一、工藝組成與類型概述

膜—生物反應器主要由膜分離組件及生物反應器兩部分組成。通常所說的膜—生物反應器實際上是三類反應器的總稱：

1. 曝氣膜—生物反應器（Aeration Membrane Bioreactor, AMBR）；

2. 萃取膜—生物反應器（Extractive Membrane Bioreactor, EMBR）；

3. 固液分離型膜—生物反應器（Solid/Liquid Separation Membrane Bioreactor, SLSMBR，簡稱 MBR）。

二、各類膜 - 生物反應器詳解

（一）曝氣膜—生物反應器

曝氣膜—生物反應器（AMBR）最早見于 Cote.P 等 1988 年的報道。它采用透氣性致密膜（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形式，在保持氣體分壓低于泡點（Bubble Point）的情況下，可實現向生物反應器的無泡曝氣。該工藝的特點是提高了接觸時間和傳氧效率，有利于曝氣工藝的控制，不受傳統曝氣中氣泡大小和停留時間因素的影響。

（二）萃取膜—生物反應器

萃取膜—生物反應器又稱為 EMBR（Extractive Membrane Bioreactor）。由于高酸堿度或對生物有毒物質的存在，某些工業廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理；當廢水中含揮發性有毒物質時，若采用傳統的好氧生物處理過程，污染物容易隨曝氣氣流揮發，發生氣提現象，不僅處理效果不穩定，還會造成大氣污染。

為了解決這些技術難題，英國學者 Livingston 研究開發了 EMBR。廢水與活性污泥被膜隔開，廢水在膜內流動，而含某種專性細菌的活性污泥在膜外流動，廢水與微生物不直接接觸，有機污染物可以通過選擇性透過膜被另一側的微生物降解。由于萃取膜兩側的生物反應器單元和廢水循環單元各自獨立，各單元水流相互影響不大，生物反應器中營養物質和微生物生存條件不受廢水水質的影響，使水處理效果穩定。系統的運行條件如 HRT 和 SRT 可分別控制在最優的范圍，維持最大的污染物降解速率。

（三）固液分離型膜—生物反應器

固液分離型膜—生物反應器是在水處理領域中研究得最為廣泛深入的一類膜—生物反應器，是一種用膜分離過程取代傳統活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術。

在傳統的廢水生物處理技術中，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行狀況，改善污泥沉降性必須嚴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速率。水力停留時間（HRT）與污泥齡（SRT）相互依賴，提高容積負荷與降低污泥負荷往往形成矛盾。系統在運行過程中還產生了大量的剩余污泥，其處置費用占污水處理廠運行費用的 25% - 40%。傳統活性污泥處理系統還容易出現污泥膨脹現象，出水中含有懸浮固體，出水水質惡化。

針對上述問題，MBR 將分離工程中的膜分離技術與傳統廢水生物處理技術有機結合，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（特別是優勢菌群）的出現，提高了生化反應速率；同時，通過降低 F/M 比減少剩余污泥產生量（甚至為 0），從而基本解決了傳統活性污泥法存在的許多突出問題。

三、工藝類型劃分

根據膜組件和生物反應器的組合方式，可將膜—生物反應器分為分置式、一體式以及復合式三種基本類型。（以下討論的均為固液分離型膜—生物反應器）

1. 分置式

把膜組件和生物反應器分開設置。生物反應器中的混合液經循環泵增壓后打至膜組件的過濾端，在壓力作用下混合液中的液體透過膜，成為系統處理水；固形物、大分子物質等則被膜截留，隨濃縮液回流到生物反應器內。

分置式膜—生物反應器的特點是運行穩定可靠，易于膜的清洗、更換及增設；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，延長膜的清洗周期，需要用循環泵提供較高的膜面錯流流速，水流循環量大、動力費用高（Yamamoto,1989），并且泵的高速旋轉產生的剪切力會使某些微生物菌體產生失活現象（Brockmann and Seyfried,1997）。

2. 一體式

把膜組件置于生物反應器內部。進水進入膜—生物反應器，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濾出水。

