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。
