MBR工艺设计及运行

一、MBR工艺概述

MBR（Membrane Bio-Reactor）即膜生物反应器，是应用于水处理中的膜生物处理技术，通过将膜分离技术和废水生物处理技术组合而成的系统，被公认是当今世界最前沿高效的污水处理与资源化技术之一。MBR技术利用膜的分离作用，以膜分离装置取代常规活性污泥工艺的二沉池、砂滤、消毒等单元，用微/超滤膜（MF/UF）对曝气池出水直接过滤，活性污泥混合液中的悬浮固体完全被截流并回流到反应器中，因此可以延长污泥龄，提高污泥浓度，降低污泥负荷，加速了微生物对污染物的降解，成倍地提高了污水处理效率，使出水水质不仅稳定、可靠，而且可以直接达到高品质再生水标准,特别适用于中国2011新标准下污水厂排放提标改造及工业污水回用。微/超滤膜（MF/UF）过滤孔径和截留分子量的范围是一般认为超滤膜的过滤孔径为0.01～0.1μm，截留分子量（Molecular weight cut off）为5,000～500,000 Dalton。一般用于污水处理的微滤膜标称截留分子量为30,000～800,000 Dalton。阿姆凯特AnuketMBR采用外压式抽吸式运行方式，进水侧在膜丝的外表面，膜内腔是洁净的产水，由于阿姆凯特Anuket中空纤维微滤膜采用高亲水及界面改性技术，赋予其中空纤维膜丝高强度及超高PVDF过滤层与支撑层的附着力，在产水及正冲、反洗中最大化发挥出抗污堵的优点，减小水流死角，实现高抗污堵、超长寿命的阿姆凯特Anuket产品特色。

 

 

二、MBR膜的优势

MBR具备其他单独生化工艺无法比拟的明显优势：

①出水水质优良且稳定。表现为固液分离的高效性，出水固体悬浮物几乎可长期维持接近零的状态，并且短期内不受污泥分解，污泥膨胀等因素的影响；

②反应器更加紧凑，因可承受高污泥浓度的正常运行所带来高有机去除复合而节省了占地面积，无需二沉池系统。

③有利于好氧硝化细菌的培养，强化好氧区域系统的硝化能力。表现为氨氮的去除效率高，且去除效果长久稳定。

④实现了反应器的水力停留时间和污泥停留时间的完全分离，使运行控制更加灵活。

⑤反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷能力强。污泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，可以有效减少污泥排放。

 

三、MBR膜未来发展走向

　　1) MBR技术在污水处理中发挥了重要作用。近年来的经验表明，该技术是成熟的，成功的设计和运行是可能的，可用于城市污水和工业废水的处理。因此，随着MBR技术的发展和成熟，MBR技术将作为一种经济高效的实用技术在世界范围内得到广泛应用。

　　2) MBR应用的前景应该是城市污水处理(因为城市需要占用小面积，高质量的污水可以重复使用或用作纳滤和反渗透的预处理，并且需要严格的排水标准);处理工业废水中的食品加工废水、屠宰废水和垃圾渗滤液，对垃圾渗滤液中的内分泌裂解物质(EDS)有很好的去除效果：去除饮用水中的硝酸盐(去除率可达98.5%)。

　　3) 在膜污染控制方面，进一步研究膜污染的机理，特别是加强对生物污染的研究，开发更有效、更易于控制和最小化的膜污染。充分利用计算机和传感器技术在线控制膜污染。在改进清洁方法时，应特别注意使用安全化学品。

　　4) 根据不同的污水类型，正确选择膜结构和材料，采用新型节能高效的膜材料压盖组件，促进好氧和厌氧MBR的有机结合。充分利用数学模型和计算机技术对运行参数进行优化，以达到更好的出水水质，使其更经济高效。

 

四、MBR膜运行原理

在实际工程运用中，由于一体式MBR工艺（浸没式）运用的较多，行业经验也相对成熟，因此我们以此种MBR作为分析例子。其大致原理是：原水进入生物反应器后，其有机物在其高浓度混合活性污泥的作用下得到氧化分解，膜组件下方设置有曝气组件，不仅具有为混合液微生物提供足够的DO，也促进充分搅拌均匀，同时因气泡搅动及其在膜表面形成的循环流而起到了对膜表面的冲刷和剪切作用，可有效防止污染物在膜表面形成非人工条件下不可逆的污染附着沉积。

