全球膜生物反应器污水处理系统工程应用现状与展望
全球范围内淡水资源的时空分布非常不均匀，许多地区淡水资源严重匮乏，我国北方地区尤为严重。而且随着工业化和城市化进程的快速发展，用水量以及污水排放量都在迅速增加，因此，污水的资源化利用已成为应对水资源短缺和减少污染排放的必由之路。近些年来，许多国家都积极开发废水综合处理和回用技术，其中，膜生物反应器（Membrane Bioreactor，简称MBR）是20世纪末发展起来的最具潜力的废水资源化再生利用技术之一。MBR是将膜分离技术引入废水生物处理系统，利用膜分离技术与生物反应技术各自的优势，开发出的一种高效水处理系统。它具有占地空间小、固液分离率高、活性污泥浓度高、处理效率高、出水水质好、污泥产率低、运行管理简单等优点。但是，它也存在设备费用稍高，膜比较容易污染，膜的使用寿命较短等仍需解决的问题。
近年来有关MBR研究方面的文献很多，相关研究的综述文章也有大量报道。目前，由于膜技术的不断革新和MBR工艺的不断完善，MBR在污水资源化方面的工程应用和商业化开发已经开始以指数方式增长。为了了解国际上MBR工程应用现状，为我国污水资源化工程建设提供参考，本文将对全球MBR污水处理系统工程应用和商业开发的调查结果进行综述，并对其发展前景进行讨论。
1．MBR污水处理系统的类型和特点
MBR的主要功能部件是生物反应器和膜组件，生物反应器的功能是生化降解污水中的污染物，膜组件的作用是截留水中的固形物（主要是微生物），过滤净化水质。MBR可划分为很多种类型，但在当前污水处理的工程应用中，主要有两种划分方法：
其一是按膜组件的形状划分，可划分为3种类型：一种是以GE的Zenon公司为代表的中空纤维柱状膜组件，它具有膜面积大，占地面积小等特点，一种是以Mitsubishi Rayon(Japan)公司为代表的中空纤维帘状膜组件，它具有膜面积大，易于安装，清洗方便等特点，另一种是以Kubota公司为代表的浸没平板型帘式膜组器，它具有膜通量大，易于组装，清洗方便等特点。
其二是按膜组件与生物反应器的组合方式划分，可分为分置式和一体式（淹没式）两种，分置式是将膜分离装置与生物反应器分离安装，膜分离装置置于生物反应器外，它具有运行可靠，膜易于清洗，膜通量大等特点，但因需要循环泵提供较高的膜面流速，所以动力费用较高，且泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体失活。一体式是将膜组件浸没在生物反应容器中，它的在线运行和操作过程是在比较底的跨膜压差下，通过真空抽吸泵的抽吸作用，分离过滤的方法，这种运行方式具有能耗相对较低，占地紧凑等特点，但膜通量较低，膜易污染。
2．MBR的膜材料应用现状
2.1 国外膜材料应用现状
组成MBR膜组件膜丝材料有：聚碳酸酯、纤维素酯、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚丙稀、聚醚醚酮、聚酰胺等。但目前MBR膜组件中使用量较大的只有聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚乙烯（PE）和聚丙稀（PP）。其中聚偏二氟乙烯（PVDF）由于其优良的物理和化学性能（强度和耐腐蚀性）在国内和国外用量均最大。
2006年底，国际市场上用于污水处理的PVDF膜主要是美国、加拿大、日本等国家的供应商，供应总膜面积4000万m2，产值16亿美元（见表1）。用于污水处理的PE膜主要提供者是Mitsubishi Rayon(Japan)公司。
表1：国际上用于污水处理的PVDF膜
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2.2 国内膜材料应用现状
2006年底，国内市场上用于污水处理的PVDF膜主要是天津、大连、浙江、海南等地的供应商，供应总膜面积250万m2，产值4亿元人民币。
国内用于污水处理的PE膜主要提供者也是Mitsubishi Rayon(Japan)公司，PP膜提供者较多，但规模均较小，主要集中在江浙地区。
目前性能优良的国产膜丝较少，进口膜虽然质量相对好，但价格昂贵。从成本上来说，国外膜的高价一定程度上成为了MBR广泛推广使用的一大瓶颈，一些国外大公司开始在中国生产膜丝或组装膜件。由于构成膜组件的膜丝生产技术是决定膜组件和MBR性能的基本要素，值得欣喜的是国内膜材料的研究和生产发展目前也较快。
