全球膜生物反應(yīng)器污水處理系統(tǒng)工程應(yīng)用現(xiàn)狀與展望
全球范圍內(nèi)淡水資源的時空分布非常不均勻，許多地區(qū)淡水資源嚴(yán)重匱乏，我國北方地區(qū)尤為嚴(yán)重。而且隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，用水量以及污水排放量都在迅速增加，因此，污水的資源化利用已成為應(yīng)對水資源短缺和減少污染排放的必由之路。近些年來，許多國家都積極開發(fā)廢水綜合處理和回用技術(shù)，其中，膜生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor，簡稱MBR）是20世紀(jì)末發(fā)展起來的最具潛力的廢水資源化再生利用技術(shù)之一。MBR是將膜分離技術(shù)引入廢水生物處理系統(tǒng)，利用膜分離技術(shù)與生物反應(yīng)技術(shù)各自的優(yōu)勢，開發(fā)出的一種高效水處理系統(tǒng)。它具有占地空間小、固液分離率高、活性污泥濃度高、處理效率高、出水水質(zhì)好、污泥產(chǎn)率低、運行管理簡單等優(yōu)點。但是，它也存在設(shè)備費用稍高，膜比較容易污染，膜的使用壽命較短等仍需解決的問題。
近年來有關(guān)MBR研究方面的文獻(xiàn)很多，相關(guān)研究的綜述文章也有大量報道。目前，由于膜技術(shù)的不斷革新和MBR工藝的不斷完善，MBR在污水資源化方面的工程應(yīng)用和商業(yè)化開發(fā)已經(jīng)開始以指數(shù)方式增長。為了了解國際上MBR工程應(yīng)用現(xiàn)狀，為我國污水資源化工程建設(shè)提供參考，本文將對全球MBR污水處理系統(tǒng)工程應(yīng)用和商業(yè)開發(fā)的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行綜述，并對其發(fā)展前景進(jìn)行討論。
1．MBR污水處理系統(tǒng)的類型和特點
MBR的主要功能部件是生物反應(yīng)器和膜組件，生物反應(yīng)器的功能是生化降解污水中的污染物，膜組件的作用是截留水中的固形物（主要是微生物），過濾凈化水質(zhì)。MBR可劃分為很多種類型，但在當(dāng)前污水處理的工程應(yīng)用中，主要有兩種劃分方法：
其一是按膜組件的形狀劃分，可劃分為3種類型：一種是以GE的Zenon公司為代表的中空纖維柱狀膜組件，它具有膜面積大，占地面積小等特點，一種是以Mitsubishi Rayon(Japan)公司為代表的中空纖維簾狀膜組件，它具有膜面積大，易于安裝，清洗方便等特點，另一種是以Kubota公司為代表的浸沒平板型簾式膜組器，它具有膜通量大，易于組裝，清洗方便等特點。
其二是按膜組件與生物反應(yīng)器的組合方式劃分，可分為分置式和一體式（淹沒式）兩種，分置式是將膜分離裝置與生物反應(yīng)器分離安裝，膜分離裝置置于生物反應(yīng)器外，它具有運行可靠，膜易于清洗，膜通量大等特點，但因需要循環(huán)泵提供較高的膜面流速，所以動力費用較高，且泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力會使某些微生物菌體失活。一體式是將膜組件浸沒在生物反應(yīng)容器中，它的在線運行和操作過程是在比較底的跨膜壓差下，通過真空抽吸泵的抽吸作用，分離過濾的方法，這種運行方式具有能耗相對較低，占地緊湊等特點，但膜通量較低，膜易污染。
2．MBR的膜材料應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1 國外膜材料應(yīng)用現(xiàn)狀
組成MBR膜組件膜絲材料有：聚碳酸酯、纖維素酯、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亞胺、聚乙烯、聚丙稀、聚醚醚酮、聚酰胺等。但目前MBR膜組件中使用量較大的只有聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚乙烯（PE）和聚丙。≒P）。其中聚偏二氟乙烯（PVDF）由于其優(yōu)良的物理和化學(xué)性能（強度和耐腐蝕性）在國內(nèi)和國外用量均最大。
