng)器 (Aeration Membrane Bioreactor, AMBR) ;

② 萃取膜 - 生物反應(yīng)器( Extractive Membrane Bioreactor, EMBR );

③ 固液分離型膜 - 生物反應(yīng)器( Solid/Liquid Separation Membrane Bioreactor, SLSMBR, 簡(jiǎn)稱(chēng) MBR )。

曝氣膜-生物反應(yīng)器

曝氣膜-生物反應(yīng)器最早見(jiàn)于 Cote.P 等1988年報(bào)道，采用透氣性致密膜(如硅橡膠膜)或微孔膜(如疏水性聚合膜)，以板式或中空纖維式組件，在保持氣體分壓低于泡點(diǎn)( Bubble Point )情況下，可實(shí)現(xiàn)向生物反應(yīng)器的無(wú)泡曝氣。該工藝的特點(diǎn)是提高了接觸時(shí)間和傳氧效率，有利于曝氣工藝的控制，不受傳統(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時(shí)間的因素的影響。

萃取膜-生物反應(yīng)器

萃取膜-生物反應(yīng)器 又稱(chēng)為 EMBR ( Extractive Membrane Bioreactor )。因?yàn)楦咚釅A度或?qū)ι镉卸疚镔|(zhì)的存在，某些工業(yè)廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理;當(dāng)廢水中含揮發(fā)性有毒物質(zhì)時(shí)，若采用傳統(tǒng)的好氧生物處理過(guò)程，污染物容易隨曝氣氣流揮發(fā)，發(fā)生氣提現(xiàn)象，不僅處理效果很不穩(wěn)定，還會(huì)造成大氣污染。為了解決這些技術(shù)難題，英國(guó)學(xué)者 Livingston 研究開(kāi)發(fā)了 EMB 。

廢水與活性污泥被膜隔開(kāi)來(lái)，廢水在膜內(nèi)流動(dòng)，而含某種專(zhuān)性細(xì)菌的活性污泥在膜外流動(dòng)，廢水與微生物不直接接觸，有機(jī)污染物可以選擇性透過(guò)膜被另一側(cè)的微生物降解。由于萃取膜兩側(cè)的生物反應(yīng)器單元和廢水循環(huán)單元是各自獨(dú)立，各單元水流相互影響不大，生物反應(yīng)器中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物生存條件不受廢水水質(zhì)的影響，使水處理效果穩(wěn)定。系統(tǒng)的運(yùn)行條件如 HRT 和 SRT 可分別控制在最優(yōu)的范圍，維持最大的污染物降解速率。

固液分離型膜-生物反應(yīng)器

固液分離型膜-生物反應(yīng)器是在水處理領(lǐng)域中研究得最為廣泛深入的一類(lèi)膜-生物反應(yīng)器，是一種用膜分離過(guò)程取代傳統(tǒng)活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術(shù)。

在傳統(tǒng)的廢水生物處理技術(shù)中，泥水分離是在二沉池中靠重力作用完成的，其分離效率依賴(lài)于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分離效率越高。而污泥的沉降性取決于曝氣池的運(yùn)行狀況，改善污泥沉降性必須嚴(yán)格控制曝氣池的操作條件，這限制了該方法的適用范圍。由于二沉池固液分離的要求，曝氣池的污泥不能維持較高濃度，一般在1.5~3.5g/L 左右，從而限制了生化反應(yīng)速率。水力停留時(shí)間(HRT )與污泥齡(SRT )相互依賴(lài)，提高容積負(fù)荷與降低污泥負(fù)荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的25% ～40% 。傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)還容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，出水中含有懸浮固體，出水水質(zhì)惡化。針對(duì)上述問(wèn)題， MBR 將分離工程中的膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，大大提高了固液分離效率，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌 ( 特別是優(yōu)勢(shì)菌群 ) 的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率。同時(shí)，通過(guò)降低 F/M 比減少剩余污泥產(chǎn)生量(甚至為零)，從而基本解決了傳統(tǒng)活性污泥法存在的許多突出問(wèn)題。

根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合方式，又可將膜 - 生物反應(yīng)器 分為分置式、一體式以及復(fù)合式三種基本類(lèi)型。以下討論的均為固液分離型膜 - 生物反應(yīng)器。

分置式膜-生物反應(yīng)器

分置式膜-生物反應(yīng)器把膜組件和生物反應(yīng)器分開(kāi)設(shè)置，如圖所示。生物反應(yīng)器中的混合液經(jīng)循環(huán)泵增壓后打至膜組件的過(guò)濾端，在壓力作用下混合液中的液體透過(guò)膜，成為系統(tǒng)處理水;固形物、大分子物質(zhì)等則被膜截留，隨濃縮液回流到生物反應(yīng)器內(nèi)。

分置式膜 - 生物反應(yīng)器的特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定可靠，易于膜的清洗、更換及增設(shè);而且膜通量普遍較大。但一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積，延長(zhǎng)膜的清洗周期，需要用循環(huán)泵提供較高的膜面錯(cuò)流流速，水流循環(huán)量大、動(dòng)力費(fèi)用高 (Yamamoto, 1989) ，并且泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力會(huì)使某些微生物菌體產(chǎn)生失活現(xiàn)象 ( Brockmann and Seyfried, 1997 ) 。

