一体式膜 - 生物反应器是把膜组件置于生物反应器内部，如图 4 所示。进水进入膜 -生物反应器，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在外压作用下由膜过滤出水。这种形式的膜 -生物反应器由于省去了混合液循环系统，并且靠抽吸出水，能耗相对较低；占地较分置式更为紧凑，近年来在水处理领域受到了特别关注。但是一般膜通量相对较低，容易发生膜污染，膜污染后不容易清洗和更换。

复合式膜 - 生物反应器在形式上也属于一体式膜 - 生物反应器，所不同的是在生物反应器内加装填料，从而形成复合式膜 - 生物反应器，改变了反应器的某些性状。

工艺特点

与许多传统的生物水处理工艺相比， MBR 具有以下主要特点：

一、出水水质优质稳定

由于膜的高效分离作用，分离效果远好于传统沉淀池，处理出水极其清澈， 悬浮物和浊度接近于零，细菌和病毒被大幅去除 ，出水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准（ CJ25.1-89 ），可以直接作为非饮用市政杂用水进行回用。

同时，膜分离也使 微生物被完全被截流在生物反应器内， 使得系统内能够维持较高的微生物浓度，不但提高了反应装置对污染物的整体去除效率，保证了良好的出水水质，同时反应器对进水负荷（水质及水量）的各种变化具有很好的适应性，耐冲击负荷，能够稳定获得优质的出水水质。

二、剩余污泥产量少

该工艺可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低（理论上可以实现零污泥排放），降低了污泥处理费用。

三、占地面积小，不受设置场合限制

生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积大大节省； 该工艺流程简单、结构紧凑、占地面积省，不受设置场所限制，适合于任何场合，可做成地面式、半地下式和地下式。

四、可去除氨氮及难降解有机物

由于微生物被完全截流在生物反应器内，从而有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留生长，系统硝化效率得以提高。同时，可增长一些难降解的有机物在系统中的水力停留时间，有利于难降解有机物降解效率的提高。

五、操作管理方便，易于实现自动控制

该工艺实现了水力停留时间（ HRT ）与污泥停留时间（ SRT ）的完全分离，运行控制更加灵活稳定，是污水处理中容易实现装备化的新技术，可实现微机自动控制，从而使操作管理更为方便。

六、易于从传统工艺进行改造

该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元，在城市二级污水处理厂出水深度处理（从而实现城市污水的大量回用）等领域有着广阔的应用前景。

膜 - 生物反应器也存在一些不足。主要表现在以下几个方面：

o 膜造价高，使膜 - 生物反应器的基建投资高于传统污水处理工艺；

o 膜污染容易出现，给操作管理带来不便；

o 能耗高：首先 MBR 泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，其次是 MBR 池中 MLSS 浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度，还有为了加大膜通量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成 MBR 的能耗要比传统的生物处理工艺高。

工艺用膜

膜可以由很多种材料制备，可以是液相、固相甚至是气相的。目前使用的分离膜绝大多数是固相膜。根据孔径不同可分为：微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜；根据材料不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要是微滤级别膜。膜可以是均质或非均质的，可以是荷电的或电中性的。广泛用于废水处理的膜主要是由有机高分子材料制备的固相非对称膜。

膜的分类依据及分类：

一、 MBR 膜材质

1、高分子有机膜材料： 聚烯烃类、聚乙烯类、聚丙烯腈、聚砜类、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。

有机膜成本相对较低，造价便宜，膜的制造工艺较为成熟，膜孔径和形式也较为多样，应用广泛，但运行过程易污染、强度低、使用寿命短。

2、无机膜 ：是固态膜的一种，是由无机材料，如金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料等制成的半透膜。

目前在 MBR 中使用的无机膜多为陶瓷膜，优点是：它可以在 pH = 0~14 、压力 P<10MPa 、温度 <350 ℃的环境中使用，其通量高、能耗相对较低，在高浓度工业废水处理中具有很大竞争力；缺点是：造价昂贵、不耐碱、弹性小、膜的加工制备有一定困难。

二、 MBR 膜孔径

MBR 工艺中用膜一般为微滤膜（ MF ）和超滤膜（ UF ），大都采用 0.1 ～ 0.4 μ m 膜孔径，这对于固液分离型的膜反应器来说已经足够。

微滤膜常用的聚合物材料有：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、聚丙烯、聚醚醚酮、聚酰胺等。

