全球膜生物反應器污水處理系統工程應用現狀與展望
全球范圍內淡水資源的時空分布非常不均勻，許多地區淡水資源嚴重匱乏，我國北方地區尤為嚴重。而且隨著工業化和城市化進程的快速發展，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廢水綜合處理和回用技術，其中，膜生物反應器（Membrane Bioreactor，簡稱MBR）是20世紀末發展起來的最具潛力的廢水資源化再生利用技術之一。MBR是將膜分離技術引入廢水生物處理系統，利用膜分離技術與生物反應技術各自的優勢，開發出的一種高效水處理系統。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、出水水質好、污泥產率低、運行管理簡單等優點。但是，它也存在設備費用稍高，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MBR研究方面的文獻很多，相關研究的綜述文章也有大量報道。目前，由于膜技術的不斷革新和MBR工藝的不斷完善，MBR在污水資源化方面的工程應用和商業化開發已經開始以指數方式增長。為了了解國際上MBR工程應用現狀，為我國污水資源化工程建設提供參考，本文將對全球MBR污水處理系統工程應用和商業開發的調查結果進行綜述，并對其發展前景進行討論。
1．MBR污水處理系統的類型和特點
MBR的主要功能部件是生物反應器和膜組件，生物反應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。MBR可劃分為很多種類型，但在當前污水處理的工程應用中，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器分離安裝，膜分離裝置置于生物反應器外，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，且泵的高速旋轉產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的膜材料應用現狀
2.1 國外膜材料應用現狀
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）和聚丙稀（PP）。其中聚偏二氟乙烯（PVDF）由于其優良的物理和化學性能（強度和耐腐蝕性）在國內和國外用量均最大。
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、日本等國家的供應商，供應總膜面積4000萬m2，產值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 國內膜材料應用現狀
2006年底，國內市場上用于污水處理的PVDF膜主要是天津、大連、浙江、海南等地的供應商，供應總膜面積250萬m2，產值4億元人民幣。
國內用于污水處理的PE膜主要提供者也是Mitsubishi Rayon(Japan)公司，PP膜提供者較多，但規模均較小，主要集中在江浙地區。
目前性能優良的國產膜絲較少，進口膜雖然質量相對好，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膜絲或組裝膜件。由于構成膜組件的膜絲生產技術是決定膜組件和MBR性能的基本要素，值得欣喜的是國內膜材料的研究和生產發展目前也較快。
3．膜生物反應器的應用現狀
在污水處理長達110多年的歷史中，MBR技術一直到最近幾年才有了高速的發展。膜生物反應器的最早商業應用是在70年代末的美國和80年代初的日本，估計現在全世界有超過5000套的MBR污水處理系統正在運行。世界上最早將膜生物反應器應用于商業開發的是加拿大的Zenon公司和日本的Kubota公司，緊接著加入進來的是德國的Wehrle Werk公司。
現在世界上有超過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，聯合環保工程公司等。
3.1 國外主要供應廠商及工程實例
General Electric子公司
Zenon公司創建于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個國家設有辦事處，雇用約1300名員工，是一家專業制造和銷售水處理和廢水凈化與回用的膜過濾系統的全球性公司，是世界上最早提供商業化MBR工藝產品的公司之一，目前世界范圍內已經運行的Zenon水處理系統有上千套，累計處理規模約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年開發的ZeeWeed系列產品是膜技術的重大轉變。此前，所有的膜系統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系列產品卻轉變了膜工業界這種常規的過濾方式，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年就會更新換代、升級一次。
現在，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ZW1000型膜；一個是歐洲匈牙利制造廠，主要生產ZW500型膜。Zenon的膜組器具有相當廣闊的市場應用；如位于美國喬治亞州使用Zenon膜組器的廢水回用工程，處理量達到5.7萬m3/d，是當時世界最大的膜生物反應器工程。目前，世界上設計運行能力最大的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，它的設計處理量達到49.5萬m3/d。而且到2040年，它的處理量將要達到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，它的處理能力達到了3785 m3/d，當若干個這種模塊連接到一起時，它最大的處理量可達2.27萬m3/d。這意味著Zenon有能力提供大處理量的標準制式的浸入式MBR膜組器。
Kubota公司
Kubota 公司的MBR在1990年第一次正式進行商業性應用。在過去的近15年里，Kubota膜生物反應器的應用無論在數目上還是規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池中。標準的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的粗氣泡擴散器。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；制造規模的擴大使膜的生產成本得到了降低，設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要求。