一體式膜-生物反應(yīng)器

一體式膜-生物反應(yīng)器是把膜組件置于生物反應(yīng)器內(nèi)部，如圖所示。進(jìn)水進(jìn)入膜-生物反應(yīng)器，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在外壓作用下由膜過(guò)濾出水。這種形式的膜-生物反應(yīng)器由于省去了混合液循環(huán)系統(tǒng)，并且靠抽吸出水，能耗相對(duì)較低;占地較分置式更為緊湊，近年來(lái)在水處理領(lǐng)域受到了特別關(guān)注。但是一般膜通量相對(duì)較低，容易發(fā)生膜污染，膜污染后不容易清洗和更換。

復(fù)合式膜-生物反應(yīng)器

復(fù)合式膜-生物反應(yīng)器在形式上也屬于一體式膜-生物反應(yīng)器，所不同的是在生物反應(yīng)器內(nèi)加裝填料，從而形成復(fù)合式膜-生物反應(yīng)器，改變了反應(yīng)器的某些性狀，如圖所示：

MBR工藝的特點(diǎn)

與許多傳統(tǒng)的生物水處理工藝相比， MBR 具有以下主要特點(diǎn)：

1 出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定

由于膜的高效分離作用，分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)沉淀池，處理出水極其清澈， 懸浮物和濁度接近于零，細(xì)菌和病毒被大幅去除 ，出水水質(zhì)優(yōu)于建設(shè)部頒發(fā)的生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)( CJ25.1-89 )，可以直接作為非飲用市政雜用水進(jìn)行回用。

同時(shí)，膜分離也使 微生物被完全被截流在生物反應(yīng)器內(nèi)， 使得系統(tǒng)內(nèi)能夠維持較高的微生物濃度，不但 提高了反應(yīng)裝置對(duì)污染物的整體去除效率，保證了良好的出水水質(zhì)，同時(shí)反應(yīng)器 對(duì)進(jìn)水負(fù)荷(水質(zhì)及水量)的各種變化具有很好的適應(yīng)性，耐沖擊負(fù)荷，能夠穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)。

2 剩余污泥產(chǎn)量少

該工藝可以在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷下運(yùn)行，剩余污泥產(chǎn)量低(理論上可以實(shí)現(xiàn)零污泥排放)，降低了污泥處理費(fèi)用。

3 占地面積小，不受設(shè)置場(chǎng)合限制

生物反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負(fù)荷高，占地面積大大節(jié)省; 該工藝流程簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積省，不受設(shè)置場(chǎng)所限制，適合于任何場(chǎng)合，可做成地面式、半地下式和地下式。

4 可去除氨氮及難降解有機(jī)物

由于微生物被完全截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，從而有利于增殖緩慢的微生物如硝化細(xì)菌的截留生長(zhǎng)，系統(tǒng)硝化效率得以提高。同時(shí)，可增長(zhǎng)一些難降解的有機(jī)物在系統(tǒng)中的水力停留時(shí)間，有利于難降解有機(jī)物降解效率的提高。

5 操作管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制

該工藝實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間( HRT )與污泥停留時(shí)間( SRT )的完全分離，運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中容易實(shí)現(xiàn)裝備化的新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)控制，從而使操作管理更為方便。

6 易于從傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改造

該工藝可以作為傳統(tǒng)污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級(jí)污水處理廠出水深度處理(從而實(shí)現(xiàn)城市污水的大量回用)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

7 膜-生物反應(yīng)器的不足

膜-生物反應(yīng)器也存在一些不足。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1膜造價(jià)高，使膜 - 生物反應(yīng)器的基建投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝;

2 膜污染容易出現(xiàn)，給操作管理帶來(lái)不便;

3 能耗高：首先 MBR 泥水分離過(guò)程必須保持一定的膜驅(qū)動(dòng)壓力，其次是 MBR 池中 MLSS 濃度非常高，要保持足夠的傳氧速率，必須加大曝氣強(qiáng)度，還有為了加大膜通量、減輕膜污染，必須增大流速，沖刷膜表面，造成 MBR 的能耗要比傳統(tǒng)的生物處理工藝高。

影響MBR應(yīng)用的關(guān)鍵因素研究

由于膜通量的提高、膜壽命的延長(zhǎng)會(huì)大幅度降低MBR的運(yùn)行費(fèi)用，因此，在保證出水水質(zhì)的前提下，膜通量應(yīng)盡可能大，這樣可減少膜的使用面積，降低基建費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用。因此控制膜污染，保持較高的膜通量，是MBR研究的重要內(nèi)容。而膜通量與膜材料、操作方式、水力條件等因素密切相關(guān)。

膜的選擇

現(xiàn)有膜可分為有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜兩種。

(1)高分子有機(jī)膜材料： 聚烯烴類(lèi)、聚乙烯類(lèi)、聚丙烯腈、聚砜類(lèi)、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。

