关键词：技术 分析 经济 生物 反应器
提要: 膜生物反应器(MBR)是通过膜分离技术强化污水生物处理的新
技术。综述了该技术在我国的应用现状；并对MBR进行初步的技术经
济分析。研究结果表明：影响膜生物器运行费用的关键因素为膜通量
和使用寿命。
关键词: 膜生物反应器 污水处理 膜技术 膜通量 膜寿命
膜生物反应器 (MBR)是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合
的新型水处理技术，与传统的生化处理技术相比，MBR具有以下主要
特点：处理效率高、出水水质好；设备紧凑、占地面积小；易实现自
动控制、运行管理简单。80年代以来，该技术愈来愈受到重视，成为
水处理技术研究的一个热点。目前，膜生物反应器已应用于美国、德
国、法国、日本和埃及等十多个国家，处理规模在6～3000 m3/d［1］。
1． MBR在我国的应用现状
近两年来，膜生物反应器在国内已进入了实用化阶段。 MBR系
统的处理对象从生活污水扩展到高浓度有机废水和难降解工业废水，
如制药废水、化工废水、食品废水、屠宰废水、烟草废水、豆制品废
水、粪便污水、黄泔污水等。从目前的趋势看，中水回用将是MBR
在我国推广应用的主要方向。表1列举了MBR在我国的应用实例及处
理效果。这些应用实例表明：MBR对生活污水、高浓度有机废水与难
降解工业废水的处理效果良好。
2．MBR在中水回用中的经济分析
根据污水水量、水质及处理难易程度的不同，MBR处理工业废
水的一次性投资通常在4000 ～10000 元/m3，应用于中水回用系统的
MBR(规模为10～500 m3/d)的一次性投资为2500～5000 元/m3，处理规模
越大，单位处理污水量的一次性投资越低 。本文以处理规模为240
m3/d的回用系统做一初步的技术经济分析。
2.1 不同MBR系统的费用分析
采取费用比较法进行3类MBR系统的经济分析，它包括两部分：
MBR系统的工程建设费用及运行费用。
表1 MBR在我国的应用实例［2～4］
|
污废水
种类 |
处理能力
(m3/d) |
COD(mg/L) |
BOD(mg/L) |
NH3-N(mg/L) |
SS(mg/L) |
|
进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
|
洗浴污水 |
10 |
130～322 |
＜40 |
99～212 |
＜5 |
0.59～1 |
0.2～0.4 |
15～50 |
0 |
|
印染废水 |
11 |
100～1500 |
180 |
500 |
40 |
|
|
|
|
|
黄泔废水 |
17 |
900～12000 |
＜100 |
6805 |
＜10 |
130～180 |
＜5 |
4750～5470 |
＜10 |
|
医院污水 |
25 |
48～278 |
＜25 |
20 |
0.4 |
10～24 |
1 |
|
|
|
制药废水 |
50 |
1500～4900 |
＜180 |
500～1633 |
＜10 |
297～354 |
＜15 |
430～1033 |
＜10 |
|
大楼污水 |
200 |
92～108 |
23 |
27～32 |
＜8 |
|
|
39～47 |
3.5 |
|
食品废水 |
500 |
754 |
＜80 |
|
|
|
|
|
|
工程建设费用=基建费用(建筑工程费+设备购置及安装费+不可
预见工程费)+膜的购置费用。
运行费用=设备折旧费用(以10 a计)+膜更换费用+动力费用+其他
费用(人员工资+维修清洗费 )。3类MBR系统的建筑工程费和运行费
用分别见表2，表3(技术设计费用均未考虑)。从表2，表3可以看出：
(1) 3类MBR系统的一次性投资费用大小依次为：无机膜MBR＞一体
式MBR＞分离式MBR；
(2)运行费用大小依次为：无机膜MBR＞分离式MBR＞一体式MBR；
表2 不同MBR系统的建筑工程费用［15～18］
|
项目 |
无机膜 MBR |
一体式 MBR |
分离式 MBR |
|
进口 |
国产 |
进口 |
国产 |
国产 |
|
基建费用 ( 万元 ) |
35 |
35 |
32 |
32 |
35 |
|
膜通量 (L/(m 2 .h)) |
150 |
150 |
10.4 |
8.3 |
33.3 |
|
膜面积 (m 2 ) |
67 |
67 |
960 |
1200 |
300 |
|
膜价格 ( 元 /m 2 ) |
10000 |
4000 |
450 |
150 |
300 |
|
膜投资 ( 万元 ) |
67 |
27 |
43 |
18 |
9 |
|
总投资 ( 万元 ) |
102 |
62 |
75 |
50 |
44 |
|
膜费用所占比例 (%) |
65.7 |
43.5 |
57.3 |
36 |
20.5 |
