浸沒式膜生物反應器(MBR)的最早研究可以追溯到上世紀60年代末期的美國。1969年Smith等報道采用超濾膜來替代傳統活性污泥工藝中的二沉池，用于處理城市污水。70年代末期，日本由于污水再生利用的需要，膜生物反應器(MBR)的研究工作有了較快的進展。自1983年到1987年日本有13家公司使用好氧膜生物反應器(MBR)處理大樓污水，處理水作為中水回用。從80年代后期到90年代初，Zenon公司繼續Dorr-Oliver公司的早期研究，進行污水處理研究，后開發用于處理工業廢水的系統并獲得了成功。Zenon公司的商業化產品，ZenoGem于1982年投入使用。

　　我國對浸沒式膜生物反應器(MBR)的研究始于上世紀90年代初。最早開始研究的有清華大學、中科院生態環境中心、天津大學、同濟大學等。近年，由于該項技術所具有的巨大吸引力和潛在的應用前景，受到了更多研究者的青睞。

　　1 浸沒式膜生物反應器原理

　　浸沒式膜生物反應器(MBR)是膜分離技術和生物技術的有機結合。用超濾或微濾膜分離技術取代傳統的活性污泥法的二沉池和常規過濾單元，使水力停留時間(HRT)和泥齡(STR)完全分離。其高效的固液分離能力使出水水質良好，懸浮物和濁度接近于零，并可截留大腸桿菌等生物性污染物，處理后出水可直接回用，出水水質要明顯優于傳統污水處理工藝，是一種高效、經濟的污水資源化技術。

　　2 膜分離單元特點

　　浸沒式膜生物反應器(MBR)中膜分離單元-濾膜的選擇基于三點：

　　1.可有效的分離活性污泥;

　　2.運行成本最低;

　　3.抗污染能力強。

　　通過對國內外膜生物反應器技術的研究，目前國內外使用的膜生物反應器大部分濾膜孔徑基本集中在0.05-0.4μm之間，基本介于超濾、微濾膜臨界點附近。在如上孔徑范圍基本上實現了對活性污泥的有效截留，同時確保其運行能耗最低。再大或者再小的空間將不太適應于膜生物反應器技術。

　　微濾、超濾、納濾及反滲透過濾功能見如下表：

　　1、微濾膜(MF)

　　截留顆粒直徑0.1 到數微米之間。微濾膜允許大分子和溶解性固體(無機鹽)等通過，但會截留懸浮物、細菌及大分子量膠體等物質。微濾操作壓力一般在0.01～0.2MPa之間。

　　2、超濾膜(UF)

　　截留顆粒直徑0.002～0.1μm 之間。超濾允許小分子物質和溶解性固體(無機鹽)等通過，同時截留下膠體、蛋白質、微生物及大分子有機物，用于表示超濾膜孔徑大小的切割分子量一般在1,000～500,000 之間。超濾操作壓力一般在0.05～0.6MPa 之間。

　　3、膜組件型式

　　中空纖維膜原理及型式

　　篩分過程，浸沒式膜生物反應器(MBR)操作壓力一般在0-70kPa，混合液在靜壓差或自吸泵的作用下，透過纖維素或高分子材料制成的微孔濾膜，利用其均一孔徑，來截留水中的微粒、細菌等，使其不能通過濾膜而被去除。

　　平板膜原理和形式

　　篩分過程，膜生物反應器(MBR)操作壓力0-35KPa，混合液在靜壓差或自吸泵的作用下，透過纖維素或高分子材料制成的微孔濾膜，利用其均一孔徑，來截留水中的微粒、細菌等，使其不能通過濾膜而被去除。

　　a.平板膜元件型式

　　3 膜生物反應器工藝路線

　　3、浸沒式MBR工藝流程

　　常規MBR 污水處理工藝說明：

　　a.格柵

　　污廢水通過格柵，利用機械格柵去除大塊雜物、漂浮物等，避免對后續設備的影響。在格柵井內安裝一套機械格柵，柵條間隙為1-2mm，由進水室、格柵渠道組成。在格柵進水室設置應急溢流管，當設備故障或其他非常原因，使進水室的污水超過最高設定水位時，污水通過應急溢流管超越排出，為檢修，在格柵前設置圓形閘閥。柵渣需定期清理，可作垃圾處理。