有機(jī)膜成本相對(duì)較低，造價(jià)便宜，膜的制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式也較為多樣，應(yīng)用廣泛，但運(yùn)行過(guò)程易污染、強(qiáng)度低、使用壽命短。

(2)無(wú)機(jī)膜 ：是固態(tài)膜的一種，是由無(wú)機(jī)材料，如金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無(wú)機(jī)高分子材料等制成的半透膜。

目前在 MBR 中使用的無(wú)機(jī)膜多為陶瓷膜，優(yōu)點(diǎn)是：它可以在 pH = 0~14 、壓力 P<10MPa 、溫度 <350 ℃ 的環(huán)境中使用，其通量高、能耗相對(duì)較低，在高濃度工業(yè)廢水處理中具有很大競(jìng)爭(zhēng)力;缺點(diǎn)是：造價(jià)昂貴、不耐堿、彈性小、膜的加工制備有一定困難。

由于較高的投資成本限制了無(wú)機(jī)膜生物反應(yīng)器在我國(guó)的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)MBR系統(tǒng)普遍采用有機(jī)膜。常用的膜材料為聚乙烯、聚丙烯等。分離式MBR通常采用超濾膜組件，截留分子量一般在2～30萬(wàn)。截留分子量越大，初始膜通量越大，但長(zhǎng)期運(yùn)行膜通量未必越大。張洪宇進(jìn)行無(wú)機(jī)膜的通量衰減試驗(yàn)表明：孔徑0.2μm的膜比0.8 μm的膜更適合于MBR。何義亮用PES平板膜組件進(jìn)行膜通量衰減規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)：在該試驗(yàn)條件下，膜初始通量衰減主要是由于濃差極化引起，膜截留分子量愈小，通量衰減率愈大;膜長(zhǎng)期運(yùn)行的通量衰減主要是由于膜污染引起，膜截留分子量愈大，通量衰減幅度愈大，化學(xué)清洗恢復(fù)率愈低。

對(duì)于淹沒(méi)式MBR，既可用超濾膜，也可使用微濾膜。由于膜表面的凝膠層也起到了過(guò)濾作用，在處理生活污水時(shí)，微濾膜與超濾膜的出水水質(zhì)沒(méi)有明顯差別，因此淹沒(méi)式MBR多采用0.1～0.4 μm微濾膜。

為了便于工業(yè)化生產(chǎn)和安裝，提高膜的工作效率，在單位體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的膜面積，通常將膜以某種形式組裝在一個(gè)基本單元設(shè)備內(nèi)，在一定的驅(qū)動(dòng)力下，完成混合液中各組分的分離，這類(lèi)裝置稱(chēng)為膜組件( Module )。工業(yè)上常用的膜組件形式有五種：板框式( Plate and Frame Module )、螺旋卷式 (Spiral Wound Module) 、圓管式 (Tubular Module) 、中空纖維式 (Hollow Fiber Module) 和毛細(xì)管式 (Capillary Module) 。前兩種使用平板膜，后三者使用管式膜。圓管式膜直徑 >10mm; 毛細(xì)管式- 0.5~10.0mm ;中空纖維式 <0.5mm> 。

操作方式的優(yōu)化

當(dāng)膜材料選定后，其物化性質(zhì)也就基本確定了，操作方式就成為影響膜污染的主要因素。為了減緩膜污染，反沖洗是維持分離式MBR穩(wěn)定運(yùn)行的重要操作，樊耀波通過(guò)確定最佳反沖洗周期，使分離式MBR的膜通量達(dá)到60 L/(m2?h)。針對(duì)抽吸淹沒(méi)式MBR，山本提出間歇式抽吸方式可有效減緩膜污染。桂萍通過(guò)研究進(jìn)一步指出：縮短抽吸時(shí)間或延長(zhǎng)停吸時(shí)間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染，抽吸時(shí)間對(duì)膜阻力的上升影響最大，曝氣量其次。

不僅污泥濃度、混合液粘度等影響膜通量，混合液本身的過(guò)濾性能，如活性污泥性狀，生物相也影響膜通量的衰減。有研究表明：粉末活性炭與絮凝劑的加入有助于改善泥水分離性能，形成體積更大、粘性更小的污泥絮體，減少了膜堵塞的機(jī)會(huì)。但絮凝劑的過(guò)量加入會(huì)使污泥活性受到抑制，影響反應(yīng)器的處理能力和處理效果。

水力學(xué)特性的改善

改善膜面附近料液的流體力學(xué)條件，如提高流體的膜面流速，減少濃差極化，使被截留的溶質(zhì)及時(shí)被帶走，能有效降低膜的污染，保持較高的膜通量。黃霞、何義亮分別采用PAN平板式超濾膜、PAN/PS管式膜組件考察不同膜面循環(huán)流速下污泥濃度對(duì)膜通量的影響，發(fā)現(xiàn)MLSS 對(duì)膜通量的影響程度與膜面循環(huán)流速有關(guān)。大量試驗(yàn)表明：污泥過(guò)膜流態(tài)為層流，遠(yuǎn)比紊流時(shí)易于堵塞，因此從理論上確定不同污泥濃度下紊流發(fā)生的最小膜面流速(Vmin)有重要意義。邢傳宏、彭躍蓮研究均發(fā)現(xiàn)：最小膜面流速與污泥濃度之間呈良好的線性關(guān)系。但他們對(duì)臨界膜面流速的計(jì)算值可能偏高，因?yàn)槲勰嘌亓鞯懒鲃?dòng)的過(guò)程中，水同時(shí)透過(guò)膜流出，增加了流體在垂直方向的紊動(dòng)，從而在一定程度上降低了下臨界雷諾數(shù)(Rek)。何義亮的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了這一推論，平板膜組件由紊流到層流的Rek為1083，外壓管式膜組件的 Rek為966，均小于一般牛頓流體的下臨界雷諾數(shù)2000。