2006年底，國際市場上用于污水處理的PVDF膜主要是美國、加拿大、日本等國家的供應(yīng)商，供應(yīng)總膜面積4000萬m2，產(chǎn)值16億美元（見表1）。用于污水處理的PE膜主要提供者是Mitsubishi Rayon(Japan)公司。
表1：國際上用于污水處理的PVDF膜
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2.2 國內(nèi)膜材料應(yīng)用現(xiàn)狀
2006年底，國內(nèi)市場上用于污水處理的PVDF膜主要是天津、大連、浙江、海南等地的供應(yīng)商，供應(yīng)總膜面積250萬m2，產(chǎn)值4億元人民幣。
國內(nèi)用于污水處理的PE膜主要提供者也是Mitsubishi Rayon(Japan)公司，PP膜提供者較多，但規(guī)模均較小，主要集中在江浙地區(qū)。
目前性能優(yōu)良的國產(chǎn)膜絲較少，進(jìn)口膜雖然質(zhì)量相對好，但價格昂貴。從成本上來說，國外膜的高價一定程度上成為了MBR廣泛推廣使用的一大瓶頸，一些國外大公司開始在中國生產(chǎn)膜絲或組裝膜件。由于構(gòu)成膜組件的膜絲生產(chǎn)技術(shù)是決定膜組件和MBR性能的基本要素，值得欣喜的是國內(nèi)膜材料的研究和生產(chǎn)發(fā)展目前也較快。
3．膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用現(xiàn)狀
在污水處理長達(dá)110多年的歷史中，MBR技術(shù)一直到最近幾年才有了高速的發(fā)展。膜生物反應(yīng)器的最早商業(yè)應(yīng)用是在70年代末的美國和80年代初的日本，估計現(xiàn)在全世界有超過5000套的MBR污水處理系統(tǒng)正在運行。世界上最早將膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于商業(yè)開發(fā)的是加拿大的Zenon公司和日本的Kubota公司，緊接著加入進(jìn)來的是德國的Wehrle Werk公司。
現(xiàn)在世界上有超過8家MBR大、中型制造商，其中比較大的廠商包括 General Electric 公司，Kubota公司（Japan），KMS公司（USA），Norit X-Flow公司（Netherlands），Simens(German)公司，USfilter公司（USA）,北京碧水源科技股份有限公司，聯(lián)合環(huán)保工程公司等。
3.1 國外主要供應(yīng)廠商及工程實例
General Electric子公司
Zenon公司創(chuàng)建于1980年，總部坐落在加拿大安大略省的奧克維爾市，目前在全球16個國家設(shè)有辦事處，雇用約1300名員工，是一家專業(yè)制造和銷售水處理和廢水凈化與回用的膜過濾系統(tǒng)的全球性公司，是世界上最早提供商業(yè)化MBR工藝產(chǎn)品的公司之一，目前世界范圍內(nèi)已經(jīng)運行的Zenon水處理系統(tǒng)有上千套，累計處理規(guī)模約670萬m3/d。Zenon公司2004年全年的銷售額為2.345億美元。2006年6月美國的GE公司收購了Zenon公司，使之成為 GE Water & Process Technologies 公司的一部分。
Zenon公司于1990年開發(fā)的ZeeWeed系列產(chǎn)品是膜技術(shù)的重大轉(zhuǎn)變。此前，所有的膜系統(tǒng)都采用壓力容器的方式，這種方式需要很多不同的部件連接和很高的能耗。而ZeeWeed系列產(chǎn)品卻轉(zhuǎn)變了膜工業(yè)界這種常規(guī)的過濾方式，把膜直接浸在膜池中通過較小的真空壓就能過濾原水。ZeeWeed系列膜組件有ZW500和ZW1000兩種型號。
ZW500型膜絲內(nèi)部有一層加強支撐，這層支撐使膜具有很高的強度和很好的韌性，使膜可以抵抗更高的污染沖擊。ZW500型膜一般用在污水處理及原水水質(zhì)較差的飲用水處理中。ZW1000型膜一般用在飲用水處理中。ZeeWeed膜組器一般每2～5年就會更新?lián)Q代、升級一次。