這種形式的膜—生物反應器由于省去了混合液循環系統，并且靠抽吸出水，能耗相對較低；占地較分置式更為緊湊，在水處理領域受到了特別關注。但是一般膜通量相對較低，容易發生膜污染，膜污染后不容易清洗和更換。

3. 復合式

形式上也屬于一體式膜—生物反應器，所不同的是在生物反應器內加裝填料，從而形成復合式膜—生物反應器，改變了反應器的某些性狀。

四、工藝特點

與許多傳統的生物水處理工藝相比，MBR 具有以下主要優點：

1. 出水水質優質穩定

由于膜的高效分離作用，分離效果遠好于傳統沉淀池，處理出水極其清澈，懸浮物和濁度接近于零，細菌和病毒被大幅去除，出水水質優于建設部頒發的生活雜用水水質標準（CJ25.1 - 89），可以直接作為非飲用市政雜用水進行回用。

同時，膜分離也使微生物被完全截流在生物反應器內，使得系統內能夠維持較高的微生物濃度，不但提高了反應裝置對污染物的整體去除效率，保證了良好的出水水質，同時反應器對進水負荷（水質及水量）的各種變化具有很好的適應性，耐沖擊負荷，能夠穩定獲得優質的出水水質。

2. 剩余污泥產量少

該工藝可以在高容積負荷、低污泥負荷下運行，剩余污泥產量低（理論上可以實現零污泥排放），降低了污泥處理費用。

3. 占地面積小，不受設置場合限制

生物反應器內能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負荷高，占地面積大大節省；該工藝流程簡單、結構緊湊、占地面積省，不受設置場所限制，適合于任何場合，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物

由于微生物被完全截流在生物反應器內，從而有利于增殖緩慢的微生物如硝化細菌的截留生長，系統硝化效率得以提高。同時，可增長一些難降解的有機物在系統中的水力停留時間，有利于難降解有機物降解效率的提高。

5. 操作管理方便，易于實現自動控制

該工藝實現了水力停留時間（HRT）與污泥停留時間（SRT）的完全分離，運行控制更加靈活穩定，是污水處理中容易實現裝備化的新技術，可實現微機自動控制，從而使操作管理更為方便。

6. 易于從傳統工藝進行改造

該工藝可以作為傳統污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級污水處理廠出水深度處理（從而實現城市污水的大量回用）等領域有著廣闊的應用前景。

膜—生物反應器也存在一些不足，主要表現在以下幾個方面：

(1) 膜造價高，使膜—生物反應器的基建投資高于傳統污水處理工藝；

(2) 膜污染容易出現，給操作管理帶來不便；

(3) 能耗高：首先 MBR 泥水分離過程必須保持一定的膜驅動壓力；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 的能耗要比傳統的生物處理工藝高。

五、應用領域

進入 90 年代中后期，膜—生物反應器在國外已進入了實際應用階段。加拿大 Zenon 公司首先推出了超濾管式膜—生物反應器，并將其應用于城市污水處理。為了節約能耗，該公司又開發了浸入式中空纖維膜組件，其開發出的膜—生物反應器已應用于美國、德國、法國和埃及等十多個地方，規模從 380m³/d 至 7600m³/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 的應用方面也積累了多年的經驗，在日本以及其他國家建有多項實際 MBR 工程。日本 Kubota 公司是另一個在膜—生物反應器實際應用中具有競爭力的公司，它所生產的板式膜具有流通量大、耐污染和工藝簡單等特點。國內一些研究者及企業也在 MBR 實用化方面進行著嘗試。

膜—生物反應器已應用于以下領域：

1. 城市污水處理及建筑中水回用

1967 年第一個采用 MBR 工藝的廢水處理廠由美國的 Dorr - Oliver 公司建成，這個處理廠處理 14m³/d 廢水。 1977 年，一套污水回用系統在日本的一幢高層建筑中得到實際應用。1980 年，日本建成了兩座處理能力分別為 10m³/d 和 50m³/d 的 MBR 處理廠。90 年代中期，日本就有 39 座這樣的廠在運行，最大處理能力可達 500m³/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 Wessex 公司在英國 Porlock 建立了當時世界上最大的 MBR 系統，日處理量達 2000m³，1999 年又在 Dorset 的 Swanage 建成了 13000m³/d 的 MBR 工廠。

