膜生物反应器（MBR）是一种由膜分离技术与生物处理技术相结合的新型水处理技术，主要由生物反应器和膜组件组成，可用于MBR的膜类型有微滤膜（孔径≥0.1µm）、超滤膜（孔径<0.1µm）。生物反应器主要降解有机物质，膜组件是MBR的核心构件。因MBR工艺具有出水水质好、流程短、占地面积小、抗水质冲击性强、产泥率低等优点，已成为污水处理厂扩容和提标改造的主要技术手段，例如将原有二沉池等构筑物改造成MBR膜池，就可在无新增用地情况下同步实现扩容和提标的双重目标，特别是可将出水一级A标准提升至地表水准Ⅳ类标准。目前，国内采用MBR工艺处理市政污水总规模已超过2000×104m3/d，应用范围涵盖新建项目和改造项目、地上和地埋式污水处理厂。例如，2010年建成的广州市京溪污水处理厂是我国首座采用MBR工艺的全地埋式市政污水处理厂，设计规模为10.0×104m3/d。2015年建成的北京市槐房污水处理厂是国内MBR单体处理规模最大的污水处理厂，设计规模为60×104m3/d。
一、MBR膜应用现状及发展趋势：
MBR被广泛应用于各类污水处理工程中，并取得了良好的处理效果，但在以往应用过程中也暴露出明显的缺点，例如膜运行能耗较高、膜使用寿命偏短等。有研究表明，MBR膜系统的运行能耗约占整个污水处理厂的50%~70%，而MBR膜系统最大能耗来自膜擦洗曝气环节，其能耗通常占MBR膜系统能耗的70%以上。运行电费与气水比成正比，行业内较多膜产品的曝气气水比为（8~12）∶1，约为好氧池曝气气水比的2倍。何晓卫在昆明某污水处理厂开展MBR工艺节能技术研究，发现MBR工艺污水处理厂能耗较高，其中88.1%来源于电耗，而电耗的63.0%用于鼓风曝气。此外，膜工艺的抗水量冲击负荷能力较差，由于膜的最大通量往往是一个定值，超过此数值后，跨膜压差（TMP）会急剧增大，引起严重的膜污染，出水水质也会变差，因此不能通过更大的流量。
随着国内外膜材料和膜应用技术的发展，MBR膜的可持续膜通量、使用寿命、运行成本和耐污染性等指标都得到大幅提升。近年来，MBR膜孔径也呈现逐步减小的趋势，欧洲和北美地区MBR超滤膜逐步完成了对微滤膜的全面替代，国际主流的MBR产品也普遍采用孔径≤0.05µm的超滤膜，例如威立雅的MBR膜孔径为0.04µm，Koch和Supratec的MBR膜孔径均为0.03µm。随着超滤膜的普及，欧美市场市政污水MBR膜的平均使用寿命从5年提升到12.5年。近年来，国内主流MBR膜产品膜孔径也呈逐步减小的趋势，例如碧水源MBR膜产品已经从第一代发展到第四代，膜孔径从最初的0.4µm缩小到0.2µm，直至最新第四代的0.1µm。
膜孔径的大小，对于MBR可持续的膜通量至关重要，进而会影响膜化学清洗成本和膜寿命。膜孔径影响可持续膜通量的机理在于孔径大小决定了细菌进入膜孔内的概率。通常细菌的尺寸>0.2µm，在膜产水泵负压抽吸过程中，部分细菌尺寸会收缩至0.06~0.08µm，因此对于膜孔径较大的微滤膜，细菌会进入膜孔，在膜孔内繁殖甚至堵塞膜孔，即使化学清洗也不能完全清除，造成膜产生不可恢复的通量衰减，降低了膜使用寿命。而对于孔径不超过0.05µm的小孔径超滤膜，细菌难以进入膜孔内部，只是在膜孔表面聚集，通过膜曝气和化学清洗可以去除，因此膜通量衰减慢、膜使用寿命长。此外，即使膜滤过程中膜表面会有滤饼层保护，对细菌等微生物有拦截作用，但在膜曝气和反洗过程中滤饼层易遭到破坏，出现膜表面裸露，对微滤膜而言这是细菌容易进入膜孔内的“窗口期”。