3．膜生物反应器的应用现状
在污水处理长达110多年的历史中，MBR技术一直到最近几年才有了高速的发展。膜生物反应器的最早商业应用是在70年代末的美国和80年代初的日本，估计现在全世界有超过5000套的MBR污水处理系统正在运行。世界上最早将膜生物反应器应用于商业开发的是加拿大的Zenon公司和日本的Kubota公司，紧接着加入进来的是德国的Wehrle Werk公司。
现在世界上有超过8家MBR大、中型制造商，其中比较大的厂商包括 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，联合环保工程公司等。
3.1 国外主要供应厂商及工程实例
General Electric子公司
Zenon公司创建于1980年，总部坐落在加拿大安大略省的奥克维尔市，目前在全球16个国家设有办事处，雇用约1300名员工，是一家专业制造和销售水处理和废水净化与回用的膜过滤系统的全球性公司，是世界上最早提供商业化MBR工艺产品的公司之一，目前世界范围内已经运行的Zenon水处理系统有上千套，累计处理规模约670万m3/d。Zenon公司2004年全年的销售额为2.345亿美元。2006年6月美国的GE公司收购了Zenon公司，使之成为 GE Water & Process Technologies 公司的一部分。
Zenon公司于1990年开发的ZeeWeed系列产品是膜技术的重大转变。此前，所有的膜系统都采用压力容器的方式，这种方式需要很多不同的部件连接和很高的能耗。而ZeeWeed系列产品却转变了膜工业界这种常规的过滤方式，把膜直接浸在膜池中通过较小的真空压就能过滤原水。ZeeWeed系列膜组件有ZW500和ZW1000两种型号。
ZW500型膜丝内部有一层加强支撑，这层支撑使膜具有很高的强度和很好的韧性，使膜可以抵抗更高的污染冲击。ZW500型膜一般用在污水处理及原水水质较差的饮用水处理中。ZW1000型膜一般用在饮用水处理中。ZeeWeed膜组器一般每2～5年就会更新换代、升级一次。
现在，Zenon公司在全球有两个超滤膜制造厂，一个是北美加拿大制造厂，主要生产ZW1000型膜；一个是欧洲匈牙利制造厂，主要生产ZW500型膜。Zenon的膜组器具有相当广阔的市场应用；如位于美国乔治亚州使用Zenon膜组器的废水回用工程，处理量达到5.7万m3/d，是当时世界最大的膜生物反应器工程。目前，世界上设计运行能力最大的MBR工程，是位于美国华盛顿州King County的使用Zenon膜组器的Brightwater工程，计划于2010/2011年开始运行，它的设计处理量达到49.5万m3/d。而且到2040年，它的处理量将要达到64.5万m3/d。
最近，在美国Texas召开的WEFTEC 06上，Zenon公司展示了最新的Z-MOD-X MBR膜组器，它的处理能力达到了3785 m3/d，当若干个这种模块连接到一起时，它最大的处理量可达2.27万m3/d。这意味着Zenon有能力提供大处理量的标准制式的浸入式MBR膜组器。
Kubota公司
Kubota 公司的MBR在1990年第一次正式进行商业性应用。在过去的近15年里，Kubota膜生物反应器的应用无论在数目上还是规模上都有了很大增长，在英国，Kubota在2000年时就建有1.27万m3/d采用MBR工艺的Swanage污水处理厂。2003年5月，Kubota公司建成了第1000座浸没式MBR污水处理厂。到2005年，Kubota公司生产的MBR膜组器在全球的销量超过了4000件。
在Kubota工艺中，膜组件浸没于活性污泥生物反应池中。标准的Kubota装置包括两部分，上部是插入玻璃纤维加强塑料外壳的平板膜，平板膜之间距离约7mm；下部是包含安装在简易匹配外壳内的粗气泡扩散器。装置下部起支撑上部的作用，并使气泡和活性污泥在上部的平板膜之间流动，形成错流，减少膜污染。
自从1992年以来，由膜上静水压头控制的设计膜通量增加了1倍，从而使装置大小和耗电量都大大减少；另外，工程中的膜寿命从3年增加到了8年；制造规模的扩大使膜的生产成本得到了降低，设计和运行也日趋简化，这些都有效地降低了Kubota MBR的投资和运行中的维护要求。