分離式MBR中，一般采用錯(cuò)流過(guò)濾的方式，這有助于防止膜面沉積污染。對(duì)于一體式MBR，設(shè)計(jì)合理的流道結(jié)構(gòu)，提高膜間液體上升流速，使較大的曝氣量起到?jīng)_刷膜表面的錯(cuò)流過(guò)濾效果顯得尤為重要。劉銳通過(guò)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得到適合活性污泥流體的膜間液體上升模型，提出反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)液體上升流速的影響：在同樣的曝氣強(qiáng)度下，反應(yīng)器越高，上升流通道越窄，下降流通道與底部通道越寬，則越能獲得較大的膜間錯(cuò)流流速。

能耗

能耗是污水處理工藝的一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，直接關(guān)系到處理方法的可行性。目前，常規(guī)分離式MBR運(yùn)行能耗為3～4 kW?h/m3，淹沒(méi)式MBR運(yùn)行能耗為0.6～2 kW?h/m3，高于活性污泥法的0.3～0.4 kW?h/m3。較高的動(dòng)力費(fèi)用是MBR推廣應(yīng)用中遇到的主要問(wèn)題之一。許多研究結(jié)果也表明：能耗是造成MBR運(yùn)行費(fèi)用高的主要原因。張紹園分析了分離式MBR的能耗組成：泵的熱能損失、曝氣能耗、管道阻力能耗、膜組件能耗和回流污泥水頭損失能耗，其耗能大小依次為：膜組件>泵>曝氣>管道>回流污泥，膜組件能耗占總能耗的40%～50%，其中80%用于膜過(guò)濾的能量以熱能的方式散發(fā)。顧平對(duì)抽吸淹沒(méi)式MBR的能耗分析表明：曝氣的能耗占總能耗的96%以上。

通常研究者都認(rèn)為能耗的降低與膜污染的控制是MBR研究領(lǐng)域兩個(gè)獨(dú)立的課題，而張紹園、鄭祥采用穿流式、錯(cuò)流式膜組件進(jìn)行分離式MBR研究發(fā)現(xiàn)：能耗隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)、膜污染的增加呈上升趨勢(shì)，從運(yùn)行初期的不足0. 5 kW?h/m3增加到3 kW?h/m3。這說(shuō)明：分離式膜生物反應(yīng)器的能耗問(wèn)題實(shí)質(zhì)是膜污染問(wèn)題。在實(shí)際工程中，由于系統(tǒng)各部件的不匹配(如風(fēng)機(jī)、水泵的實(shí)際處理能力高于MBR系統(tǒng)所需)也造成實(shí)際運(yùn)行能耗高于理論能耗值。

為了進(jìn)一步降低能耗，顧平應(yīng)用位差驅(qū)動(dòng)出水和低水頭間斷工作的重力淹沒(méi)式MBR，較好地克服了膜的污染與阻塞，使膜長(zhǎng)時(shí)間保持較大的膜通量，并且省去復(fù)雜的氣水反沖洗設(shè)備和降低曝氣量，使MBR處理生活污水的能耗可下降到1.0 kW?h/m3，該型MBR在實(shí)際工程中能耗已降到0.6～0.8 kW?h/m3。

MBR的應(yīng)用領(lǐng)域

進(jìn)入90 年代中后期，膜-生物反應(yīng)器在國(guó)外已進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。加拿大 Zenon 公司首先推出了超濾管式膜-生物反應(yīng)器，并將其應(yīng)用于城市污水處理。為了節(jié)約能耗，該公司又開(kāi)發(fā)了浸入式中空纖維膜組件，其開(kāi)發(fā)出的膜-生物反應(yīng)器已應(yīng)用于美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和埃及等十多個(gè)地方，規(guī)模從 380m 3 /d 至 7600m 3 /d 。日本三菱人造絲公司也是世界上浸入式中空纖維膜的知名提供商，其在 MBR 的應(yīng)用方面也積累了多年的經(jīng)驗(yàn)，在日本以及其他國(guó)家建有多項(xiàng)實(shí)際 MBR 工程。日本 Kubota 公司是另一個(gè)在膜-生物反應(yīng)器實(shí)際應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)力的公司，它所生產(chǎn)的板式膜具有流通量大、耐污染和工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)一些研究者及企業(yè)也在 MBR 實(shí)用化方面進(jìn)行著嘗試。