超滤常用聚合物材料有：聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚丙烯腈（ PAN ）、聚偏氟乙烯、纤维素酯、聚醚醚酮、聚亚酰胺、聚醚酰胺等。

三、 MBR 膜组件

为了便于工业化生产和安装，提高膜的工作效率，在单位体积内实现最大的膜面积，通常将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，在一定的驱动力下，完成混合液中各组分的分离，这类装置称为膜组件（ Module ）。

工业上常用的膜组件形式有五种：

板框式（ Plate and Frame Module ）、螺旋卷式 (Spiral Wound Module) 、圆管式 (TubularModule) 、中空纤维式 (Hollow Fiber Module) 和毛细管式 (Capillary Module)。前两种使用平板膜，后三者使用管式膜。圆管式膜直径 >10mm; 毛细管式－ 0.5~10.0mm ；中空纤维式<0.5mm> 。

表：各种膜组件特性

MBR 工艺中常用的膜组件形式有：板框式、圆管式、中空纤维式。 　板框式：

是 MBR 工艺最早应用的一种膜组件形式，外形类似于普通的板框式压滤机。优点是：制造组装简单，操作方便，易于维护、清洗、更换。缺点是：密封较复杂，压力损失大，装填密度小。

圆管式：

是由膜和膜的支撑体构成，有内压型和外压型两种运行方式。实际中多采用内压型，即进水从管内流入，渗透液从管外流出。膜直径在 6~24mm 之间。圆管式膜优点是：料液可以控制湍流流动，不易堵塞，易清洗，压力损失小。缺点是：装填密度小。

中空纤维式：

外径一般为 40 ～ 250 μm ，内径为 25 ～ 42μm 。优点是：耐压强度高，不易变形。在 MBR中，常把组件直接放入反应器中，不需耐压容器，构成浸没式膜 -生物反应器。一般为外压式膜组件。优点是：装填密度高；造价相对较低；寿命较长，可以采用物化性能稳定，透水率低的尼龙中空纤维膜；膜耐压性能好，不需支撑材料。缺点是：对堵塞敏感，污染和浓差极化对膜的分离性能有很大影响。

MBR 膜组件设计的一般要求：

o 对膜提供足够的机械支撑，流道通畅，没有流动死角和静水区；

o 能耗较低，尽量减少浓差极化，提高分离效率，减轻膜污染；

o 尽可能高的装填密度，安装，清洗、更换方便；

o 具有足够的机械强度、化学和热稳定性。

膜组件的选用要综合考虑其成本，装填密度、应用场合、系统流程、膜污染及清洗、使用寿命等。

应用领域

进入 90 年代中后期，膜 - 生物反应器在国外已进入了实际应用阶段。加拿大 Zenon 公司首先推出了超滤管式膜 -生物反应器，并将其应用于城市污水处理。为了节约能耗，该公司又开发了浸入式中空纤维膜组件，其开发出的膜 -生物反应器已应用于美国、德国、法国和埃及等十多个地方，规模从 380m 3 /d 至 7600m 3 /d。日本三菱人造丝公司也是世界上浸入式中空纤维膜的知名提供商，其在 MBR 的应用方面也积累了多年的经验，在日本以及其他国家建有多项实际 MBR工程。日本 Kubota 公司是另一个在膜 -生物反应器实际应用中具有竞争力的公司，它所生产的板式膜具有流通量大、耐污染和工艺简单等特点。国内一些研究者及企业也在 MBR实用化方面进行着尝试。

现在，膜 - 生物反应器已应用于以下领域：

一、城市污水处理及建筑中水回用

1967年第一个采用 MBR 工艺的废水处理厂由美国的 Dorr-Oliver 公司建成，这个处理厂处理 14m 3 /d 废水。 1977年，一套污水回用系统在日本的一幢高层建筑中得到实际应用。 1980 年，日本建成了两座处理能力分别为 10m 3 /d 和 50m 3 /d的 MBR 处理厂。 90 年代初期，日本就有 39 座这样的厂在运行，最大处理能力可达 500m 3 /d ，并且有 100 多处的高楼采用MBR 将污水处理后回用于中水道。 1997 年，英国 Wessex 公司在英国 Porlock 建立了当时世界上最大的 MBR系统，日处理量达 2 ， 000 m 3 ， 1999 年又在 Dorset 的 Swanage 建成了 13 ， 000m 3 /d 的MBR 工厂 [14] 。