建在英国Porlock镇的污水处理厂所用的装置为Kubota MBR，其出水排入近海滨的海水中。该污水处理厂是在经过中试试验后于1998年2月开始投入运行的，其最大处理规模为1900 m3/d，共使用了24个Kubota膜组器，分别安装于4个好氧反应器内。
KMS公司
Koch Membrane Systems Incorporated (KMS)是一个膜过滤系统的开发者和生产厂商，是全球最大的错流滤膜生产商，能够提供从微滤、超滤、纳滤和反渗透等所有过滤精度的错流膜过滤产品及系统，膜组件的结构形式包括中空纤维式、卷式、管式三种。目前在全球安装的KMS膜过滤系统已超过15,000套。KMS设计的MBR系统称为Puron浸没式MBR模组器，主要应用于市政和工业废水的处理中，这种MBR膜组器安装方便，占地面积小，Puron MBR膜组器的一个显著的特点是“空心喷嘴”，它的结构是从底部每个膜丝的中心曝气，随着气泡的上升，产生水压交叉穿流，使膜丝像海藻一样泳动，产生有效的能量过程，以确保污泥和纤维成分能从膜丝上脱落。Puron MBR膜组器现在能提供的膜片面积有1500 m2，500 m2，235 m2，30 m2四种规格。其中1500 m2膜片单元的开发有着重大的意义。它是特别为大规模的MBR项目而特别设计的。Puron MBR膜组器的工程应用如位于比利时Antwerp的Sobelgra 废水处理厂，2004年11月运行，处理量为2000 m3/d，是目前比利时最大的工业MBR工程。
Norit公司
Norit 公司1918年成立于荷兰，以“引导净化领域”为理念，是全球净化领域产品及系统解决方案的先驱，是能够提供膜过滤技术的世界领先公司。Norit 生产的MBR膜组器被命名为 AirLift MBR系统。AirLift MBR系统的膜分离装置置于生物反应器之外，并与生物反应器组成一个回路，这种安装方式比膜组件浸没在反应器中或者膜组件与反应器分离放置都更有优势。AirLift MBR膜组器在安装时被垂直放置，并从底部不断的曝气，连续的曝气是膜组器中活性污泥循环的主要动力，这时通过进水泵进水只要克服水的压力即可。像浸没式一样，过滤效率是受到抽吸泵的控制。运用AirLift MBR膜组器的工程主要有：位于阿联酋迪拜的Palm Jumeirah Island的污水处理系统工程，处理量为1.7万m3/d；荷兰的Ootmarsum污水处理厂，2007年初投入运行，处理量为1.56万m3/d。截至到2007年5月，Norit的AirLift MBR膜组器在全球的处理量超过了30万m3/d。预计2007年Norit公司全年的销售额可达3.69亿欧元。
西门子公司
US Filter和北京赛恩斯特水技术有限公司（简称赛恩斯特）是西门子集团控股的公司。US Filter下属的Memco是专业的膜生产商并在世界居前。在欧洲和美洲，西门子目前的MBR业务与GE（Zenon）并列为前两名。在中国，西门子公司通过收购北京赛恩斯特科技有限公司来开展其业务。北京赛恩斯特水技术有限公司在继承了原北京赛恩斯特科技有限公司的专业人员、水处理技术和项目工程业绩的基础上，注入了西门子集团在水处理方面的更加广泛的先进技术和管理经验，使得新公司成为了一个水处理解决方案的全面供应商，其业务涵盖了市政给水和污水处理及回用，工业给水和废水处理及回用，海水淡化，污泥处理及处置等各个领域。在MBR工程应用中，北京赛恩斯特水技术有限公司正借助于西门子集团的影响在建设具有全球影响的北京奥林匹克绿色环保项目—北小河污水处理厂6万m3/d的污水深度处理回用项目。
3.2 国内主要供应厂商及工程实例
当前，随着我国城市污水处理及回用工程建设力度的加大，我国已经成为世界MBR工程应用增长最快的国家。特别是自2005年以来，新建大中型MBR的处理量年增长率均大于100%（如图1）。随着这批大中型的 MBR工程的兴建，国内涌现出了几家实力雄厚的MBR组器供应厂商，这几家厂商主导着当今国内 MBR工程的产品开发、工程设计、工程实施和设备制造。其在国内大中型MBR（5000m3/d以上）项目中，各自所占市场份额如图2。
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图1 2005年以来我国大中型MBR处理水量增长情况
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图2 2005年以来我国大中型MBR模组器供应市场份额分布（以处理量计）