現(xiàn)在，Zenon公司在全球有兩個超濾膜制造廠，一個是北美加拿大制造廠，主要生產(chǎn)ZW1000型膜；一個是歐洲匈牙利制造廠，主要生產(chǎn)ZW500型膜。Zenon的膜組器具有相當(dāng)廣闊的市場應(yīng)用；如位于美國喬治亞州使用Zenon膜組器的廢水回用工程，處理量達(dá)到5.7萬m3/d，是當(dāng)時世界最大的膜生物反應(yīng)器工程。目前，世界上設(shè)計運行能力最大的MBR工程，是位于美國華盛頓州King County的使用Zenon膜組器的Brightwater工程，計劃于2010/2011年開始運行，它的設(shè)計處理量達(dá)到49.5萬m3/d。而且到2040年，它的處理量將要達(dá)到64.5萬m3/d。
最近，在美國Texas召開的WEFTEC 06上，Zenon公司展示了最新的Z-MOD-X MBR膜組器，它的處理能力達(dá)到了3785 m3/d，當(dāng)若干個這種模塊連接到一起時，它最大的處理量可達(dá)2.27萬m3/d。這意味著Zenon有能力提供大處理量的標(biāo)準(zhǔn)制式的浸入式MBR膜組器。
Kubota公司
Kubota 公司的MBR在1990年第一次正式進(jìn)行商業(yè)性應(yīng)用。在過去的近15年里，Kubota膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用無論在數(shù)目上還是規(guī)模上都有了很大增長，在英國，Kubota在2000年時就建有1.27萬m3/d采用MBR工藝的Swanage污水處理廠。2003年5月，Kubota公司建成了第1000座浸沒式MBR污水處理廠。到2005年，Kubota公司生產(chǎn)的MBR膜組器在全球的銷量超過了4000件。
在Kubota工藝中，膜組件浸沒于活性污泥生物反應(yīng)池中。標(biāo)準(zhǔn)的Kubota裝置包括兩部分，上部是插入玻璃纖維加強塑料外殼的平板膜，平板膜之間距離約7mm；下部是包含安裝在簡易匹配外殼內(nèi)的粗氣泡擴(kuò)散器。裝置下部起支撐上部的作用，并使氣泡和活性污泥在上部的平板膜之間流動，形成錯流，減少膜污染。
自從1992年以來，由膜上靜水壓頭控制的設(shè)計膜通量增加了1倍，從而使裝置大小和耗電量都大大減少；另外，工程中的膜壽命從3年增加到了8年；制造規(guī)模的擴(kuò)大使膜的生產(chǎn)成本得到了降低，設(shè)計和運行也日趨簡化，這些都有效地降低了Kubota MBR的投資和運行中的維護(hù)要求。
建在英國Porlock鎮(zhèn)的污水處理廠所用的裝置為Kubota MBR，其出水排入近海濱的海水中。該污水處理廠是在經(jīng)過中試試驗后于1998年2月開始投入運行的，其最大處理規(guī)模為1900 m3/d，共使用了24個Kubota膜組器，分別安裝于4個好氧反應(yīng)器內(nèi)。
KMS公司
Koch Membrane Systems Incorporated (KMS)是一個膜過濾系統(tǒng)的開發(fā)者和生產(chǎn)廠商，是全球最大的錯流濾膜生產(chǎn)商，能夠提供從微濾、超濾、納濾和反滲透等所有過濾精度的錯流膜過濾產(chǎn)品及系統(tǒng)，膜組件的結(jié)構(gòu)形式包括中空纖維式、卷式、管式三種。目前在全球安裝的KMS膜過濾系統(tǒng)已超過15,000套。KMS設(shè)計的MBR系統(tǒng)稱為Puron浸沒式MBR模組器，主要應(yīng)用于市政和工業(yè)廢水的處理中，這種MBR膜組器安裝方便，占地面積小，Puron MBR膜組器的一個顯著的特點是“空心噴嘴”，它的結(jié)構(gòu)是從底部每個膜絲的中心曝氣，隨著氣泡的上升，產(chǎn)生水壓交叉穿流，使膜絲像海藻一樣泳動，產(chǎn)生有效的能量過程，以確保污泥和纖維成分能從膜絲上脫落。Puron MBR膜組器現(xiàn)在能提供的膜片面積有1500 m2，500 m2，235 m2，30 m2四種規(guī)格。其中1500 m2膜片單元的開發(fā)有著重大的意義。它是特別為大規(guī)模的MBR項目而特別設(shè)計的。Puron MBR膜組器的工程應(yīng)用如位于比利時Antwerp的Sobelgra 廢水處理廠，2004年11月運行，處理量為2000 m3/d，是目前比利時最大的工業(yè)MBR工程。
Norit公司