1 城市污水處理及建筑中水回用

1967 年第一個(gè)采用 MBR 工藝的廢水處理廠由美國(guó)的 Dorr-Oliver 公司建成，這個(gè)處理廠處理 14m 3 /d 廢水。 1977 年，一套污水回用系統(tǒng)在日本的一幢高層建筑中得到實(shí)際應(yīng)用。1980 年，日本建成了兩座處理能力分別為 10m 3 /d 和 50m 3 /d 的 MBR 處理廠。 90 年代中期，日本就有 39 座這樣的廠在運(yùn)行，最大處理能力可達(dá) 500m 3 /d ，并且有 100 多處的高樓采用 MBR 將污水處理后回用于中水道。 1997 年，英國(guó) Wessex 公司在英國(guó) Porlock 建立了當(dāng)時(shí)世界上最大的 MBR 系統(tǒng)，日處理量達(dá) 2 000 m 3 ， 1999 年又在 Dorset 的 Swanage 建成了13000m 3 /d 的 MBR 工廠 。

1998 年 5 月，清華大學(xué)進(jìn)行的一體式膜 - 生物反應(yīng)器中試系統(tǒng)通過(guò)了國(guó)家鑒定。 2000 年初，清華大學(xué)在北京市海淀鄉(xiāng)醫(yī)院建起了一套實(shí)用的 MBR 系統(tǒng)，用以處理醫(yī)院廢水，該工程于 2000 年 6 月建成并投入使用，目前運(yùn)轉(zhuǎn)正常。 2000 年 9 月，天津大學(xué)楊造燕教授及其領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在天津新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)普辰大廈建成了一個(gè) MBR 示范工程，該系統(tǒng)日處理污水 25 噸，處理后的污水全部用于衛(wèi)生間的沖洗及綠地澆灑，占地面積為 10 平方米，處理每噸污水的能耗為 0.7kW ? h 。

2 工業(yè)廢水處理

90 年代以來(lái)， MBR 的處理對(duì)象不斷拓寬，除中水回用、糞便污水處理以外，MBR 在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用也得到了廣泛關(guān)注，如處理食品工業(yè)廢水、水產(chǎn)加工廢水、養(yǎng)殖廢水、化妝品生產(chǎn)廢水、染料廢水、石油化工廢水，均獲得了良好的處理效果。 90 年代初，美國(guó)在 Ohio 建造了一套用于處理某汽車(chē)制造廠的工業(yè)廢水的 MBR 系統(tǒng)，處理規(guī)模為 151m 3 /d ，該系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷達(dá) 6.3kgCOD/m 3 ? d ， COD 去除率為 94% ，絕大部分的油與油脂被降解。在荷蘭，一脂肪提取加工廠采用傳統(tǒng)的氧化溝污水處理技術(shù)處理其生產(chǎn)廢水，由于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，結(jié)果導(dǎo)致污泥膨脹，污泥難以分離，最后采用 Zenon 的膜組件代替沉淀池，運(yùn)行效果良好。

3 微污染飲用水凈化

隨著氮肥與殺蟲(chóng)劑在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，飲用水也不同程度受到污染。 LyonnaisedesEaux 公司在 90 年代中期開(kāi)發(fā)出同時(shí)具有生物脫氮、吸附殺蟲(chóng)劑、去除濁度功能的 MBR 工藝， 1995 年該公司在法國(guó)的Douchy建成了日產(chǎn)飲用水 400m3的工廠。出水中氮濃度低于0.1mgNO2/L ，殺蟲(chóng)劑濃度低于 0.02μg/L 。

4 糞便污水處理

糞便污水中有機(jī)物含量很高，傳統(tǒng)的反硝化處理方法要求有很高污泥濃度，固液分離不穩(wěn)定，影響了三級(jí)處理效果。 MBR 的出現(xiàn)很好地解決了這一問(wèn)題，并且使糞便污水不經(jīng)稀釋而直接處理成為可能。

日本已開(kāi)發(fā)出被稱(chēng)之為 NS 系統(tǒng)的屎尿處理技術(shù)，最核心部分是平板膜裝置與好氧高濃度活性污泥生物反應(yīng)器組合的系統(tǒng)。 NS 系統(tǒng)于 1985 年在日本琦玉縣越谷市建成，生產(chǎn)規(guī)模為 10kL/d ， 1989 年又先后在長(zhǎng)崎縣、熊本縣建成新的屎尿處理設(shè)施。 NS 系統(tǒng)中的平板膜每組約 0.4m 2 共幾十組并列安裝，做成能自動(dòng)打開(kāi)的框架裝置，并能自動(dòng)沖洗。膜材料為截流分子量 20000 的聚砜超濾膜。反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度保持在 15000~18000mg/L 范圍內(nèi)。到 1994 年，日本已有 1200 多套 MBR 系統(tǒng)用于處理 4000 多萬(wàn)人的糞便污水。

