膜生物反应器（MBR）在处理生活污水中的优势与劣势

摘 要：北京某两个小区的中水处理工程，两个项目的处理水量均为200 t/d，原水水质均为优质杂排水，经过处理后达到回用水冲厕水质标准（GB/T 18920-2002），一个选用传统生物接触氧化工艺，一个选用膜生物反应器（MBR）工艺。本人亲身参与设计方案、施工图的绘制、现场安装、运行调试、运行后的维护以及问题的解决。两种工艺的工程均建成并稳定运行两年后，各种指标均达标国标标准的前提下，研究这两种工艺在处理生活污水方面的运行数据，分析并总结出膜生物反应器（MBR）在处理生活污水中的优势与劣势。以现场工程实际参数为依据，并结合建成后的运行维护，包括两种工艺的占地面积、工艺流程、设备的选择、总装机功率、运行费用、维护费用、日常出现的问题等数据进行对比。最后得出了膜生物反应器在处理生活污水中具有出水水质优质稳定、剩余污泥产量小、占地面积小，不受场地因素限制、操作管理方便，易实现自动化控制等优势，同时也存在初期投资成本高，当膜受到有机或者无机污堵时，清洗较为麻烦，鼓风机选型较大，噪音较高，耗电量较大等劣势。

关键词：膜生物反应器 生物接触氧化工艺 中水回用 对比

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1672-3971（2012）12（a）-0103-04

在人类生活和生产活动中，都离不开水，水的重要性越来越受到人们的关注，它是地球上一切生命赖以生存的基础，同时，也是大自然中不可或缺的一项重要资源。但是，“水资源危机”已经在世界上许多国家和地区上出现，根据现有数据和有关专家预测，在本世纪末，尤其是下世纪初，“水资源危机”会成为各类资源危机之首，人类对水资源的保护迫在眉睫。

近年来，由于城市人口数量增加以及工业的迅速发展，尤其是人们生活水平的提高以及经济的发展，用水量也随之增大。但是，世界上的水资源是有限的，而且这有限的资源如今仍在消耗，需求与供给长时间内得不到平衡，矛盾日益突出和明显，导致了世界上几乎每个国家都即将面临的“水危机”。

为了缓解水危机，世界上许多国家一方面在宣传节水的重要性，培养人们的节水意识，另一方面在研究城市废水再生与回用工作。所谓城市废水回用，就是把城市居民生活和生产中的废水通过各种有效措施进行处理后回用。特别是对中水的利用，所谓中水，就是不与人体直接接触的杂用水，是将人们在生活和生产中用过的优质杂排水、杂排水以及生活污（废）水经集流再生处理后回用，充当地面清洁、浇花、洗车、空调冷却、冲洗便器、消防等。中水的水质的标准低于城市给水中饮用水水质标准，但又高于污水允许排入地面水体排放标准。

中水开发与回用技术近期得到了迅速发展，在美国、日本、印度、英国等国家（尤以日本为突出）得到了广泛的应用。这些国家均以本国度、区域的特点确定出适合其国情国力的中水回用技术，使中水回用技术越来越臻于完善。在我国，这一技术已受到各级政府及有关部门重视并对建筑中水回用做了大量理论研究和实践工作，在全国许多城市如深圳、北京、青岛、天津、太原等开展了中水工程的运行并取得了显著的效果[1]。

1 生活污水处理工艺的介绍

论文分析讨论的是针对生活污水的处理，处理后达到小区冲厕要求的两种不同工艺，探讨膜生物处理工艺（MBR）在中水处理工程中的优势与劣势，下面对两种不同工艺做一个简单的介绍。

1.1 传统生物接触氧化工艺

生物接触氧化法是生物膜法的主要设施之一，生物膜法是一大类生物处理法的统称，其主要利用附着生长于某些固体物表面的微生物（即生物膜）进行有机污水处理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统，其附着的固体介质称为滤料或载体。生物膜自滤料向外可分为厌气层、好气层、附着水层、运动水层。其原理是，生物膜首先吸附附着水层有机物，由好气层的好气菌将其分解，再进入厌气层进行厌气分解，流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复以达到净化污水的目的。老化的生物膜不断脱落下来，随水流入二次沉淀被沉淀去除。

