膜生物反应器集合了膜技术的高效分离及生物降解技术的优势，以酶、微生物或动植物细胞为催化剂进行化学反应或生物转化，用膜组件取代传统活性污泥法中的二沉池，以分离污泥混合液中的微生物、悬浮物和溶解性大分子有机物，将反应与分离耦合或集成。膜生物反应器与膜反应器在原理上相同，即在膜生物反应器中，将一个最终产物移去而使反应向右侧移动，从而提高反应速率或最终产物浓度，进而提高产率。而且，大多数情况下，移去反应产物的同时也起到了纯化作用，即实现了反应与纯化的结合；在膜生物反应器中，是将具有抑制作用的最终产物移去，使反应能继续进行。
1.膜生物反应器的分类 按照膜生物反应器所用的催化剂不同，可将膜生物反应器分为酶膜生物反应器、膜发酵器（微生物）和膜动植物细胞培养三类。在反应器中，酶、细胞或微生物一般以溶解酶或悬浮细胞的游离态，膜表面或膜内酶蛋白凝胶及膜截留细胞层的浓集态，吸附、键合或包埋方式固定在膜表面或膜腔内的酶或细胞呈固定化态三种形态存在。另外，在膜生物反应器中，物料的迁移有流动和扩散两种方式。按酶、细胞和微生物的存在形态及物料的迁移方式又可分为六种膜生物反应器，如图15-10所示。各类型的反应器都有其独特的优缺点，如浓集态的酶或细胞的装填密度高、活性稳定，但酶或细胞的消除存在一定的困难；再如，固定化的酶或细胞难以从反应器中消除，不便于补充和更换，但用于生物催化具有较高的稳定性。
图15-10 膜生物反应器（MBR）型式
S—底物 P—产物
根据使用膜的种类及其在系统中所起的作用不同，膜生物反应器又可分为三大类：分离膜生物反应器、曝气膜生物反应器及萃取膜生物反应器。其中，萃取膜生物反应器和曝气膜生物反应器还处于小试和中试阶段；分离膜生物反应器研究最为广泛，并已大规模应用。
按膜组件和反应器的结合形式，膜生物反应器可分为外置式（分置式，RMBR）和浸没式（一体式，SMBR），如图15-11所示。其中，外置式反应器的膜分离装置置于反应器外，废水从反应器中流出后进入膜分离器内，在压力作用下，悬浮固体及大分子物质被截留，反应器与分离器为串联关系，是反应与分离过程的集成过程。外置式膜生物反应器具有运行稳定，操作简单，易于清洗、更换及增减设备等优点。浸没式反应器的膜组件直接浸没在生物反应器内，即分离器耦合在反应器内，通过在膜下游侧形成真空对水及其他大分子物质进行分离。其最大优点是动力费用低。
图15-11 外置式及浸没式膜生物反应器
1—反应器 2—膜组件
2.膜生物反应器的特点 膜生物反应器主要用于废水处理，如市政废水和工业废水。与其他的污水处理工艺相比，膜生物反应器具有如下特点：
（1）出水水质高且稳定。由于膜的高效分离作用，能够高效地进行固液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，出水水质良好，可直接回用，实现了污水资源化。MBR出水悬浮物和浊度接近于零，细菌和病菌均被大幅度除去。彻底的泥水分离使MBR的泥龄延长，有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得以提高。胶体、大分子物质在内的有机物均被截留在生物反应器中，大大提高了难降解有机物的降解效率。
（2）占地面积小、工艺设备集中。MBR可维持高浓度的微生物量，容积负荷较高，因而装置占地面积相比传统工艺大幅度减小。而且，MBR不需要设置初沉池和二沉池，一般仅包括调节池、生物反应池和清水池三个构筑物，流程简单、结构紧凑。
（3）剩余污泥产量少。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，生物反应器一般在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，污泥产量低于常规污水生物处理方法，因此剩余污泥产量少，基本可以实现无剩余污泥排放，降低了污泥处理费用。