Norit 公司1918年成立于荷蘭，以“引導(dǎo)凈化領(lǐng)域”為理念，是全球凈化領(lǐng)域產(chǎn)品及系統(tǒng)解決方案的先驅(qū)，是能夠提供膜過濾技術(shù)的世界領(lǐng)先公司。Norit 生產(chǎn)的MBR膜組器被命名為 AirLift MBR系統(tǒng)。AirLift MBR系統(tǒng)的膜分離裝置置于生物反應(yīng)器之外，并與生物反應(yīng)器組成一個回路，這種安裝方式比膜組件浸沒在反應(yīng)器中或者膜組件與反應(yīng)器分離放置都更有優(yōu)勢。AirLift MBR膜組器在安裝時被垂直放置，并從底部不斷的曝氣，連續(xù)的曝氣是膜組器中活性污泥循環(huán)的主要動力，這時通過進(jìn)水泵進(jìn)水只要克服水的壓力即可。像浸沒式一樣，過濾效率是受到抽吸泵的控制。運用AirLift MBR膜組器的工程主要有：位于阿聯(lián)酋迪拜的Palm Jumeirah Island的污水處理系統(tǒng)工程，處理量為1.7萬m3/d；荷蘭的Ootmarsum污水處理廠，2007年初投入運行，處理量為1.56萬m3/d。截至到2007年5月，Norit的AirLift MBR膜組器在全球的處理量超過了30萬m3/d。預(yù)計2007年Norit公司全年的銷售額可達(dá)3.69億歐元。
西門子公司
US Filter和北京賽恩斯特水技術(shù)有限公司（簡稱賽恩斯特）是西門子集團(tuán)控股的公司。US Filter下屬的Memco是專業(yè)的膜生產(chǎn)商并在世界居前。在歐洲和美洲，西門子目前的MBR業(yè)務(wù)與GE（Zenon）并列為前兩名。在中國，西門子公司通過收購北京賽恩斯特科技有限公司來開展其業(yè)務(wù)。北京賽恩斯特水技術(shù)有限公司在繼承了原北京賽恩斯特科技有限公司的專業(yè)人員、水處理技術(shù)和項目工程業(yè)績的基礎(chǔ)上，注入了西門子集團(tuán)在水處理方面的更加廣泛的先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗，使得新公司成為了一個水處理解決方案的全面供應(yīng)商，其業(yè)務(wù)涵蓋了市政給水和污水處理及回用，工業(yè)給水和廢水處理及回用，海水淡化，污泥處理及處置等各個領(lǐng)域。在MBR工程應(yīng)用中，北京賽恩斯特水技術(shù)有限公司正借助于西門子集團(tuán)的影響在建設(shè)具有全球影響的北京奧林匹克綠色環(huán)保項目—北小河污水處理廠6萬m3/d的污水深度處理回用項目。
3.2 國內(nèi)主要供應(yīng)廠商及工程實例
當(dāng)前，隨著我國城市污水處理及回用工程建設(shè)力度的加大，我國已經(jīng)成為世界MBR工程應(yīng)用增長最快的國家。特別是自2005年以來，新建大中型MBR的處理量年增長率均大于100%（如圖1）。隨著這批大中型的 MBR工程的興建，國內(nèi)涌現(xiàn)出了幾家實力雄厚的MBR組器供應(yīng)廠商，這幾家廠商主導(dǎo)著當(dāng)今國內(nèi) MBR工程的產(chǎn)品開發(fā)、工程設(shè)計、工程實施和設(shè)備制造。其在國內(nèi)大中型MBR（5000m3/d以上）項目中，各自所占市場份額如圖2。
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圖1 2005年以來我國大中型MBR處理水量增長情況
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圖2 2005年以來我國大中型MBR模組器供應(yīng)市場份額分布（以處理量計）
從圖中可以看出GE公司(Zenon公司為其子公司)、Simens公司(北京賽恩斯特公司為其控股子公司)和北京碧水源股份有限公司是當(dāng)前國內(nèi)市場大中型MBR供應(yīng)的前三強，其中國內(nèi)公司北京碧水源占有60%的國內(nèi)份額，Simens公司(北京賽恩斯特公司為其控股子公司)占有21%的國內(nèi)份額。
北京碧水源科技股份有限公司
北京碧水源科技股份有限公司是專業(yè)從事污水處理和資源化應(yīng)用的高科技公司。業(yè)務(wù)涉及城市污水及工業(yè)廢水處理和再生利用，給水、城市垃圾處理及綜合利用等領(lǐng)域的技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)、工程設(shè)計、工程實施和設(shè)備制造。
在膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)領(lǐng)域，北京碧水源開發(fā)和生產(chǎn)的膜生物反應(yīng)器（MBR）成套設(shè)備擁有獨特的技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)， 碧水源已完成近千項污水資源化工程，是國內(nèi)MBR實力最強的企業(yè)，占有60%的國內(nèi)份額。如目前世界上正在運行的最大MBR廢水資源化工程——北京密云再生水4.5萬m3/d回用工程、目前世界上最大的MBR工程——奧運配套工程的溫榆河水資源10萬m3/d利用工程、懷柔再生水3.5萬m3/d回用工程等均已建成投入使用。至2007年，碧水源已建成的MBR廢水資源化工程總能力已達(dá)1億噸/年，位居國內(nèi)第一，世界前三（2007年）。
4．膜生物反應(yīng)器的工程應(yīng)用前景
水是最基礎(chǔ)的生命要素，有效的水資源是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和消除貧困的基本前提。但是，隨著全球人口的增長和城市化的發(fā)展，越來越多的人受到水資源短缺和水污染的威脅。2000年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全球20％的人口基本不享有自然水資源供應(yīng)，65％的人口只享有較低水平的水資源，只有15％的人口享有相對豐富的水資源。2005和2006年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國華北地區(qū)是世界上面臨水資源短缺壓力最大的地區(qū)之一。水資源的供求矛盾和水環(huán)境的污染問題已經(jīng)成為全球面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，保障供水安全，凈化水環(huán)境，是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展、提高廣大人民群眾生活質(zhì)量和健康水平的重要基礎(chǔ)。城市污水的再生利用既可解決污染問題，又可使污水得到有效利用、緩解水資源短缺的緊張狀況，是個一舉兩得的措施，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。
MBR污水處理系統(tǒng)由于其自身具備的優(yōu)點，其大規(guī)模工程應(yīng)用是解決城市污水處理及再生利用的一條良好途徑。隨著MBR工藝的改進(jìn)和膜組件價格的下降，在廢水處理工業(yè)中，它將會有快速的增長。同時MBR較小的占地面積將使它在城市污水處理系統(tǒng)的建造中越來越有活力。當(dāng)前，膜生物反應(yīng)器商業(yè)應(yīng)用的市場增長速率已經(jīng)超過了整個污水處理大市場的增長率，同時也超過了其它類型的膜的市場增長率，增長率超過了10%。
近幾年我國大中型MBR的工程應(yīng)用更是以接近100％的速度增長，內(nèi)資企業(yè)占有60%以上的國內(nèi)份額。截至2006年2月，全球MBR的商業(yè)市場已達(dá)到2.166億美元，GE公司、Simens公司和北京碧水源股份有限公司是當(dāng)前全球市場MBR供應(yīng)的前三強。全球各大MBR供應(yīng)商預(yù)計，到2010年，全球膜生物反應(yīng)器市場將達(dá)到3.63億美元。在未來的城市、生活、工業(yè)廢水的處理及污水資源化利用項目中，MBR技術(shù)將展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景和市場潛力。
參考文獻(xiàn)：
[1] UNESCO-WWAP. The United Nations World Water Development Report 2. 2006, 18-132.
[2]Yang, Wenbo Cicek, Nazim Ilg, John. State-of-the-art of membrane bioreactors: Worldwide research and commercial applications in North America. Journal of Membrane Science,2006,270(1-2):201-211