处理后的水经过抽水泵（自吸泵）抽提，通过膜的分离，使液相透过膜排出系统。

通常MBR工艺有几个关键原理性的参数，分别是膜通量，渗透系数，截留率与浓差极化。

①膜通量

膜通量（J）是指单位时间内，单位面积的膜上通过的物质的量。

以SI表示[m?/（m?·s）]或者可以简化为m/s。在实际工程的计算中，经常使用非SI单位衡量标准：LMH，单位：[L/（m?·h）]。

普通的可以满足一般规模及一般难度废水处理的MBR膜的LMH约为至少10L/（m?·h）

影响膜通量的因素，主要有传质推动力，膜的阻力，膜料液侧的流动情况（等同于边界层阻力），以及膜污染状况等。

②渗透系数

膜的渗透系数（Lp）表示单位压力：

 

指在单位时间，单位膜面积上通过物质的量，简单表述为：单位压力条件下的膜通量，渗透系数是评价膜当前性能的主要参数之一。

③截留率

混合的料液在膜组件池中经过膜分离的作用，透过膜的液体称为透过液，被膜截留的被称为截留液。截留率用来表征膜的分离性能，包括表现/实测截留率（Robs）和真实/本征截留率（Ract）。其定义如下：

 

其中，Cp和Cb分别表示透过液和原料液的溶质浓度，可以直接测定。但实际上由于溶质被截留而附着膜表面的缘故，使得膜表面溶质浓度Cm高于原料液平均浓度，因此真实截留率为：

 

而Cm一般无法直接测定，需要借助计算模型估算。

④浓差极化

在实际压力驱动的过程中，膜通量常常随着时间的推移而减少，溶质截留率也有所改变，造成这种现象的主要原因是浓差极化和膜污染。

浓差极化是指在压力驱动下，料液中溶剂可自由穿过膜，而溶质被膜截留，溶剂流动不断将溶质带到膜表面，使溶质在膜表面积累，Cm逐渐高于Cb，导致因产生浓度梯度带来的由膜表面向料液反向扩散现象。而经一段时间稳定后，向膜表面流动的料液量等于反向扩散的量时，就达到了稳定状态，形成稳定的浓差极化边界层，当完全截留时的条件时，其表达方程式如下：

 

Cm/Cb称为浓差极化比，其值越大，对膜分离越不利；膜通量J较容易测定；但k是扩散系数和边界层厚度之比，k与膜表面流动条件相关，可通过传质准数关联式计算，也可通过实验确定。Zeman和Zydney（1996）文中有关于k取值的方法。

 

五、MBR膜分类

膜组件分类

按膜组件分类，可分为板框式，卷式，管式，中空纤维式四种。其中，中空纤维式的填装密度最高，投资却是最低，而管式由于是错流过滤的方式，膜污染速度最低，但中空纤维污染最为迅速。

 

卷式膜

 

管式膜

膜过滤设计分类

膜过滤有两种基本操作方式，一是死端过滤，二是错流过滤。死端过滤的料液是垂直于膜方向运动，而错流过滤是料液平行于膜表面，两者膜污染速率截然不同。但最易于操作的是死端过滤膜分离工艺。

 

 

运行工艺条件分类：

 

 

 

六、工艺去除特性

1.对有机物去除的特性

  与传统活性污泥法相比，MBR有更强的有机物去除能力，传统活性污泥法中，由于受到沉淀池沉降表面负荷的限度要求，其系统的污泥浓度存在最大值，无法继续提升污泥浓度来获得更高的有机物去除效果，而MBR对此去除率通常高达90%以上，出水可实现回用水标准，污泥负荷较低，水力停留时间较短，处理规模较大，且对有机物浓度变化幅度较大原水有很好的抗冲击负荷效果。

2.对脱氮的特性

  传统脱氮方式建立在硝化和反硝化过程之上，主要有两级脱氮和单级脱氮（从空间布局角度方面考虑），两级脱氮是指在两个不同功能的生化处理池中在空间关系上依次完成脱氮任务，单机脱氮是指在单个反应器中，通过仅此一个反应器的多种状态变化调控，在时间上完成脱氮。对于MBR工艺中脱氮，有诸多优异的特点：MBR泥龄较长，对氨氮的去除效果十分好，通常可达95%以上；传统的两级MBR对TN的去除效果也在80%以上。

3.对磷的去除特性

  生物法除磷主要通过聚磷菌一类的微生物超量从污水中摄取磷，将其以聚合态贮藏在为微生物体内，通过微生物的增殖，形成含有较处理前更多的含有微生物体内磷的污泥，最终通过污泥排放的方式，达到磷的去除效果。