5 土地填埋場(chǎng) / 堆肥滲濾液處理

土地填埋場(chǎng) / 堆肥滲濾液含有高濃度的污染物，其水質(zhì)和水量隨氣候條件與操作運(yùn)行條件的變化而變化。 MBR 技術(shù)在 1994 年前就被多家污水處理廠用于該種污水的處理。通過(guò) MBR 與 RO 技術(shù)的結(jié)合，不僅能去除 SS 、有機(jī)物和氮，而且能有效去除鹽類(lèi)與重金屬。最近美國(guó) Envirogen 公司開(kāi)發(fā)出一種 MBR 用于土地填埋場(chǎng)滲濾液的處理，并在新澤西建成一個(gè)日處理能力為40 萬(wàn)加侖 ( 約 1500m 3 /d) 的裝置，在 2000 年底投入運(yùn)行。該種 MBR 使用一種自然存在的混合菌來(lái)分解滲濾液中的烴和氯代化合物，其處理污染物的濃度為常規(guī)廢水處理裝置的 50 ～100 倍。能達(dá)到這一處理效果的原因是，MBR 能夠保留高效細(xì)菌并使細(xì)菌濃度達(dá)到50000g/L 。在現(xiàn)場(chǎng)中試中，進(jìn)液COD 為幾百至40000mg/L ，污染物的去除率達(dá) 90% 以上。

膜技術(shù)在飲用水深度處理中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)化肥、殺蟲(chóng)劑的大量持續(xù)使用，工業(yè)廢氣、廢水的超標(biāo)排放，和人們生活污水的大量增加，導(dǎo)致水源污染日趨嚴(yán)重。另一方面，隨著生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)的技術(shù)進(jìn)步和人民生活水平的提高，人們對(duì)飲用水的品質(zhì)提出了新的概念和要求，飲用水與人體健康這一話題，引起了各級(jí)人民政府和廣大群眾，比以往任何時(shí)間都要關(guān)切。飲水安全、衛(wèi)生已成為當(dāng)前消費(fèi)者的主導(dǎo)潮流。

膜技術(shù)是近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，也是當(dāng)前促進(jìn)和保證社會(huì)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，已在能源、電子、化工、醫(yī)藥、食品、汽車(chē)、家電、環(huán)保等領(lǐng)域，發(fā)揮著其獨(dú)特的重要作用。1.3×104 t/d的海水淡化大型工廠，2.4×104 t/d苦咸水電滲析淡化工廠，用膜近萬(wàn)平方米的大型超濾退漿廢水處理廠，2400 t/d的地表水微孔過(guò)濾凈化工廠，每年救治幾十萬(wàn)人生命的人工腎(透析器)已成為現(xiàn)代的重要醫(yī)療手段，膜法制取的礦泉水、純凈水、優(yōu)質(zhì)飲用水等已進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，這些已充分了顯示了膜技術(shù)應(yīng)用規(guī)模、水平和重要作用。本文就膜技術(shù)的進(jìn)展和在飲用水深度處理中的應(yīng)用作一綜合介紹。

電滲析

電滲析(ED)是以直流電為推動(dòng)力，利用陰陽(yáng)離子交換膜對(duì)水溶液中陰陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性，使一個(gè)水體中的離子通過(guò)膜遷移到另一水體中的物質(zhì)分離過(guò)程。1952年，美國(guó)Ionics公司，根據(jù)電滲析原理，研制成功世界上第一臺(tái)電滲析器，用于苦咸水淡化制取生活飲用水。70年代頻繁倒極電滲析技術(shù)(EDR)開(kāi)發(fā)成功，使電滲析裝置運(yùn)行更加方便，工作應(yīng)用更加穩(wěn)定;日本50年代末開(kāi)發(fā)這一技術(shù)，60年代用于海水濃縮制鹽和氯堿工業(yè)制濃鹽水;我國(guó)1958年開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)電滲析技術(shù)，1965年我國(guó)第一臺(tái)電滲析裝置試用于成昆鐵路建設(shè)，1967年完成了異相離子交換膜的工業(yè)化生產(chǎn)，三十年來(lái)，已在海水、苦咸水淡化制取生活飲用水和工業(yè)用純水、超純水制造，發(fā)揮了顯著的效果。其應(yīng)用面遍布全國(guó)各地的各行各業(yè)，其應(yīng)用面之廣和膜產(chǎn)量大均居世界同行前列。在我國(guó)，電滲析已成為一種成熟的水處理工藝技術(shù)。電滲析本體已按專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織生產(chǎn)，制水量從每小時(shí)幾十升到幾十噸多種規(guī)格可選，工程應(yīng)用可由單臺(tái)至幾十臺(tái)組合排列，以滿(mǎn)足不同制水量和不同脫鹽效果的要求。

與國(guó)際水平相比，我國(guó)電滲析工藝工程水平已接近世界先進(jìn)水平，差距較大的是離子交換膜的品種單一，限止了這一技術(shù)在高濃度濃縮和不同離子分離等方面的應(yīng)用，就水處理行業(yè)而言，盡管有少數(shù)電滲析裝置進(jìn)口，但由于進(jìn)口電滲析價(jià)格大大地貴于國(guó)產(chǎn)裝置，所以目前國(guó)內(nèi)電滲析仍由國(guó)貨所統(tǒng)治。1995年統(tǒng)計(jì)，電滲析用于苦咸水淡化，總造水量達(dá)1.07×106 t/d。