　　b.調節池

　　由于來自各時的水質、水量均不一樣，一般高峰流量為平均處理量的2～8倍，因此為使處理系統連續穩定地運行，同時調節水量和均和水質，設計一座調節池。調節池的設計有效容積一般為平均處理量的4～12倍，為保證調節池內不沉積污物，設置潛水攪拌器進行攪拌。設置液位自動控制裝置，水泵將根據液位自動開啟;設置潛污泵提升污水至缺氧池，配套自動耦合起吊裝置。

　　c.缺氧池

　　污水進入缺氧池，同時進入的還有膜池的回流混合液和污泥池的污泥。缺氧池主要作用是依靠污水中的有機物為碳源，利用反硝化細菌的反硝化作用將回流至該池泥水混合物中的硝酸鹽、亞硝酸鹽轉化為氮氣，從而實現廢水脫氮。此外，由于在脫氮過程中也消耗了污水中的有機物，所以廢水COD同時降低。池內設潛水攪拌器，溶解氧濃度為0.5mg/L。

　　d.好氧池

　　污水經缺氧池處理后，自流進入好氧池，即進入好氧處理階段。在曝氣狀態下中大量繁殖的活性污泥中微生物以及硝化菌群、磷細菌，降解或吸附水中含碳、氨氮、磷有機污染物質，以達到凈化水質的目的。池內設置硅橡膠管式曝氣器，具有良好的氧轉移率。控制溶解氧濃度2.0mg/L。

　　好氧池采用鼓風曝氣方式。傳統地埋式常用潛流曝氣方式，但運行發現當停止曝氣時，污泥沉淀至曝氣口附近而造成曝氣口堵塞現象，使曝氣機難以啟動，甚至完全不能啟動;同時，由于潛流曝氣設備埋設于地下，造成維修更換困難，給正常運行造成很大的麻煩。所以本設計采用羅茨鼓風機進行鼓風曝氣，安裝由管道組成的曝氣系統，不易堵塞，風機設在設備房，維修更換方便。

　　e.MBR池

　　利用膜對生化反應池內的含泥污水進行過濾，實現泥水分離。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，得到高質量的產水。

　　膜池設置MBR膜組件系統及配套的出水、清洗、吹掃等系統。MBR膜區內的吹掃(曝氣)有兩個用途，一是用于膜組件周圍的氣水振蕩，保持膜表面清潔，二是為提供生物降解所需要的氧氣。通過膜的高效截留作用，全部細菌及懸浮物均被截流在曝氣池中，可以有效截留硝化菌，使硝化反應順利進行，有效去除氨氮;同時可以截留難于降解的大分子有機物，延長其在反應器中的停留時間，使之得到最大限度的降解。剩余污泥通過膜區剩余污泥泵定期排出，可控制系統內活性污泥的濃度及污泥齡。

　　f.消毒/清水池

　　經膜過濾的出水尚有一部分病毒不能被去除，出水再經消毒即可達標回用。可采用紫外消毒，消毒后的水儲存在清水池內供使用，預留取水泵位置。

　　MBR 系統實現從水中去除有機物(COD)、氨氮(NH3-H)、總氮(TN)和總磷(TP)。用戶可根據出水要求，組合厭氧、缺氧、好氧工藝，實現對出水的要求。

　　以下是針對不同水處理要求所建議的處理工藝，如表所示：

　　4、膜池活性污泥循環方式

　　如果采用好氧池+膜池或脫氮池+膜池的運行方式，為了保證均衡的污泥濃度和脫氮效果，需要進行活性污泥(MLSS)循環。大致有以下三種方式：

　　4 浸沒式膜生物反應器布置

　　1、中空纖維膜組件布置

　　2、平板膜組件布置圖

　　5 浸沒式膜生物反應器的主要特點

　　膜生物反應器(Membrane Bio-Reactor，MBR)是一種由膜分離單元與生物處理單元相結臺的新型水處理技術，以膜組件取代二沉池，在生物反應器中保持高活性污泥濃度減少污水處理設施占地，并通過保持低污泥負荷減少污泥量。與傳統的生化水處理技術相比，MBR 具有以下主要優點：

　　1、能夠有效地進行固液分離，分離效果遠好于傳統的沉淀池，出水水質良好，出水懸浮物和濁度接近于零，可直接回用，實現了污水資源化;

　　2、膜的高效攔截作用使微生物完全截流在反應器內，實現了反應器水力停留時間(HRT)和污泥齡(SRT)的完全分離，使運行控制更加靈活穩定;

　　3、 反應器內的微生物濃度高，耐沖擊負荷能力強;