[3] 魏源送,鄭祥,劉俊新.國外膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究進(jìn)展. 工業(yè)水處理,2003,23(1):1-7
[4] 程鐘,邱謹(jǐn)楠.膜生物反應(yīng)器的研究及在廢水處理中的應(yīng)用.污染防治技術(shù),2006,19(3):30-33
[5] 高從堦.水處理中的膜生物反應(yīng)器簡介.水處理技術(shù),2002,28(1):60-62
[6] Ken Sutherland. Water and sewage：The membrane bioreactor in sewage treatment. Filtration & Separation,2007,44(7):18,20-22
[7] van ’t Oever, Ronald.MBR focus：is submerged best？Filtration & Separation,2005,42 (5):24-27
[8] 崔正國,王修林,單寶田.膜生物反應(yīng)器在工業(yè)廢水處理中的研究及應(yīng)用.水處理技術(shù),2005,31(5):7-10.
[9] Atkinson,Simon.Research studies predict strong growth for MBR markets.Membrane Technology 2006 ,2006(2):8-10
[10] Zenon Environmental Inc.Production delays affect Zenon’s results.Filtration Industry Analyst.2005,2005(11):7
[11] General Electric Co,Zenon Environmental Inc.GE completes Zenon acquisition.Membrane Technology,2006,2006(7):2
[12] Zenon Environmental Inc.Interest in Zenon’s MBR technology continues to grow.2004 2004(6):10
[13] GE Water & Process Technologies,Koch Membrane Systems Inc.MBR technology on show at WEFTEC 06.Membrane Technology,2006,2006(10):5-6
[14] 趙英,白曉琴,高飛亞,顧 平.膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究進(jìn)展.中國給水排水,2004,20(12):33-36
[15] Koch Membrane Systems Inc.Puron module targeted at large-scale MBR plants.Membrane Technology,2007,2007(11):2-3
[16] Koch Membrane Systems Inc.MBR technology allows capacity expansion.Filtration & Separation,2005,42(5):17
[17] X-Flow B V.Norit Airlift MBR to be used on Palm Jumeirah,Membrane Technology,2007,2007(11):2
[18] Futselaar, Harry Schonewille, Henk de Vente, Dick Broens, Lute.NORIT AirLift MBR: side-stream system for municipal waste water treatment.Desalination,2007,204(1-3):1–7
[19] X-Flow BV.Norit sold to private equity film.Filtration & Separation,2007,44(10):8
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