反滲透

反滲透(RO)是以壓力為推動(dòng)力，利用反滲透膜只能透過(guò)水而不能透過(guò)溶質(zhì)的選擇透過(guò)性，從某一含有各種無(wú)機(jī)物、有機(jī)物和微生物的水體中，提取純水的物質(zhì)分離過(guò)程。1960年Loeb和Sourirajan，根據(jù)上述原理制備了世界上第一張高脫鹽率、高通量的不對(duì)稱(chēng)膜醋酸纖維素(CA)反滲透膜。70年代初美國(guó)杜邦(Dupont)公司開(kāi)發(fā)成功了芳族聚酰胺(PA)中空纖維反滲透膜;80年代初聚酰胺復(fù)合膜及卷式元件研究成功，80年代末，高脫鹽率復(fù)合膜及卷式元件投入生產(chǎn);90年代中，超低壓高脫鹽度聚酰胺復(fù)合膜及元件投放市場(chǎng)。我國(guó)反滲透膜技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，始于1965年，1967-1969年的“全國(guó)海水淡化會(huì)戰(zhàn)”為CA不對(duì)稱(chēng)反滲透膜的開(kāi)發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，1982年我國(guó)第一個(gè)CA卷式膜元件研究成功，1983年CTA中空纖維組件研制成功;1984年大型8"卷式組件研制成功;1985年8"大型中空纖維組件研制成功。這些組件成功地應(yīng)用于18MΩ-cm超純水，高壓鍋爐補(bǔ)給水，無(wú)菌無(wú)熱源水和食用純凈水……的制造。并產(chǎn)生了重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，近三年來(lái)，由于國(guó)外卷式PA復(fù)合膜的大量進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，對(duì)國(guó)產(chǎn)CA卷式膜的沖擊很大，目前國(guó)產(chǎn)CA卷式膜已停產(chǎn)，而國(guó)產(chǎn)CTA低壓中空纖維膜組件，雖其脫鹽率低于進(jìn)口PA復(fù)合膜，但其由于相對(duì)價(jià)格低，供貨充足，目前仍在生產(chǎn)，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。

在反滲透工藝研究和工程應(yīng)用方面，80年代末，國(guó)家“七.五”科技攻關(guān)期間，電子工業(yè)用18MΩ-cm大型工業(yè)化超純水系統(tǒng)、高壓鍋爐補(bǔ)給水用大型反滲透裝置，和海島苦咸水反滲透淡化制取飲用水，三項(xiàng)示范工程獲得成功，并在全國(guó)范圍內(nèi)純水、超純水的制造中得到大力推廣應(yīng)用，該項(xiàng)目獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。1991年國(guó)產(chǎn)CTA中空纖維反滲透膜組件用于食用純凈水生產(chǎn)獲得成功，我國(guó)第一批純凈水投放市場(chǎng)，1994年二級(jí)反滲透系統(tǒng)研制成功，并首次用于純凈水的制造，割除了原工藝中的離子交換過(guò)程，1995年膜法直接制取醫(yī)用注射用水獲得成功，并分別在安徽繁昌制藥廠和北京協(xié)和醫(yī)院投入示范考核運(yùn)行。制備的無(wú)熱源水符合中國(guó)藥典(95版)和美國(guó)藥典(21版)注射用水的標(biāo)準(zhǔn)。

與國(guó)外相比，我國(guó)反滲透工藝和工程技術(shù)已接近國(guó)外先進(jìn)水平，但膜和組器技術(shù)同國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品仍有較大的差別，復(fù)合膜雖已完成中試放大，但離工業(yè)生產(chǎn)仍有較大距離，當(dāng)前反滲透膜組件市場(chǎng)，中空纖維型仍以國(guó)產(chǎn)CTA膜組件為主，而卷式型，基本上由進(jìn)口PA復(fù)合膜元件所占據(jù)。在工程上，引進(jìn)PA復(fù)合膜和其他關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)制造反滲透裝置，取代了以往整機(jī)進(jìn)口的局面，實(shí)踐證明是成功的。但注意的是許多小企業(yè)由于缺乏反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，用戶(hù)技術(shù)培訓(xùn)不到位，操作、維護(hù)不當(dāng)，致使反滲透膜使用壽命大大縮短，這已成為當(dāng)前我國(guó)反滲透工程應(yīng)用中的一個(gè)普遍問(wèn)題，應(yīng)引起同行的注意。

超 濾

超濾(UF)以壓力為推動(dòng)力，利用超濾膜不同孔徑對(duì)液體進(jìn)行分離的物理篩分過(guò)程，其切割分子量(CWCO)103、106，孔徑1100 nm。

1965年，首先由美國(guó)亞米康(Amicon)公司開(kāi)發(fā)成功中空纖維式超濾器，并投放市場(chǎng)。超濾應(yīng)用范圍很廣，除在水處理工程中，用于除菌、除熱源、膠體和大分子有機(jī)物等外，還可以用于許多特殊溶液的分離、精制，如血液凈化、蛋白質(zhì)精制、大分子有機(jī)物與鹽的分離和脫水等。同時(shí)，由于超濾是常溫操作對(duì)那些熱敏性物質(zhì)，如果汁、生物制品等的分離、濃縮、精制特別有效，節(jié)能效果尤為顯著。