表 3 不同MBR系统的运行费用
|
项目 |
无机膜 MBR |
一体式 MBR |
分离式 MBR |
|
进口 |
国产 |
进口 |
国产 |
国产 |
|
设备折旧成本 ( 元 /m 3 ) |
0.4 |
0.4 |
0.36 |
0.36 |
0.4 |
|
膜的使用寿命 (a) |
10 |
10 |
4 |
2 |
2 |
|
膜的更换费用 ( 元 /m 3 ) |
0.76 |
0.3 |
1.25 |
1.0 |
0.5 |
|
电耗 (kW.h/m 3 ) |
5 |
5 |
0.8 |
0.8 |
3 |
|
动力费用 ( 元 /m 3 ) |
2.5 |
2.5 |
0.4 |
0.4 |
1.5 |
|
其他费用 ( 元 /m 3 ) |
0.15 |
0.15 |
0.15 |
0.15 |
0.15 |
|
总费用 ( 元 /m 3 ) |
3.8 |
3.35 |
2.16 |
1.91 |
2.55 |
|
膜的更换费用比 (%) |
20 |
9 |
58 |
52 |
20 |
|
动力费用比 (%) |
39.5 |
44.8 |
21 |
19 |
59 |
注：处理规模240 m3/d。电费按0.5元/(kW.h)计。
(3)影响MBR系统运行费用的主要因素是动力费用与膜的更换费用。
膜的更换费用是影响一体式MBR系统运行费用的关键因素；而动力
费用是影响分离式MBR系统运行费用的关键因素。在3种MBR系统的
建筑工程费用中，一体式MBR与分离式MBR的一次性投资基本相当，
而一体式 MBR的运行费用为分离式MBR的75%。我国是缺水国家，
北方地区缺水更为严重，许多城市不得不采取限量供水和超量用水
加倍收费等措施。因此，中水回用对于合理用水和节约水资源势在
必行。以北京市2000年供水价格为例，居民生活用水价格为1.8元/m3；
宾馆、洗车、洗浴等行业供水价格为3.0～5.0元/m3。一体式膜生物反
应器总运行成本为1.9元/m3 ，用于中水回用具有明显的竞争优势。同
时可节省水资源，具有环境效益和经济效益。
2.2 影响MBR技术经济评价的相关因素分析
目前，对MBR系统的技术经济分析的结论存在较大的差别。主
要是由于在MBR系统设计中，对膜的处理能力(膜通量)与膜使用寿命
的估计存在很大的差别，直接影响对膜生物反应器的经济评价。在
表2中，一体式MBR(国产膜)膜通量设定为8.33 L/(m2·h)，膜的使用寿
命为2a，膜价格为150元/m2。下文仅讨论膜通量、膜的使用寿命及膜
价格的单因素变化对一体式膜生物反应器运行费用的影响，统计结
果。
可以得出：膜通量的提高、膜寿命的延长、膜价格的降低中任
何单一因素的研究进展均会大幅度降低MBR的运行费用。随着膜制
造技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投资与
运行费用也会随之大幅度降低。如聚乙烯中空纤维膜等新型膜材料
的开发已使其成本有很大降低。据估算，膜还有相当大的降价空间，
在未来的3～5 a内 ，随着膜材料的改进和生产规模的扩大，膜价格
有望降为目前的40%～60%。随着膜性能的提高、使用寿命的延长与
膜价格的降低，MBR的运行费用有望降低到1.0元/m3左右。
3．影响MBR应用的关键课题研究
由于膜通量的提高、膜寿命的延长会大幅度降低MBR的运行费
用，因此，在保证出水水质的前提下，膜通量应尽可能大，这样可
减少膜的使用面积，降低基建费用与运行费用。因此控制膜污染，
保持较高的膜通量，是MBR研究的重要内容。而膜通量与膜材料、
操作方式、水力条件等因素密切相关。
3.1 膜的选择
现有膜可分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制
了无机膜生物反应器在我国的广泛应用，国内MBR系统普遍采用有
机膜。常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。分离式MBR通常采用超
滤膜组件，截留分子量一般在2～30万。截留分子量越大，初始膜通
量越大，但长期运行膜通量未必越大。张洪宇进行无机膜的通量衰
减试验表明：孔径0.2μm的膜比0.8 μm的膜更适合于MBR。何义亮用P
ES平板膜组件进行膜通量衰减规律的研究发现：在该试验条件下，
膜初始通量衰减主要是由于浓差极化引起，膜截留分子量愈小，通
量衰减率愈大；膜长期运行的通量衰减主要是由于膜污染引起，膜
截留分子量愈大，通量衰减幅度愈大，化学清洗恢复率愈低。
对于淹没式MBR，既可用超滤膜，也可使用微滤膜。由于膜表
面的凝胶层也起到了过滤作用，在处理生活污水时，微滤膜与超滤
膜的出水水质没有明显差别，因此淹没式MBR多采用0.1～0.4 μm微滤
膜。
3.2 操作方式的优化
当膜材料选定后，其物化性质也就基本确定了，操作方式就成
