膜生物反应器（MBR）是膜分离技术与生物污水处理技术相结合的新型态废水处理系统，是以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量，主要利用膜分离设备截留水中的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器因有效的截留作用，可保留世代周期较长的微生物，可实现对污水深度净化，同时硝化菌在系统内能充分繁殖，对深度除磷脱氮提供可能。
最早的膜生物技术是应用在微生物发酵行业，20世纪60年代应用于水处理领域。现在膜生物反应器是水处理领域中最具有发展潜力的技术之一，是污水处理与回收、解决饮用水处理中出现的消毒副产物等的有效手段，也是全球都在积极研究、发展的新技术。
1. MBR的工作原理
MBR是一种高效的膜分离技术，经过曝气池中的MBR平片膜组件，由泵通过滤膜过滤后抽出，利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物质截留，代替二沉池。活性污泥浓度大大提高，通过分别控制水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT），使难降解的物质在反应器中不断反应降解。
由与MBR的存在使固液分离能力大幅度提高，因此使处理后的水、水质和容积负荷都得到有效提升，经过膜处理后的水可超过国际一级A标准，再经过消毒，最后形成水质和生物安全性高的优质再生水，可以直接作为新生水源。
2. MBR的工艺原理
MBR是由生物反应器与膜组件（微滤、超滤、纳滤或渗透膜等）两部分组成。按照生物反应器与膜组件组合方式可分为外置式和内置式两种。
外置式生物反应器（RMBR）是指膜组件与生物反应器分开设置，生物反应器膜的压力驱动是靠加压泵，生物反应器内的混合液通过加压泵进入膜组件，在内外压差的作用下，混合液中的水经过选择透过性膜渗出，由膜截留下的其他物质经浓缩后流到生物反应器内；内置式生物反应器是指膜组件安置在生物反应器的内部，压力驱动靠水头压差，或用真空泵抽取，混合液中的水经过选择透过性膜渗入，由泵排出。
外置式生物膜反应器（RMBR）是膜组件自成体系，其特点是便于清洗和更换。但是泵的高速旋转会使某些微生物细菌体失活，造成细菌体在膜表面沉积。为减少污染物的沉积，由循环泵提供的水流流速都很高，会消耗较大的动力。
内置式生物膜反应器（SMBR）不使用循环泵，不会造成微生物细菌体失活，与外置式相比能节省占地，降低运行费用。但反应器中膜部分不易拆洗，通过对膜材料和结构进行改进，使用中空纤维超滤组件，克服了平板膜不易拆装、清洗的缺点。
按照反应器的功能分类，可分为膜分离生物反应器、膜曝气生物反应器、萃取膜生物反应器。膜分离生物反应器（Membrane separation bioreactor）是利用膜截留和分离固体，用于污水处理中的固液分离。膜曝气生物反应器（Membrane aeration bioreactor）是用于无泡曝气，提高好氧生物反应的氧传递效率和接触时间，适用需氧量较高的废水处理。萃取膜生物反应器（Extractive membrane bioreactor）用于工业废水中优先污染物的处理，选择性透过膜被用于萃取待定的污染物，可防止高酸碱度或对生物有害物质与微生物直接接触。
3. MBR在生活污水处理中的应用
在生活污水处理中，主要为厌氧膜生物反应器、好氧膜生物反应器、缺氧膜生物反应器，同时为了与生物脱氮除磷工艺相符，在以往生物膜反应器污水处理工艺的基础上进行优化更新，加入了分流式膜反应器、倒置膜生物反应器等。由于生活污水中氮磷普遍较低，可在膜生物反应器污水处理工艺前期进行内源碳的控制，便于碳源的合理应用及反硝化效率的提升。同时针对污染物质存在时间较长导致的生物除磷效果不佳等问题，可在膜生物反应器污水处理工艺运行的基础上进行化学除磷方式的应用，便于反渗透、生物滤池等后续污水处理工艺的正常运行，常用的化学除磷物质主要为臭氧。对于粪便等生活污水，以往常用的膜生物反应器污水处理措施主要为反硝化法，而由于反硝化法具有固液分离不稳、浓度过高等特点，现阶段利用超滤膜过滤的方式代替了反硝化技术。超滤膜过滤的方式主要为接收模块、高效脱氮生物反应设备、深度处理消毒模块等几个部分，基本脱氮生物反应器设计运行参数可依照以往反硝化设施进行设计。
4. EMBR在工业污水处理中的应用
EMBR是由英国帝国理工大学教授提出，将膜萃取技术和生物降解技术结合，采用选择性透过膜将废水循环单位和生物降解单元完全隔开，使废水中只有毒性高、疏水性的目标有机物污染物透过膜，进入生物降解单元，被专属降解菌降解；而在废水中的其他无机组分，仍然留在废水循环单元，不对微生物代谢产生影响。生物降解单元中的微生物在降解有机物中，会自行在最优化的条件下进行，这使EMBR对于存在强酸强碱、高盐度、生物有毒物质等不宜直接接触微生物的废水具有较好的处理能力。
在工业废水中，酸碱度较高、盐浓度较高或者含有挥发性、半挥发性难降解有毒物质，不宜用废水与微生物直接接触进行污水处理，而EMBR可以解决这些问题。
在对焦化废水处理中，也会应用EMBR膜技术。焦化废水是煤制焦炭、煤气净化及焦化产品回收过程中产生的高浓度废水。其中会含有大量的酚类、吡啶、吲哚等有机污染物以及大量的氰化物、氟化物等有毒有害物质。其中氨氮浓度高、焦油含量大、可生化性差，用一般的生物处理方法无法有效地处理。用萃取膜分离反应器代替传统的二沉池，利用膜组件进行焦化废水的处理，固液分离效果更好，从而消除有机污染物。
5. 未来发展趋势
MBR虽然有许多优点，但是仍有部分问题有待解决。膜生物反应器需要大量的氧气，会造成过多能耗的消耗；同时难以被微生物降解的物质容易积累造成微生物的毒害和膜的污染。现如今的技术已逐步的完善，但还可以进行工艺的改良和优化。例如可以通过对膜材料的结构和膜材料本身进行改进，提高分离效果，降低运行成本。同时优化膜的清洁方法，避免引起二次污染。或者将膜组件形式进行改进，优化MBR膜组件结构，促进MBR发展。也可以改良运行方式，合理的调节曝气强度、曝气间隔、清洗周期等运行参数，控制适宜的压力、温度、流速等影响因素。
6. 总结
膜分离技术在污水处理领域正在不断地显示出其神奇所在，作为生物技术加膜技术的新型污水处理技术，更有效地将“废物”排出，使污水再次洁净。膜生物反应技术是新时代水处理的重要技术，对于高效利用、节能环保起重要作用。而我国作为全球人口大国，更应该对于各种水资源进行利用，参考国外的发展模式，进行膜生物反应器的经验借鉴，缓解水资源紧缺区域的困境。
庞立葳 中国化工信息中心咨询事业部咨询师，毕业于伊利诺伊大学芝加哥分校，化学工程硕士学位，2年化工咨询行业从业经验。庞立葳曾在《宁夏化工新材料行业规模分析》《碳酸二甲酯国内外市场调研与分析》《变压吸附技术国内应用》《2018年下半年宏观经济预测》等10余个咨询项目中担任咨询师。