早期之所以MBR市场的膜产品以微滤膜为主，主要受制于当时的制膜水平，超滤膜的开孔率不高，因此膜通量低，缺少经济性。微滤膜由于膜孔径大，初期通量高，但问题在于细菌容易进入微滤膜膜孔，造成膜通量衰减和使用寿命缩短。随着高开孔率超滤膜进入市场，MBR膜的这一关键痛点问题也得到解决。随着产品性能的提升，相应的标准和规范也在变化，《室外排水设计标准》（GB50014—2021）中处理生活污水的MBR设计平均膜通量提高到15~25L/（m2·h），这意味着同样的污水处理量，膜的使用面积减少，即提高了膜应用效率，有助于降低MBR的建设成本。
在膜运行能耗方面，关键是如何减少膜擦洗的气水比，而膜擦洗气水比与膜擦洗的曝气形式、运行膜通量和膜组件装填密度等三个因素相关。随着节能脉冲曝气器代替传统的穿孔管曝气以及膜通量提高，近些年膜擦洗气水比也在大幅降低。目前，在一些新投产的市政生活污水MBR污水处理厂项目中，国际一线品牌MBR产品的曝气气水比已低至3∶1~4∶1，国产一线品牌MBR产品的曝气气水比可达到5∶1~6∶1。在国家提出“双碳”目标的政策背景之下，节能降耗已成为污水处理厂建设的关注重点。根据中国膜工业协会标准《“领跑者”标准评价要求-膜生物反应器》（T/ZGM004—2021，T/CSTE0051—2021），MBR中空纤维膜推荐气水比≤6∶1。
对于工业废水，由于膜通量的设计取值通常低于市政生活污水，因此，相同处理量时工业废水MBR的擦洗气水比会比市政生活污水高。
随着生态文明建设的不断推进，污水处理行业的标准不断提高，甚至出现了以地表水“Ⅳ类”或“准Ⅳ类”为排放标准的项目。在污水资源化的政策背景之下，传统污水处理厂也在向再生水厂发展，例如宜兴城市污水资源概念厂出水标准达到了COD<30mg/L、TN<3mg/L、TP<0.1mg/L，经过处理再生的尾水除用于湿地外，部分还进一步深度处理到直饮水标准。MBR超滤膜若解决了运行成本高和通量易衰减的痛点，则具有较好的应用前景，可同步实现污水处理设施扩容、提标、污水资源化和溢流污染控制的多重目标。结合上海某工业园区污水处理厂MBR膜更换项目，介绍了小孔径MBR超滤膜在该厂化工废水处理中的应用情况，并与所替换的微滤膜进行对比，重点分析运行膜通量、曝气能耗和膜清洗成本的变化情况，以期为MBR超滤膜用于工业废水处理厂项目提供借鉴。
二、项目应用案例：
① 项目背景：该工业园区污水处理厂现状总规模为5.0×104m³/d，分为独立运行的工业废水和生活污水两条工艺处理线，设计处理规模均为2.5×104m³/d，其中，工业废水处理线的来水主要为化工废水，处理工艺流程：废水→粗格栅→提升泵站→细格栅→精细格栅→初沉池→调节池→兼氧酸化池、沉淀池→AAO池→MBR→臭氧接触氧化→曝气生物滤池→消毒池→达标排放，设计出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）的一级A标准和《污水综合排放标准》（GB8978—1996）的一级标准，共23项指标。设计8条MBR膜池廊道，每条膜池装有8套MBR膜组器，共计64套膜组器。该工程于2016年建成并投入使用，工业线2.5×104m³/d的MBR膜原采用某国产一线品牌孔径为0.1µm的微滤膜，运行3年多后又更换过一次原厂家的微滤膜，每次微滤膜更新后使用寿命只能维持3年多。2023年初，该厂将原微滤膜更换为某国际一线膜品牌的孔径为0.03µm的超滤膜，并对膜池的曝气风管加装风量流量计及上位机自控程序调整优化，以满足该厂的长效稳定运行要求。