1998 年 5 月，清華大學進行的一體式膜 - 生物反應器中試系統通過了國家鑒定。2000 年初，清華大學在北京市海淀鄉醫院建起了一套實用的 MBR 系統，用以處理醫院廢水，該工程于 2000 年 6 月建成并投入使用，運轉正常。2000 年 9 月，天津大學楊造燕教授及其領導的科研小組在天津新技術產業園區普辰大廈建成了一個 MBR 示范工程，該系統日處理污水 25t，處理后的污水全部用于衛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. 工業廢水處理

90 年代以來，MBR 的處理對象不斷拓寬，除中水回用、糞便污水處理以外，MBR 在工業廢水處理中的應用也得到了廣泛關注，如處理食品工業廢水、水產加工廢水、養殖廢水、化妝品生產廢水、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，美國在 Ohio 建造了一套用于處理某汽車制造廠的工業廢水的 MBR 系統，處理規模為 151m³/d，該系統的有機負荷達 6.3kgCOD/m³·d ，COD 去除率為 94%，絕大部分的油與油脂被降解。在荷蘭，一座脂肪提取加工廠采用傳統的氧化溝污水處理技術處理其生產廢水，由于生產規模的擴大，結果導致污泥膨脹，污泥難以分離，最后采用 Zenon 的膜組件代替沉淀池，運行效果良好。

3. 微污染飲用水凈化

隨著氮肥與殺蟲劑在農業中的廣泛應用，飲用水也不同程度受到污染。Lyonnaise des Eaux 公司在 90 年代中期開發出同時具有生物脫氮、吸附殺蟲劑、去除濁度功能的 MBR 工藝，1995 年該公司在法國的 Douchy 建成了日產飲用水 400m³的工廠。出水中氮濃度低于 0.1mgNO₂/L，殺蟲劑濃度低于 0.02μg/L 。

4. 糞便污水處理

糞便污水中有機物含量很高，傳統的反硝化處理方法要求有很高污泥濃度，固液分離不穩定，影響了三級處理效果。MBR 的出現很好地解決了這一問題，并且使糞便污水不經稀釋而直接處理成為可能。

日本已開發出被稱之為 NS 系統的屎尿處理技術，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器組合的系統。NS 系統于 1985 年在日本琦玉縣越谷市建成，生產規模為 10kL/d，1989 年又先后在長崎縣、熊本縣建成新的屎尿處理設施。NS 系統中的平板膜每組約 0.4m²共幾十組并列安裝，做成能自動打開的框架裝置，并能自動沖洗。膜材料為截流分子量 20000 的聚砜超濾膜。反應器內污泥濃度保持在 15000 - 18000mg/L 范圍內。到 1994 年，日本已有 1200 多套 MBR 系統用于處理 4000 多萬人的糞便污水。

5. 土地填埋場/堆肥滲濾液處理

土地填埋場/堆肥滲濾液含有高濃度的污染物，其水質和水量隨氣候條件與操作運行條件的變化而變化。 MBR 技術在 1994 年前就被多家污水處理廠用于該種污水的處理。通過 MBR 與 RO 技術的結合，不僅能去除 SS、有機物和氮，而且能有效去除鹽類與重金屬。美國 Envirogen 公司開發出一種 MBR 用于土地填埋場滲濾液的處理，并在新澤西建成一個日處理能力為 40 萬加侖（約 1500m³/d）的裝置，在 2000 年底投入運行。該種 MBR 使用一種自然存在的混合菌來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廢水處理裝置的 50 - 100 倍。能達到這一處理效果的原因是，MBR 能夠保留高效細菌并使細菌濃度達到 50000g/L。在現場中試中，進液 COD 為幾百至 40000mg/L，污染物的去除率達 90%以上。