1998 年 5 月，清华大学进行的一体式膜 - 生物反应器中试系统通过了国家鉴定。 2000年初，清华大学在北京市海淀乡医院建起了一套实用的 MBR 系统，用以处理医院废水，该工程于 2000 年 6 月建成并投入使用，目前运转正常。2000 年 9 月，天津大学杨造燕教授及其领导的科研小组在天津新技术产业园区普辰大厦建成了一个 MBR 示范工程，该系统日处理污水 25吨，处理后的污水全部用于卫生间的冲洗及绿地浇洒，占地面积为 10 平方米，处理每吨污水的能耗为 0.7kW · h 。

二、工业废水处理

90年代以来， MBR 的处理对象不断拓宽，除中水回用、粪便污水处理以外， MBR在工业废水处理中的应用也得到了广泛关注，如处理食品工业废水、水产加工废水、养殖废水、化妆品生产废水、染料废水、石油化工废水，均获得了良好的处理效果。 90 年代初，美国在 Ohio 建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业废水的 MBR 系统，处理规模为 151m 3 /d，该系统的有机负荷达 6.3kgCOD/m 3 · d ， COD 去除率为 94%，绝大部分的油与油脂被降解。在荷兰，一脂肪提取加工厂采用传统的氧化沟污水处理技术处理其生产废水，由于生产规模的扩大，结果导致污泥膨胀，污泥难以分离，最后采用 Zenon 的膜组件代替沉淀池，运行效果良好。

三、 微污染饮用水净化

随着氮肥与杀虫剂在农业中的广泛应用，饮用水也不同程度受到污染。 LyonnaisedesEaux 公司在 90 年代中期开发出同时具有生物脱氮、吸附杀虫剂、去除浊度功能的 MBR工艺， 1995 年该公司在法国的 Douchy 建成了日产饮用水 400m 3 的工厂。出水中氮浓度低于 0.1mgNO 2 /L，杀虫剂浓度低于 0.02 μ g/L 。

四、粪便污水处理

粪便污水中有机物含量很高，传统的反硝化处理方法要求有很高污泥浓度，固液分离不稳定，影响了三级处理效果。 MBR 的出现很好地解决了这一问题，并且使粪便污水不经稀释而直接处理成为可能。

日本已开发出被称之为 NS 系统的屎尿处理技术，最核心部分是平板膜装置与好氧高浓度活性污泥生物反应器组合的系统。 NS 系统于 1985年在日本琦玉县越谷市建成，生产规模为 10kL/d ， 1989 年又先后在长崎县、熊本县建成新的屎尿处理设施。 NS 系统中的平板膜每组约0.4m 2 共几十组并列安装，做成能自动打开的框架装置，并能自动冲洗。膜材料为截流分子量 20000 的聚砜超滤膜。反应器内污泥浓度保持在15000~18000mg/L 范围内。到 1994 年，日本已有 1200 多套 MBR 系统用于处理 4000 多万人的粪便污水。

五、土地填埋场 / 堆肥渗滤液处理

土地填埋场 / 堆肥渗滤液含有高浓度的污染物，其水质和水量随气候条件与操作运行条件的变化而变化。 MBR 技术在 1994年前就被多家污水处理厂用于该种污水的处理。通过 MBR 与 RO 技术的结合，不仅能去除 SS、有机物和氮，而且能有效去除盐类与重金属。最近美国 Envirogen 公司开发出一种 MBR用于土地填埋场渗滤液的处理，并在新泽西建成一个日处理能力为 40 万加仑 ( 约 1500m 3 /d) 的装置，在 2000年底投入运行。该种 MBR 使用一种自然存在的混合菌来分解渗滤液中的烃和氯代化合物，其处理污染物的浓度为常规废水处理装置的 50 ～ 100倍。能达到这一处理效果的原因是， MBR 能够保留高效细菌并使细菌浓度达到 50 ， 000mg/L 。在现场中试中，进液 COD 为几百至40 ， 000 ，污染物的去除率达 90% 以上。

国内外 MBR 主要应用领域及相应百分比率：

污水类型 所占百分比率（%） 污水类型 所占百分比率（%）

工业污水 27 城市污水 12

建筑污水 24 垃圾 9

家庭污水 27