从图中可以看出GE公司(Zenon公司为其子公司)、Simens公司(北京赛恩斯特公司为其控股子公司)和北京碧水源股份有限公司是当前国内市场大中型MBR供应的前三强，其中国内公司北京碧水源占有60%的国内份额，Simens公司(北京赛恩斯特公司为其控股子公司)占有21%的国内份额。
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专业从事污水处理和资源化应用的高科技公司。业务涉及城市污水及工业废水处理和再生利用，给水、城市垃圾处理及综合利用等领域的技术与产品开发、工程设计、工程实施和设备制造。
在膜生物反应器（MBR）技术领域，北京碧水源开发和生产的膜生物反应器（MBR）成套设备拥有独特的技术和知识产权， 碧水源已完成近千项污水资源化工程，是国内MBR实力最强的企业，占有60%的国内份额。如目前世界上正在运行的最大MBR废水资源化工程——北京密云再生水4.5万m3/d回用工程、目前世界上最大的MBR工程——奥运配套工程的温榆河水资源10万m3/d利用工程、怀柔再生水3.5万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废水资源化工程总能力已达1亿吨/年，位居国内第一，世界前三（2007年）。
4．膜生物反应器的工程应用前景
水是最基础的生命要素，有效的水资源是社会经济发展和消除贫困的基本前提。但是，随着全球人口的增长和城市化的发展，越来越多的人受到水资源短缺和水污染的威胁。2000年的统计数据表明，全球20％的人口基本不享有自然水资源供应，65％的人口只享有较低水平的水资源，只有15％的人口享有相对丰富的水资源。2005和2006年的统计数据显示，我国华北地区是世界上面临水资源短缺压力最大的地区之一。水资源的供求矛盾和水环境的污染问题已经成为全球面临的严峻挑战，保障供水安全，净化水环境，是实现经济社会可持续发展、提高广大人民群众生活质量和健康水平的重要基础。城市污水的再生利用既可解决污染问题，又可使污水得到有效利用、缓解水资源短缺的紧张状况，是个一举两得的措施，具有明显的经济效益、社会效益和环境效益。
MBR污水处理系统由于其自身具备的优点，其大规模工程应用是解决城市污水处理及再生利用的一条良好途径。随着MBR工艺的改进和膜组件价格的下降，在废水处理工业中，它将会有快速的增长。同时MBR较小的占地面积将使它在城市污水处理系统的建造中越来越有活力。当前，膜生物反应器商业应用的市场增长速率已经超过了整个污水处理大市场的增长率，同时也超过了其它类型的膜的市场增长率，增长率超过了10%。
近几年我国大中型MBR的工程应用更是以接近100％的速度增长，内资企业占有60%以上的国内份额。截至2006年2月，全球MBR的商业市场已达到2.166亿美元，GE公司、Simens公司和北京碧水源股份有限公司是当前全球市场MBR供应的前三强。全球各大MBR供应商预计，到2010年，全球膜生物反应器市场将达到3.63亿美元。在未来的城市、生活、工业废水的处理及污水资源化利用项目中，MBR技术将展现出良好的发展前景和市场潜力。
参考文献：
[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,郑祥,刘俊新.国外膜生物反应器在污水处理中的研究进展. 工业水处理,2003,23(1):1-7
[4] 程钟,邱谨楠.膜生物反应器的研究及在废水处理中的应用.污染防治技术,2006,19(3):30-33
[5] 高从堦.水处理中的膜生物反应器简介.水处理技术,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] 崔正国,王修林,单宝田.膜生物反应器在工业废水处理中的研究及应用.水处理技术,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] 赵英,白晓琴,高飞亚,顾 平.膜生物反应器在污水处理中的研究进展.中国给水排水,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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