生物接触氧化池内设置填料，填料淹没在废水中，填料上长满生物膜，废水与生物膜接触过程中，水中的有机物被微生物吸附、氧化分解和转化为新的生物膜。从填料上脱落的生物膜，随水流到二沉池后被去除，废水得到净化。在接触氧化池中，微生物所需要的氧气来自水中，而废水则自鼓人的空气不断补充失去的溶解氧。空气是通过设在池底的穿孔布气管进入水流，当气泡上升时向废水供应氧气，有时并借以回流池水。

1.2 膜生物反应器（MBR）

膜-生物反应器（Membrane Bio-Reactor，MBR）为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器系统内活性污泥（MLSS）浓度可提升至8000～10000 mg/L，甚至更高；污泥龄（SRT）可延长至30天以上[2]。

固液分离型膜-生物反应器是在水处理领域中研究得最为广泛深入的一类膜-生物反应器，是一种用膜分离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的水处理技术。在传统的废水生物处理技术中，泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其分离效率依赖于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分离效率越高。而污泥的沉降性取决于曝气池的运行状况，改善污泥沉降性必须严格控制曝气池的操作条件，这限制了该方法的适用范围。由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维持较高浓度，一般在1.5～3.5 g/L左右，从而限制了生化反应速率。水力停留时间（HRT）与污泥龄（SRT）相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾。系统在运行过程中还产生了大量的剩余污泥，其处置费用占污水处理厂运行费用的25%～40%。传统活性污泥处理系统还容易出现污泥膨胀现象，出水中含有悬浮固体，出水水质恶化。针对上述问题，MBR将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合，大大提高了固液分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌（特别是优势菌群）的出现，提高了生化反应速率。同时，通过降低F/M比减少剩余污泥产生量（甚至为零），从而基本解决了传统活性污泥法存在的许多突出问题。

2 实际工程的应用

2.1 工程项目的概况

选取两个亲身参与的工程项目，说明并对比两种工艺。表1为工程原水水质情况，表2为工程出水水质指标[3]。（如表1表2）

2.2 工程项目的简介

（1）北苑家园小区中水处理工程。

北苑家园小区中水处理工程位于北京市昌平区北苑家园小区，采用传统生物接触氧化工艺处理，原水为优质杂排水，水量为200 m3/d，处理要求达到回用标准，用于冲洗厕所、洗车及小区绿化。工程于2007年6月份完工，至于已经运行4年6个月。

处理工艺流程图如图1所示。

（2）石景山万达广场中水处理工程。

万达广场中水处理位于石景山区，原水水质为优质杂排水，水量为200 m3/d，要求达到回用水标准，回用于冲洗厕所、洗车及绿化。处理工艺采用膜生物反应器，膜组件采用的为德国迈纳德平板膜组件BIO-CEL。工程于2009年3月份完工，至今运行2年9个月。

处理工艺流程图如图2所示。

3 两种工艺的数据分析及对比

3.1 占地面积

万达广场中水处理机房面积为：168.6 m3。

北苑家园中水处理机房面积为：252.7 m3。

前者占地面积约为后者的67%。

3.2 处理水水质监测结果分析

（1）COD的去除（如图3图4）。

从两种工艺对COD去除的对比来看，石景山万达广场膜生物反应器出水水质明显优质稳定，平均出水COD为16.88 mg/L， 平均去除率87.71%。虽然原水COD变化较大，出水水质均能保持在40 mg/L以下。北苑家园生物接触氧化工艺出水虽然也能满足中水标准，但平均出水COD较高，为38.19 mg/L，平均COD去除率71.91%并且变化较大，出水明显受原水水质状况的影响。