  但MBR的泥龄较长，因此从传统活性污泥法除磷的角度与MBR工艺除磷有些许不符，但从原理上，传统活性污泥法与MBR法对除磷是一致的，国内外对MBR除磷的研究不在少数，多数是采用厌氧/好氧交替，与预处理或者深度处理互相结合，对磷的去除可在90%以上。

七、系统设计

1.MBR系统的原理及设计工艺

 

图  MBR工艺示意图

在过滤运转中，当过滤暂停时曝气仍然继续。没有抽吸时的曝气可以实现有效的膜面清洁。推荐的间歇过滤设定：8min运转，2min暂停。

 

图  MBR运转时间工艺步序

2基本组成

处理系统应由膜组件、生物反应池、供气系统、控制系统、进出水管路、在线清洗系统等组成。

3.工艺参数

（1）反应器的容积可按污泥负荷或容积负荷计算确定。

（2）反应器装置内必须保证一定的活性污泥浓度和水力停留时间。平均停留时间应根据原水水质和处理要求设定确定。生物反应池的容积设计可参照活性污泥法，结合反应器的污泥负荷或容积负荷参数计算。池容按污泥负荷计算时可采用下列公式：

V=24LjQ/1000FwNw

池容积按容积负荷计算时可采用下列公式：

V=24LjQ/1000FV

式中V——反应器的有效容积（m?）

Lj——反应器进水的BOD（mg/L）

Q——反应器设计处理水流量（m?/h）

Fw——反应器的BOD污泥负荷（kg/kg·d）

Nw——反应器内污泥平均浓度MLSS（g/L）

Fv——反应器内BOD容积负荷（kg/m?·d）

（3）反应器处理污水的设计参数应由试验确定。膜生物反应器不同于一般活性污泥的特点是反应池中的污泥浓度高，可达到8000～20000mgMLSS/L。因此其容积负荷较高，而相应的污泥负荷较低，污泥龄长。在无实验数据时，可按表1选取。

表1膜生物反应器污水处理设计参数

项目	污泥负荷Fw (kg/kg·d)	MLSS X (g/d)	容积负荷Fv (kg/m?·d)	处理效率（%）	原污水BOD（mg/L）
城镇污水回用	0.2-0.4	2.0-8.0	0.4-0.9	95-98	100-500
杂排水中水处理	0.1-0.2	1.0-4.0	0.2-0.5	90-95	50-150
综合生活污水回用	0.1-0.2	2.0-8.0	0.4-0.9	95-98	100-500
高浓度有机废水处理	0.2-0.5	4.0-18	0.5-2.0	98-99	500-5000

举例：

某住宅小区日排生活污水100m?/d,污水经化粪池后其水质为COD400mg/L、BOD₅250mg/L、SS100mg/L。处理后出水用于冲厕和绿化，要求达到生活杂用水水质标准（BOD<10mg/L）.试计算处理池的容积。

按容积负荷计算：取Fv=0.5

V=24L_jQ/1000F_V=(24×250×100/24)/(1000×0.5)=50m?.

根据相关资料与实际工程案例，反应器对生活污水、综合污水、医院污水、部分工业废水的工艺参数和效果如下：

A. 生活杂排水的中水处理（表2，表3）

表2处理基本参数

项目	HRT（h）	气水比	MLSS（g/m?）	污泥产量（kg/kgBOD）
工艺参数	>2h	>15:1	>1000	<0.6

表3原水水质及处理效果

项目	COD （mg/L）	BOD （mg/L）	SS （mg/L）	氨氮 （mg/L）	粪大肠菌群数（mg/L）
原水	200	100	150	20	>105
处理出水	<40	<5	<5	<5	<3
去除率（%）	80	95	98	75	99.9