② 膜更换方案：在更换超滤膜前，工业废水处理线的微滤膜已运行3年多，存在的主要问题是膜产水量下降，比设计规模减产30%以上，且运行TMP均达到50kPa以上。本次换膜采用一一替换方式，即换膜前后膜组器数量不变，并利用原有膜池安装导轨。由于新更换的超滤膜为国际一线品牌产品，开孔率高、孔径为0.03µm，膜通量比原微滤膜大，因此虽然膜组器数量保持不变，但更换新膜后单个膜组器的膜面积少于原微滤膜，超滤膜总的安装面积比原微滤膜减少35%。
③ 产水量和TMP：工业废水处理线MBR系统换膜改造后，MBR膜池单廊道曝气风量约800~900m3/h，估算气水比为6∶1~7∶1，膜池MLSS为12~15g/L。换膜前，工业废水处理线MBR系统每个膜池的平均产水量已不足100m3/h，且TMP均达到50kPa以上，间隔2~3个月需进行一次离线清洗，平均处理能力不足1.5×104m3/d。换膜改造后，工业废水处理线MBR系统每个膜池的产水量均能稳定达到150m3/h，且TMP稳定在10kPa以内，运行1年尚未进行离线化学清洗，MBR系统处理能力稳定达到甚至超过设计水量（2.5×104m3/d），保障了污水处理厂的稳定运行。
以连续监测的7#、8#膜池廊道为例，膜池在更换安装完成并通水调试投运后1年多时间里，整体运行正常平稳，未进行离线恢复性化学清洗，处理水量、出水水质均满足设计要求。图2为7#和8#膜池运行过程中TMP和膜通量随时间的变化，可见随着实际进水流量的波动，MBR超滤膜的瞬时通量为15~20L/（m2·h），即使在冬季膜池水温较低的情况下，TMP也均稳定在10kPa以下。与初始运行数据相比，MBR超滤膜连续运行12个月后，其TMP波动变化整体较为平稳，没有发生明显增长现象，表明膜未发生污堵，运行状态良好。其余1#~6#膜池投运后，虽然没有进行数据连续监测，但抽样运行数据与7#、8#膜池廊道运行数据基本一致。
④ 能耗：MBR工艺最大能耗占比来自膜擦洗曝气环节，本次换膜改造后，每两个膜池廊道共用一个新安装的空气流量计以监测膜池的曝气风量强度，换膜改造前后产水量、曝气风量和气水比的对比如表2所示。由于本次改造仍利用原有鼓风机，鼓风机已运行至可变频风量的下限，难以再调低风量，因此实际运行气水比（6∶1~7∶1）超出了实际需要的气水比（5∶1~6∶1），与换膜前相比，气水比（吨水曝气能耗）降低约40%。
三、结论与建议：
改造设计和运行结果表明，相较于常规微滤膜，MBR超滤膜能够在保证水质稳定达标的情况下，以较高的可持续膜通量运行且TMP较低，显著提高了系统的抗水量冲击性能。同时，MBR超滤膜又能降低气水比和离线恢复性清洗频次，实现节能降耗的目标，为MBR超滤膜工艺在污水处理厂提标改造工程的设计和运行提供了成功范例。在污水处理标准逐步提高和鼓励污水资源化利用的政策背景下，MBR超滤膜工艺因其出水水质好、流程短、占地面积小、抗水质冲击负荷强的优点以及可同步实现污水处理设施扩容、提标、污水资源化和溢流污染控制目标的特点，具有较好的应用前景，建议进一步开展相关应用研究。
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