　　4、有利于增殖緩慢的硝化細菌的截流生長和繁殖，系統硝化效率得以提高，具有一定的脫氮、除磷功能，優于傳統的生物處理單元;

　　5、污泥齡長。膜分離使污水中的大分子難降解成分，在體積有限的生物反應器內有足夠的停留時間，大大提高了難降解有機物的降解效率。反應器在高容積負荷、低污泥負荷、長泥齡下運行，可以實現基本無剩余污泥排放;

　　6、省去二次沉淀池，節省占地;

　　7、系統采用PLC 控制，可實現全自動化控制。

　　6 浸沒式膜生物反應器預處理

　　沒有預處理，對MBR是不可想象。預處理的作用：既要防止膜污染，又要保證生物體系的正常運行。處理不當：格柵過粗、絮凝不充分(PAM)等高分子之間易吸附，加強膜污染。根據原水的特點，選擇適當的預處理措施。

　　1、MBR預處理設施選擇的原則

　　MBR工藝保護膜的預處理設施：超細格柵(0.2-2mm)。超細格柵選擇原則： (1) 設在沉砂池之后; (2) 選用Mesh或Hole狀轉鼓格柵; (3) 平板膜1-2mm。

　　2、MBR工藝保護膜的預處理

　　多數膜工程商：進水油脂<50mg/L，礦物油<3mg/L

　　3、中空纖維膜對預處理的要求

　　4、平板膜對預處理的要求

　　7 MBR技術設計關鍵點

　　1、 MBR構型選擇與膜組件形式

　　(1)污泥濃度<10g/L;

　　(2)膜組件排布時，需要考慮維護管理的便利性;

　　(3)通量：工業廢水處理時，提供一般1/2生活污水通量，但實際選擇時，需要結合具體的廢水類型和水質特征進行具體分析。

　　2、運行費用與能耗

　　(1)運行費用是工程設計中需要特別考慮的。

　　(2)MBR的運行費用：a.水泵的性能：與膜組件和TMP有關;b.曝氣：膜曝氣，一般采用大氣泡曝氣;生物曝氣，一般采用微氣泡曝氣;

　　注：①小型MBR，生物曝氣和膜曝氣可以合并，采用大氣泡方式，保證對膜組件的沖刷，但能耗稍高。②中型、大型MBR，需分開設置，既保證對膜組件的沖刷作用，又可以降低能耗。③過量的膜曝氣，會造成膜壽命下降和膜組件損傷。

　　膜的清洗：所在比例很小;

　　(4)膜的更換：與膜材質、膜廠家技術水平、維護好壞等有關。

　　3、風機與曝氣管

　　(1)為保護膜，宜采用無油壓縮風機。

　　(2)由于工業廢水沖擊負荷的問題，需要足夠的溶解氧即需要有足夠的風機富余量。

　　曝氣管容易堵塞，需要設置清洗設備。設計管路時，應防止清洗水流入風機。鼓風機管路應高于水面，防止清洗水流入風機。

　　

　　4、自控方式與監測

　　(1)通常情況下采用PLC控制，配置必要的電/氣動閥門，自動運行。

　　(2)自動閥門應帶有信號反饋，以確定是否開關到位。

　　(3)設計監測指標：TMP、水質、濁度等。

　　5、臭味、噪音和濕度問題

　　(1)由于曝氣量較大，MBR車間的臭味、噪音和濕度都較大。

　　(2)臭味：根據需要，反應池頂部加蓋，做成密閉方式，用離心鼓風機將臭氣抽取到臭味去除裝置中。

　　(3)噪音：采用隔音罩，或者選擇低噪音風機。

　　(4)濕度：根據需要，增加除濕器或者加強通風。

　　(5)溫度：不能超過40～45度。

　　6、色度問題與去除

　　(1)目前的MBR均采用超濾/微濾膜，對色度的截留效果較低。

　　(2)原水中的色度：進行預處理，加入混凝劑或脫色劑，預先把色度降低到一個合理的范圍，然后進入MBR，通過生物降解作用繼續脫色。

　　(3)膜出水有時會有色度?？刹捎贸粞?、活性炭等方式繼續脫色。

　　7、后期運行維護的便利性

　　(1)考慮膜組件清洗的便利性;

　　(2)考慮膜組件更換的便利性;

　　(3)操作人員日常維護、日常檢修等。

　　8、膜組件選型

　　膜元件用量計算

　　n(張)=Qmax/(F˙A)

　　其中： Qmax：日最大污水量(m3/d);考慮下雨、洪水等情況的最大日污水量。

　　F： 膜通量[L/( m2˙d)];