B.生活污水的处理（表4）

反应器处理生活污水的典型工艺流程如下：

污水→格栅→调节池→膜生物反应器→清水池（消毒）→达标排放或回用

表4处理基本参数

项目	HRT（h）	气水比	MLSS（g/m?）	污泥产量（kg/kgBOD）
工艺参数	>6h	>15:1	>5000	<0.6

（4）反应器的供气量必须满足按活性污泥法的需要量，并同时满足膜表面清洗所需空气量。

（5）当对出水的氨氮或总氮有严格限制时，反应器应具备脱氮功能。可采用间歇曝气工艺或设置脱氮区。

（6）当对出水的除嗅或脱色有严格要求时，后处理装置应具有除嗅或脱色功能。可采用活性炭或化学氧化处理工艺。

附属设备：

a、格栅

防止膜组件堵塞，在MBR（膜生物反应器）前端应设置细格栅，格栅间隙在1~2mm为宜。

b、流量控制装置

在出水管路设置流量控制装置，控制出水流量。多组膜装置运行的场合每个装置都设流量控制装置。

c、压差计

在出水管和膜生物反应器内，设置压差计，测定膜间压差（压力表的测点最好设置在相同高度，这样可以直接测定膜间压差）。多组膜装置运行时每个系统都设置压差计。

d、曝气装置

给膜组件抖动提供气源，控制曝气量。

e、抽吸泵

通过膜组件抽吸水，根据设计通量，选择有吸程的抽吸泵。

f、液位计

控制膜池的液位，保证膜池最低液位高于膜组件。

g、清洗系统

防止膜组件在抽吸过滤过程中产生不可逆的牢固的污染层，通过定期的进行反冲洗和化学清洗，设计针对性的清洗方案，达到延缓膜污染，保持产水率的目的

4.膜面积和膜组件数量的确定

根据原水条件，选择好运行通量即可在阿姆凯特Anuket系列产品中选择合适的膜组件，并根据客户要求的处理量，确定膜面积。一般情况下，计算所得膜面积乘以一个设计系数，才为实际应用的膜面积。根据计算所需膜面积与选用的膜组件型号计算出膜组件数量。

5 反洗设计

（1）水反洗

  中空纤维膜丝是由高分子材料制造，如图3.3所示，外压式过滤时，膜丝受从外向里的压力而被压缩，膜外表面的微孔也相应被压缩变小，过滤精度更高；而反洗时，膜丝受力向外膨胀，膜丝外表面的微孔扩张，从而更彻底洗去可能进入膜孔的杂质。是一种优化的正向和反向过程。

 

图3.3过滤反洗示意图

反洗时使用膜产水或优于产水的水源，反洗压力控制在50-100kPa；反洗流量：1-2倍的产水量；反洗时间：1-5min；根据水质情况1-12小时反洗一次。

（2）维护性化学反洗

当膜表面被胶体状或溶解性微生物代谢产物吸附，无法通过物理方式去除并导致跨膜压差TMP上升，这时需要进行化学清洗。

*药剂种类：次氯酸钠，有效氯浓度100-500ppm；0.1-0.2%的盐酸、柠檬酸；或膜华复合清洗剂。

*维护性化学清洗时间：60-120min。

*清洗频率：跨膜压差TMP增加量超过30KPa或每运行1-12周。清洗周期值根据过膜水质可调。

实际运行中观察初期稳定时的膜间压差到增高到30kPa时所经历的时间。使药液清洗常规化，这能有效延长膜的寿命。

（3）．恢复性化学清洗

当膜组件长期使用后，产生不可逆的牢固的污染层，水反洗、维护性在线清洗已效果不明显，跨膜压差无法降低，则需要将膜组件浸泡在相应的清洗溶液中，接触更长的时间，以便获得更好的清洗效果，即恢复膜的通量恢复性化学清洗。

*恢复清洗时，待清洗的膜组件停止过滤，清洗过程既可以在分体式的膜池或膜箱中进行，也可以将膜组件吊出，在清洗槽中进行。

*一般讲恢复性化学清洗只是在线操作无法恢复 TMP时才考虑，可能会在3个月到一年进行一次。

*化学清洗之后，充分用水冲洗后再投入使用。使用多种药剂进行清洗时，药剂与药剂的更换之间需要用清水冲洗。

*恢复性化学清洗所使用的药剂如表5：

表5膜组件清洗药剂使用建议

污染物		化学清洗剂	使用条件
无机污染物	金属氧化物、含钙结垢	柠檬酸0.5%、1-3%	0.1%-2%，PH≈3
		盐酸0.2%、1.8-3.7%
有机污染物	脂肪酸、蛋白质、多糖	碱（0.5mol/L NaOH）和氧化剂200mg/L	60-120min
微生物污染	细菌、生物大分子	碱（0.1mol/L-0.5mol/L， NaOH）和氧化剂200mg/L	60-120min
		酶制剂、表面活性剂 （0.1%-2%）	30min-8h， 30℃
		次氯酸钠1000-2000mg/L、碱1%-3%

 