建在英國Porlock鎮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過中試試驗后于1998年2月開始投入運行的，其最大處理規模為1900 m3/d，共使用了24個Kubota膜組器，分別安裝于4個好氧反應器內。
KMS公司
Koch Membrane Systems Incorporated (KMS)是一個膜過濾系統的開發者和生產廠商，是全球最大的錯流濾膜生產商，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品及系統，膜組件的結構形式包括中空纖維式、卷式、管式三種。目前在全球安裝的KMS膜過濾系統已超過15,000套。KMS設計的MBR系統稱為Puron浸沒式MBR模組器，主要應用于市政和工業廢水的處理中，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”，它的結構是從底部每個膜絲的中心曝氣，隨著氣泡的上升，產生水壓交叉穿流，使膜絲像海藻一樣泳動，產生有效的能量過程，以確保污泥和纖維成分能從膜絲上脫落。Puron MBR膜組器現在能提供的膜片面積有1500 m2，500 m2，235 m2，30 m2四種規格。其中1500 m2膜片單元的開發有著重大的意義。它是特別為大規模的MBR項目而特別設計的。Puron MBR膜組器的工程應用如位于比利時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MBR工程。
Norit公司
Norit 公司1918年成立于荷蘭，以“引導凈化領域”為理念，是全球凈化領域產品及系統解決方案的先驅，是能夠提供膜過濾技術的世界領先公司。Norit 生產的MBR膜組器被命名為 AirLift MBR系統。AirLift MBR系統的膜分離裝置置于生物反應器之外，并與生物反應器組成一個回路，這種安裝方式比膜組件浸沒在反應器中或者膜組件與反應器分離放置都更有優勢。AirLift MBR膜組器在安裝時被垂直放置，并從底部不斷的曝氣，連續的曝氣是膜組器中活性污泥循環的主要動力，這時通過進水泵進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：位于阿聯酋迪拜的Palm Jumeirah Island的污水處理系統工程，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。預計2007年Norit公司全年的銷售額可達3.69億歐元。
西門子公司
US Filter和北京賽恩斯特水技術有限公司（簡稱賽恩斯特）是西門子集團控股的公司。US Filter下屬的Memco是專業的膜生產商并在世界居前。在歐洲和美洲，西門子目前的MBR業務與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務。北京賽恩斯特水技術有限公司在繼承了原北京賽恩斯特科技有限公司的專業人員、水處理技術和項目工程業績的基礎上，注入了西門子集團在水處理方面的更加廣泛的先進技術和管理經驗，使得新公司成為了一個水處理解決方案的全面供應商，其業務涵蓋了市政給水和污水處理及回用，工業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域。在MBR工程應用中，北京賽恩斯特水技術有限公司正借助于西門子集團的影響在建設具有全球影響的北京奧林匹克綠色環保項目—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 國內主要供應廠商及工程實例
當前，隨著我國城市污水處理及回用工程建設力度的加大，我國已經成為世界MBR工程應用增長最快的國家。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，國內涌現出了幾家實力雄厚的MBR組器供應廠商，這幾家廠商主導著當今國內 MBR工程的產品開發、工程設計、工程實施和設備制造。其在國內大中型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前國內市場大中型MBR供應的前三強，其中國內公司北京碧水源占有60%的國內份額，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從事污水處理和資源化應用的高科技公司。業務涉及城市污水及工業廢水處理和再生利用，給水、城市垃圾處理及綜合利用等領域的技術與產品開發、工程設計、工程實施和設備制造。
在膜生物反應器（MBR）技術領域，北京碧水源開發和生產的膜生物反應器（MBR）成套設備擁有獨特的技術和知識產權， 碧水源已完成近千項污水資源化工程，是國內MBR實力最強的企業，占有60%的國內份額。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1億噸/年，位居國內第一，世界前三（2007年）。
4．膜生物反應器的工程應用前景
水是最基礎的生命要素，有效的水資源是社會經濟發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年的統計數據表明，全球20％的人口基本不享有自然水資源供應，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年的統計數據顯示，我國華北地區是世界上面臨水資源短缺壓力最大的地區之一。水資源的供求矛盾和水環境的污染問題已經成為全球面臨的嚴峻挑戰，保障供水安全，凈化水環境，是實現經濟社會可持續發展、提高廣大人民群眾生活質量和健康水平的重要基礎。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，具有明顯的經濟效益、社會效益和環境效益。
MBR污水處理系統由于其自身具備的優點，其大規模工程應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工藝的改進和膜組件價格的下降，在廢水處理工業中，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的建造中越來越有活力。當前，膜生物反應器商業應用的市場增長速率已經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的工程應用更是以接近100％的速度增長，內資企業占有60%以上的國內份額。截至2006年2月，全球MBR的商業市場已達到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前全球市場MBR供應的前三強。全球各大MBR供應商預計，到2010年，全球膜生物反應器市場將達到3.63億美元。在未來的城市、生活、工業廢水的處理及污水資源化利用項目中，MBR技術將展現出良好的發展前景和市場潛力。
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