（4）运行管理方便。MBR便于实现自动控制，从而便于运行管理。而且，由于膜的高效分离作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间和污泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。系统采用PLC控制，可实现全程自动化控制。(www.xing528.com)
总之，膜生物反应器具有许多其他污水处理方法所不具备的优点，特别是出水水质可以满足目前最严格的污水排放标准，甚或今后更加严格的排放要求。但是也存在一些不足，如：膜材料成本较高，使MBR的基建投资高于传统污水处理工艺；容易出现膜污染，为避免或减少膜污染，一般需要循环泵或膜下曝气，提高了运行成本；此外，由于膜污染，需要对膜进行清洗和更换，不仅给操作管理带来不便，也提高了运行成本。其中，膜污染（包括浓差极化、膜孔堵塞及表面沉积等）是影响膜生物反应器推广的关键问题之一。但总体而言，MBR技术正在飞速发展，市场份额在持续增加。
3.MBR应用实例
（1）膜好氧生物反应器在中水道中的应用。膜好氧生物反应器在中水道上的应用开展得较早。中水道开发的主要目的是将厨房及卫生间洗漱排水为主体的楼房排水进行处理，然后作为厕所冲洗水、绿化水、冷却水等循环利用。日本在20世纪80年代前后，已有不少的应用实例，其工艺流程如图15-12所示。这是好气性的高浓度活性污泥法和超滤组件组合成的MBR。其主要参数：MLSS为6000～10000 mgl/L，滞留时间为1.5～2 h，BOD负荷为0.79～1.42 kg/（m2·d）。所采用的超滤膜孔径为10nm或切割分子量为20000的聚丙烯腈平板膜组件。目前，国内的一些地区，也采用该工艺流程或类似的工艺流程，如大连已实现了中水回用率40%以上。
图15-12 膜好氧生物反应器在中水道中的应用流程
（2）浸没式生物反应器处理下水。浸没式生物反应器起源于日本，主要用于人粪尿和小区生活污水处理，并于1998年后实现大面积推广。图15-13为该工艺的流程图。目前，欧洲一些国家也在进行这方面的研究，部分结果如表15-1所示。以经过细栅格处理的生活污水为进水，浸没式生物反应器内采用很高的MLSS，通常为10～25 g/L，最高可达40 g/L，其目的是获得高质量出水并尽可能地缩小反应器的体积。除英国的研究中出水的COD较高之外，其他的研究中出水COD都小于20mg/L；所有报道中出水的固体悬浮物（SS）为零，大部分细菌和病菌被截留，细胞学参数低于欧洲饮用水水源的对应指标。由于膜生物反应器的特点，污泥泥龄可随意控制，所有研究都采用了较长的泥龄（即SRT，为15～45d），以实现硝化和反硝化。应用该工艺，剩余污泥量大幅降低，根据采用的运行参数不同，剩余污泥量为传统处理工艺的30%～50%，这将降低污泥处理设施的规模和运行费用。
图15-13 浸没式生物反应器处理下水流程
研究中采用的是日本Kubota公司的板式膜及加拿大Zenon公司的中空纤维膜。板式膜的孔径大于中空纤维膜的孔径。德国进行的对比实验表明，板式膜的阻力特性优于中空纤维膜，即在相对的水质、工作压力条件下，板式膜的通量大于中空纤维膜，而二者的出水水质无显著差异。以上实验的运行时间1～6月不等，但是几乎报道都提及设备运行稳定。日本的Kubota公司称膜的工作寿命可以长达7年。
从以上的研究结果看，浸没式生物反应器与传统处理工艺相比，具有很多优点。但是也应该看到，浸没式生物反应器工艺中曝气量较高，气水体积比为40～100，明显高于传统处理工艺，这将导致较高的能量消耗。在处理生活污水的领域，今后的主要研究方向是降低能量消耗以及除磷脱氮。
表15-1 浸没式膜生物反应器的部分研究成果
续表
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