八、膜组件检漏

  膜组件在出厂时都经过气密性和完整性的检测，外观应清洁，无断丝，浇铸面与浇铸槽口基本相平，每个膜组件都经过反打压试验无渗漏。

1. 运行前膜组件和连接管路的检漏

（a）在膜架单元和配管的连接处、软管连接部位，和组件的连接部位涂上肥皂水，确认是否有气泡。

（b）检测请在2分钟以内、压力50~80kPa下完成。连接部分之间如果有气泡发生，重新紧固。即使没有气泡发生，如果有压力下降趋势，膜组件上也要涂上肥皂水，进行确认。

（c）暴露在大气状态下的检查结束后，请迅速将膜组件恢复到湿润状态。如果膜干燥，将会失去过滤膜的功能。

（d）压缩空气请首先使用过滤器等设备除去垃圾和油类，清洁干净后再使用。

2.在线检测方法

  在实际使用中可以在离线清洗时将膜装置吊出水面，抽出一帘膜片，将清水反打入这帘膜的集水管，如果有断丝，会有水柱从断丝出滋出。出厂时可以配备专用的接头，用于每帘组件的反冲检漏。查出膜破裂的部位，有足够长打结的情况下从断丝的部位打两个结。由于膜丝中心孔较细，韧性好，很容易被污泥堵死。

九、故障的处理方法

  膜组件的故障一般有：曝气异常、膜间压差上升以及透过水流量减少、透过水质恶化。以下所示为针对各种情况而产生的问题、原因和处理方法。

问题	原因	处理方法
膜组件曝气异常	风机故障	检查鼓风机
	曝气管堵塞	清洗、疏通曝气管
产水量减少/跨膜压差上升	膜被污染、堵塞	进行药洗
	曝气异常对膜表面没有有效地冲洗	改善曝气状态
	过滤水质发生变化   污泥浓度过高	·调整污泥排放量 ·阻止异常成分的流入（油分等） ·BOD负荷的调整 ·原水的调整
透过水的浊度增加	膜组件或连接管道破裂	关闭破损组件产水阀 更换、修复损坏部分
	透过水的配管管线泄漏
	透过侧生长有细菌	用次氯酸钠的注入产水管线进行反洗

 

十、相关技术术语

（1）原水 (Feed)

进入超滤系统的水。

（2）通量 (Flux)

产水透过膜的流速，通常表达为单位时间内单位膜面积的产水量，其单位多用L/㎡·h。

（3）跨膜压差 (Trans-membrane Pressure，TMP)

产水侧和原水进出口压力平均值的差异，即膜两侧平均压力差。

（4）反洗 (Backwash)

从中空纤维膜丝的产水侧把等于或优于透过液质量的水输向进水侧，与过滤过程的水流方向相反。因为水从反方向透过中空纤维膜丝，从而松解并冲走了膜表面在过滤过程中形成的污物。

（5）气洗 (Air Scrubbing)

让无油压缩空气通过中空纤维膜丝的进水侧表面，通过压缩空气与水的混合振荡作用，松解并冲走膜外表面在过滤过程中形成的污物。

（6）在线加药反洗  (Chemically Enhanced Backwash)

在反洗水中加入具有一定浓度和特殊效果的化学药剂（普遍采用NaClO），反洗的方式，将膜表面在过滤过程中形成的污物清洗下来的方式。

（7）化学清洗（Cleaning in place-CIP）

通量降低到一定程度，膜元件进行离线化学清洗，浸泡在化学清洗池中进行清洗。

（8）回收率 (Recovery)

产水占总原水的百分比，回收率%＝产水/原水×100

（9）截留分子量（Molecular weight cut off）

超滤膜的孔径通常用它截留物质的分子量大小来定义，将能截留90%的物质的分子量称为膜的截留分子量。通常用典型的已知分子量的球形分子如葡萄糖、蔗糖、杆菌肽、肌红蛋白、胃蛋白酶、球蛋白等作为基准物进行此类测定。

（10）浓差极化（Concentration polarization）

被截留的悬浮物在膜表面聚集的现象。通常提高膜丝表面液体的切向流速可以有效降低浓差极化现象。

（11）膜污染（Membrane fouling）

污染是指被处理液体中的微粒、胶体粒子、有机物和微生物等大分子溶质与膜产生物理化学作用或机械作用而引起在膜表面或膜孔内吸附、沉淀使膜孔变小或堵塞，导致膜的透水量或分离能力下降的现象。

附件一.装载40片帘式MBR模架示意图