　　A ：每張膜元件的有效膜面積(m2/張)。

　　參考值：

　　1.生活污水設計膜通量范圍：400～800L/(m2˙d)。(中空、平板適用范圍)

　　2.工業廢水設計膜通量范圍：100～400L/(m2˙d)。工業廢水的場合最好通過試驗確認膜通量最佳值.(中空、平板適用范圍)

　　9、設計水量

　　設計流量的確定是污水處理廠設計最基本的問題，是污水處理系統設計、工藝設備選型的基礎。

　　(1)傳統的生物處理工藝：污水處理廠規模Qd是指平均日污水量，污水處理的生物處理系統多數也是按照Qd設計。生物處理系統是利用微生物吸附、水解或氧化水中有機物的設施，具有很強的緩沖能力。

　　(2)MBR工藝：通常采取恒流出水模式，決定了膜通量和膜數量的選擇。污水處理廠的設計流量與運行流量要保持一致。

　　多數膜供應商：設定(1.2-1.3)Qd的水量沖擊負荷。

　　如果出現長時間的污水量沖擊負荷，對系統運行膜而言，需以更大的膜通量運行才能保證系統進、出水平衡，顯然這樣高通量運行勢必會造成嚴重的膜污染，影響MBR系統的正常運行。如發生長時間污水量的沖擊，需采取一定的措施來分流超過設計流量的峰值負荷，引向污水處理廠中其他非MBR工藝的處理系統或其他市政污水處理廠。

　　10、膜生物反應器系統設計計算書(以平板膜-膜生物反應器為案例)

　　設計參數

　　(1)處理對象：生活污水

　　(2)處理規模：200m3/d

　　(3)進出水水質：

　　(4)處理工藝：缺氧+MBR工藝

　　構筑物容積設計計算

　　(1)調節池

　　無特殊參數設定，一般按照平均小時處理量的4-12倍設計，有效停留時間4-12h。

　　流量調節比：

　　K=膜片數量(片)×膜面積(1.0或1.5m2)×0.4m3/(m2.d)÷Q m3.d=330×1.5×0.4÷200=0.99

　　計算式：V=(Q/T-KQ/24)T=(200/12-0.99×200/24)×12=100.92 m3

　　實際尺寸：8.0×5.0×4.5m 實際有效容積：100m3

　　(2)脫氮池

　　氮容積負荷定為0.2 kg-N/(m3?d)以下。

　　流入水含氮量

　　200.0 m3/d×0.035kg-N/m3=7.0 kg/d

　　需要容量

　　7.0 kg/d÷0.2 kg-N/(m3?d)=35.0 m3以上

　　實際尺寸： 5.0m×2.0m×4.5m (實際有效容積40m3)

　　(3) 硝化池

　　氮容積負荷定為0.25 kg-N/(m3?d)以下。

　　流入水含氮量

　　200.0 m3/d×0.05kg-N/m3=10.0 kg/d

　　需要容量

　　10.0 kg/d÷0.25 kg-N/(m3?d)=40.0 m3以上

　　實際尺寸：5.0m×2.0m×4.5m(實際容量40m3)

　　※ 以上尺寸應該為考慮到了膜組件的設置面積后的容量。

　　(4) 消毒池

　　日平均汚水量的15分鐘量以上

　　0.14 m3/min×15 min=2.1 m3以上

　　實際尺寸： 1.0m×1.5m×4.5m(實際有效容積6 m3)

　　(5) 排放池

　　日平均汚水量的15分鐘量以上

　　0.14 m3/min×15 min=2.1 m3以上

　　實際尺寸： 1.0m×1.5m×4.5m(實際有效容積6m3)

　　(6) 殘渣?汚泥儲存池

　　剩余汚泥量：(汚泥濃度設為2.0%，BOD的汚泥轉換率設為45%)

　　200.0 m3/d×0.2kg-BOD/m3×0.45=18.0 kg/d

　　18.0 kg/d÷20kg/m3=0.9m3/d

　　殘渣量：(殘渣濃度50 000 mg/L，每流入1kg BOD為0.05kg)

　　200.0 m3/d×0.2kg-BOD/m3×0.05kg/kg=2.0 kg/d

　　2.0 kg/d÷50kg/m3=0.04m3/d

　　存貯量設為14天的量。(0.9 m3/d+0.04 m3/d)×14d=13.2 m3以上

　　實際尺寸：3.0m×1.5m×4.5m(實際有效容積：18.0m3)