为影响膜污染的主要因素。为了减缓膜污染，反冲洗是维持分离式
MBR稳定运行的重要操作，樊耀波通过确定最佳反冲洗周期，使分
离式MBR的膜通量达到 60 L/(m2·h)。针对抽吸淹没式MBR，山本提
出间歇式抽吸方式可有效减缓膜污染。桂萍通过研究进一步指出：
缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染，
抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量其次。
不仅污泥浓度、混合液粘度等影响膜通量，混合液本身的过滤
性能，如活性污泥性状，生物相也影响膜通量的衰减。有研究表明：
粉末活性炭与絮凝剂的加入有助于改善泥水分离性能，形成体积更
大、粘性更小的污泥絮体，减少了膜堵塞的机会。但絮凝剂的过量
加入会使污泥活性受到抑制，影响反应器的处理能力和处理效果。
3.3 水力学特性的改善
改善膜面附近料液的流体力学条件，如提高流体的膜面流速，
减少浓差极化，使被截留的溶质及时被带走，能有效降低膜的污染，
保持较高的膜通量。黄霞、何义亮分别采用PAN平板式超滤膜、PAN/
PS管式膜组件考察不同膜面循环流速下污泥浓度对膜通量的影响，发
现MLSS 对膜通量的影响程度与膜面循环流速有关。大量试验表明：
污泥过膜流态为层流，远比紊流时易于堵塞，因此从理论上确定不同
污泥浓度下紊流发生的最小膜面流速(Vmin)有重要意义。邢传宏、彭
跃莲研究均发现：最小膜面流速与污泥浓度之间呈良好的线性关系
［12～13］。但他们对临界膜面流速的计算值可能偏高，因为污泥沿
流道流动的过程中，水同时透过膜流出，增加了流体在垂直方向的
紊动，从而在一定程度上降低了下临界雷诺数(Rek)。何义亮的发现
证实了这一推论，平板膜组件由紊流到层流的Rek为1083，外压管
式膜组件的 Rek为966，均小于一般牛顿流体的下临界雷诺数2000分
离式MBR中，一般采用错流过滤的方式，这有助于防止膜面沉积污
染。对于一体式MBR，设计合理的流道结构，提高膜间液体上升流
速，使较大的曝气量起到冲刷膜表面的错流过滤效果显得尤为重要。
刘锐通过均匀设计试验，得到适合活性污泥流体的膜间液体上升模
型，提出反应器结构对液体上升流速的影响：在同样的曝气强度下，
反应器越高，上升流通道越窄，下降流通道与底部通道越宽，则越
能获得较大的膜间错流流速。
3.4 能耗
能耗是污水处理工艺的一个重要的评价指标，直接关系到处理
方法的可行性。目前，常规分离式MBR运行能耗为3～4 kW·h/m3，
淹没式MBR运行能耗为0.6～2 kW·h/m3，高于活性污泥法的0.3～0.4 k
W·h/m3。较高的动力费用是MBR推广应用中遇到的主要问题之一。
许多研究结果也表明：能耗是造成MBR运行费用高的主要原因。张
绍园分析了分离式MBR的能耗组成：泵的热能损失、曝气能耗、管
道阻力能耗、膜组件能耗和回流污泥水头损失能耗，其耗能大小依
次为：膜组件＞泵＞曝气＞管道＞回流污泥，膜组件能耗占总能耗
的40%～50%，其中 80%用于膜过滤的能量以热能的方式散发。顾平
对抽吸淹没式MBR的能耗分析表明：曝气的能耗占总能耗的96%以上
。通常研究者都认为能耗的降低与膜污染的控制是MBR研究领域两
个独立的课题，而张绍园、郑祥采用穿流式、错流式膜组件进行分
离式MBR研究发现：能耗随运行时间的延长、膜污染的增加呈上升
趋势，从运行初期的不足0. 5 kW·h/m3增加到3 kW·h/m3，。这说明：
分离式膜生物反应器的能耗问题实质是膜污染问题。在实际工程中，
由于系统各部件的不匹配(如风机、水泵的实际处理能力高于MBR系
统所需)也造成实际运行能耗高于理论能耗值。
为了进一步降低能耗，顾平应用位差驱动出水和低水头间断工
作的重力淹没式MBR，较好地克服了膜的污染与阻塞，使膜长时间
保持较大的膜通量，并且省去复杂的气水反冲洗设备和降低曝气量，
使MBR处理生活污水的能耗可下降到1.0 kW·h/m3，该型MBR在实际
工程中能耗已降到0.6～0.8 kW·h/m3。
4. 结论
尽管MBR的运行费用略高于常规生物处理方法，但MBR的处理
出水能达到中水回用的目的，且随着膜制造技术的进步，膜质量的
提高和膜制造成本的降低，MBR的投资也会随之大幅度降低。另外，
各种新型膜生物反应器的开发，如在低压下运行的重力淹没式MBR、
厌氧MBR等与传统的好氧加压膜生物反应器相比，其运行费用大幅
度下降。因此可以预见，膜生物反应器作为中水回用技术将会愈来
愈具有经济、技术上的竞争优势。预计中水回用将是MBR在我国推
广应用的主要方向。目前我国膜生物反应器在中水回用中的应用实
例尚少，需结合我国的经济发展水平和MBR工艺的特点，进一步加
强研究以推动其工程化应用的进程。
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