我國(guó)超濾技術(shù)的開(kāi)發(fā)始于70年代初，最初開(kāi)發(fā)的CA管式膜組件首先用于電泳漆行業(yè)中然后應(yīng)用于酶制劑的濃縮，80年代初，聚砜(PS)中空纖維超濾組件研究成功，80年代中期卷式超濾組件研制成功，90年代初聚丙烯中空纖維組件研制成功。目前在水處理行業(yè)中，聚砜和聚丙烯中空纖維式組件應(yīng)用最多。

與國(guó)際產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)超濾膜組件品種單一，通量和截留率綜合性能較低，抑制了超濾技術(shù)在水處理以外領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)展步伐。在水處理工程應(yīng)用中，雖有少數(shù)公司推出全自動(dòng)快沖洗 式裝置，但在實(shí)際應(yīng)用中仍是以手動(dòng)為主，水通量難于穩(wěn)定，另一方面，大型化裝置應(yīng)用較少，但由于國(guó)際產(chǎn)品較貴，目前國(guó)內(nèi)超濾市場(chǎng)仍以國(guó)產(chǎn)為主。

納 濾

納濾(NF)介于反滲透和超濾之間，是近十年發(fā)展較快的一項(xiàng)膜技術(shù)，其推動(dòng)力仍是水壓。納濾膜的開(kāi)發(fā)始于70年代，最初開(kāi)發(fā)的目的是用膜法代替常規(guī)的石灰法和離子交換法的軟化過(guò)程，所以納濾膜早期也被稱(chēng)之軟化膜，目前國(guó)際上的納濾膜多半是聚酰胺復(fù)合膜，其切割分子量在百量級(jí)，對(duì)氯化鈉的脫除率約80%左右，而對(duì)硫酸鎂的脫鹽率高達(dá)98%，最大的優(yōu)點(diǎn)是操作壓力僅為0.5 MPa，在水的軟化、低分子有機(jī)物的分級(jí)、除鹽等方面優(yōu)點(diǎn)獨(dú)特，應(yīng)用廣泛，值得注意的是，納濾在飲用水的深度處理方面，引起了各國(guó)工程技術(shù)人員的極大興趣，他們?cè)噲D采用納濾膜技術(shù)除去飲用水中對(duì)人體危害極大的微量低分子有機(jī)物和部分除去無(wú)機(jī)鹽。

我國(guó)納濾技術(shù)的研究雖在80年代末就開(kāi)始了，但目前仍處在實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)階段，尚無(wú)產(chǎn)品投放市場(chǎng)。工程技術(shù)方面，已引進(jìn)美國(guó)Filmtec公司NF-70型納濾膜組件開(kāi)發(fā)水處理應(yīng)用研究，但國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)到納濾膜在大型水處理工程中應(yīng)用的報(bào)道。

微 濾

微濾(MF)是一種精密過(guò)濾技術(shù)，它的孔徑范圍一般為0.1～75 μm，介于常規(guī)過(guò)濾和超濾之間。1952年，德國(guó)Sartorius公司，首先生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)CN微孔濾膜，用于微生物污染檢測(cè)。二次大戰(zhàn)后，美國(guó)對(duì)MF技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并于1954年成立了目前著名的Millipore公司，隨后，英國(guó)、日本、蘇聯(lián)等國(guó)家都形成了自己微濾工業(yè)。從而使微濾技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，應(yīng)用范圍從實(shí)驗(yàn)室的微生物檢測(cè)急劇發(fā)展到制藥、醫(yī)療、航空航天、生物工程、微電子、環(huán)境檢測(cè)、飲料和飲用水深度處理等廣闊的領(lǐng)域，全世界MF膜的銷(xiāo)量，一直居于領(lǐng)先地位。

我國(guó)微濾膜的研究始于70年代初，從混纖維片發(fā)展到聚砜、尼龍、聚偏氟乙烯等膜片，增強(qiáng)型MF膜的連續(xù)生產(chǎn)，為折疊式標(biāo)準(zhǔn)濾芯的制造創(chuàng)造了條件，而標(biāo)準(zhǔn)折疊式濾芯的問(wèn)世為我國(guó)MF技術(shù)在大制水量工程中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。折疊式微孔濾芯可根據(jù)制水量的大小，任意并聯(lián)，裝于不銹鋼過(guò)濾器中，以滿(mǎn)足不同制水量的要求，在工業(yè)純水、超濾水的終端過(guò)濾，礦泉水、純凈水的除菌過(guò)濾，大輸液用水的過(guò)濾和家用凈水器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已初步形成我國(guó)自己的微濾產(chǎn)業(yè)。

與國(guó)外水平相比，常規(guī)微濾膜的性能和國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的性能基本一致，折疊式濾芯在許多場(chǎng)合替代了進(jìn)口產(chǎn)品，但在錯(cuò)流式微濾膜和組器技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用等方面，仍落后于國(guó)外，這就抑制了微濾技術(shù)在較高濁度水質(zhì)深度處理中的應(yīng)用。

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