（2）氨氮的去除（如图5图6）。

建设部新颁布的生活杂用水水质标准对氨氮要求，对洗车和冲厕，要求小于10 mg/L，对绿化要求小于20 mg/L。膜生物反应器对氨氮有很好的去除效果，出水平均氨氮为1.94 mg/L，去除率达86%，接触氧化法工艺氨氮去除效果较差，出水氨氮平均5.56 mg/L，去除率59.45%。由于膜分离对硝化细菌的高效截留作用，生物反应器内可以维持高浓度的硝化细菌，因此可以获得非常高的硝化效果，氨氮去除率可以达到85%以上。

3.3 工程经济性能分析

（1）投资经济性分析（如表3）。

膜生物反应器投资明显高于生物接触氧化工艺，吨水投资约高出33%左右，主要是设备投资明显增大，前者要比后者设备投资高出48%。但从设备占地面积看，前者只有后者的一半。如果将占地所产生的成本折算，应可抵消一部分膜生物反应器的设备投资增加部分。

（2）运行经济性分析。

影响中水系统运行费用的因素较多，包括：电力消耗、药剂使用量、设备维护、人员等，尤其是膜生物反应器，受膜组件的影响较大，膜寿命、膜价格是其中最关键因素，膜寿命：膜的使用年限越长，膜的折旧费用越低；膜寿命的延长、膜价格降低均可大幅度降低膜生物反应器的运行费用。同时与处理规模有关，处理规模越大，其吨水成本越低。（如表4）

从两种工艺的运行经济性分析来看，采用膜生物反应器的万达广场中水处理运行费用是北苑家园小区的90.72%。

3.4 其他方面分析

（1）运行噪音。

经过现场对比分析，采用膜生物反应器工艺的处理流程需要大风量的鼓风机，罗茨风机产生的噪音明显要比采用传统生物接触氧化工艺的风机噪音量大，而且传统生物接触氧化工艺还可采用水下曝气机的方式对生物填料鼓风，可以进一步减少噪音污染。为了降低噪音污染，在采用膜生物反应器的处理机房会设置了隔音效果较好材质的鼓风机房，最大程度降低罗茨风机带来的噪声。

（2）运行维护及更换。

在两个工程运行一年时，分别对两个工程进行维护。

北苑家园小区采用传统生物接触氧化法工艺，维护时需要清理池底淤泥，检查生物填料上的生物膜是否有较大规模的脱落现象。检查中发现，由于平时运行良好，基本上没有维护、更换工作。

万达广场中水处理工程采用膜生物反应器（MBR）工艺，在运行8个月时，出现二级提升泵压力明显增大，产水量下降的现象，这是由于运行过程中产生了膜污堵的情况，对MBR膜组件进行了一次酸洗的维护过程，使用柠檬酸对内膜腔进行灌注，浸泡一段时间后，用自吸泵将清洗液抽出。在清洗膜的过程中，需要排放MBR池内的所有污水，用清水对外膜进行清洗，确保没有杂质堵塞外膜。清洗时间较长，需要操作人员有一定的技术要求。

经过比较，膜生物反应器工艺在维护中，比传统生物接触氧化工艺较麻烦。

4 结论

通过采用两个不同工艺流程的中水回用处理工程运行结果及数据分析后表明，膜生物反应器（MBR）在处理生活污水中具有出水水质优质稳定、剩余污泥产量小、占地面积小，不受场地因素限制、操作管理方便，易实现自动化控制等优势，同时也存在初期投资成本高，当膜受到有机或者无机污堵时，清洗较为麻烦，鼓风机选型较大，噪音较高，耗电量较大等劣势。

膜生物反应器（MBR）的出水可以提供优秀稳定的水质，对保证中水回用的安全性，具有重要的意义。膜生物反应器技术在中水回用领域将具有广阔的前景。

参考文献

[1]董振兴.浅析中水回用技术及实施及对策[J].城市建设理论研究，2011（29）.

[2]刘惠芳，孙孝龙.典型膜生物反应器工艺流程分析比较，作者：广西轻工业：资源与环境，2010，8：128.

[3] 《城市污水再生利用 城市杂用水水质》GB/T18920-2002.

附录（如表5表6）

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