国内外MBR膜研究进展及应用现状

1.3.1国内外膜技术进展及应用现状

膜是一种具有特殊选择性分离功能的无机或高分子材料，膜科学技术是一门新兴的高分离、浓缩、提纯、净化技术。人类最早发现渗透现象在1748年，Nollet发现水会自发地扩散穿过猪膀胱进入到酒精中;19世纪中叶，人们开始研究膜分离现象;1864年，Traube成功制造出人类历史上第一张人造膜;1925年世界上第一个滤膜公司(Sartorius)在德国Gottinggen成立;1950年w.Juda等研制出第一张具有实用价值的离子交换膜，至此，电渗析技术得到迅速发展;20世纪50年代电渗析开始在工业上应用;1960年，Loeb和Sourirajan共同发明了一种新的制膜技术，制造出醋酸纤维素反渗透膜，这项新技术引发了学术界、工业界研究各种分离膜技术的高潮;20世纪60年代以后，反渗透、超滤、微滤等多个膜分离过程相继应用于各个工业领域。

膜分离过程具有无相变、高效、节能、工艺和设备简单、操作过程易控制等特点，在能源紧张、资源短缺、生态环境日益恶化的今天，膜分离技术在解决污水净化、水资源可持续利用等方面起着不可替代的重要作用，得到工业发达国家的普遍重视，发展十分迅速。目前，膜技术在化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、医药和医疗、环境保护等领域有广泛应用。归纳起来，膜技术主要在以下三个方面应用广泛。

(1)膜法制备饮用水和超纯水具体包括海水、苦咸水的淡化及软化;饮用和医用纯水的制备;半导体及微电子工业超纯水的制备。

(2)膜法处理工业污、废水主要包括电泳涂装废水、电镀废水、印染废水、含油脂废水、化工废水、造纸废水、食品废水、生活污水等的处理和回用。

(3)膜法分离和精制工业产品包括酿酒、饮料、醋、酱油的生产制备，中、西药生产，化工、冶金、印染等行业的除盐、浓缩、提纯和回收等工艺。根据有关文献报道，世界膜工业市场近30年来每年均以高于5%的速度迅猛发展1997年市场销量中分列前三位的是美国、日本和欧洲。就微滤、超滤和反渗透的市场占有额而言，美国分别是34%、17%和16.3%;欧洲为31.8%、9.8%和7.3%，日本是32%、5.7%和6.6%。2000年世界膜技术市场规模已达到120亿美元。MBR技术作为膜技术中的一个重要组成部分，其市场也在加速成长，2005年，全球MBR市场销售额达到2.17亿美元，到2010年底，市场规模将会达到3.6亿美元。

我国的膜技术从20世纪60年代中期起步研究，经过50多年的发展，逐渐走向成熟膜工业近10年来得到较快发展，已成为一个新兴的高技术产业群体，一直保持20%以上的市场增长率。中国膜工业协会的统计资料表明，1998年，我国膜工业产值为12亿元人民币，2000年为28亿元，到2008年，我国膜工业产值已达到60亿元，相关工程约200亿元。截至目前，我国膜工业领域有研究单位120家以上、生产企业约400家、工程公司约2000家。中国的膜消费市场已经成为世界三大板块之一，占全球消费量的20%。预计到2020年，国产膜的市场份额将达到100亿~200亿元人民币，年增长速度为15%，并将进入世界膜工业强国，国产膜约占世界膜总量的十分之一。

近几年来，随着膜材料的研究进一步深入，膜材料的性能越来越好、寿命越来越长、成本也越来越低，膜的应用步伐也随之加快。随着国家能源政策和产业政策的逐步调整，以及全世界范围内面临的能源短缺、环境恶化等危机，膜技术在多个领域将有广阔的发展空间.已成为解决当代能源、资源问题和环境污染问题的重要高新技术手段，被认为是21世纪最有发展前途的清洁技术之一。

1.3.2国内外MBR研究进展

MBR膜技术在环保领域内的重要应用，其研究始于美国。1966年，美国的Dorr-oli-ver公司首先将MBR用于废水处理的研究。1968年，Smith等首次将活性污泥法与超滤膜组件相结合用于处理城市污水，利用膜具有的高效截留的物理特性，使生化反应器内维持较高的污泥浓度，反应器在低F/M下工作，提高了反应器的去除效率，同时发现工艺具有减少剩余污泥产量、减小污水处理厂占地面积等优点。

进人20世纪70年代，各国学者进一步深入开展对MBR的研究。这一时期MBR的研究重点是开发适合高浓度活性污泥的膜分离装置，但受到当时膜生产技术的限制，膜的使用寿命短，膜通量小，限制了MBR工艺的长期稳定运行，这项技术在相当长的时间内仅停留在实验室研究阶段，未能在实际工程中推广应用。进入80年代以后，随着材料科学的发展与制膜水平的提高，推动了MBR技术的向前发展，MBR工艺也随之得到迅速发展。除了较早起步的美国、日本，欧洲一些国家、加拿大、南非等也开展了MBR的研究和应用。

20世纪90年代以后，MBR技术进入了迅猛发展的时期，尤其到了20世纪的最后几年，有关MBR的研究从实验室小试、中试规模走向了生产性试验，应用MBR的中、小型污水处理厂也逐渐见诸报道。MBR在国外已进入了实际应用阶段。MBR在日本的商业应用发展很快，世界上约66%的工程在日本，其余主要在北美和欧洲。这些工程中98%以上是膜分离工艺与好氧生化反应器相结合。约55%采用一体式MBR，其余则是分置式MBR另外，除了应用于生活污水处理、工业废水处理外，MBR在饮用水处理领域的研究也逐渐发展起来。

我国从20世纪90年代开始对MBR进行研究，MBR研究机构由最初的两三家已发展为现在的六十多家。最早开始研究的机构有清华大学、浙江大学、中科院生态环境研究中心、天津大学、同济大学、哈尔滨工业大学、南京工业大学等。1997年中国科学院生态环境研究中心开始了穿流式膜-生化反应器的研究工作;清华大学、同济大学、天津大学、南京工业大学等高校开展了分置式MBR和一体式MBR的研究;多个研究机构对MBR的运行特征、膜通量的影响因素、膜污染的防止与清洗等方面做了大量细致的研究工作[22,23]随着我国水污染现象的日趋严重，MBR研究先后被列入“九五”国家科技攻关课题(1996年)和国家高技术发展计划(863)项目(，MBR的研究与应用得到了全面推游通过十几年的精心研究与试验，MBR的研究对象从生活污水扩展到石化污水、高浓度有机废水、食品废水、啤酒废水、港口污水、印染废水，生化反应器从活性污泥法扩展到接触化法:生化处理流程从好氧发展到厌氧，并且对不同污水的处理效果、系统的稳定运行、物作条件的优化等方面展开了研究。如今，MBR技术在我国逐渐得到广泛的应用，而且也已有数座日处理量大于万吨的MBR系统正式投入运行，应用领域涉及工业废水处理、医院》水处理、生活污水回用等多个方面。

归纳起来，国内对MBR的研究大致可分为以下几个方面：

1、发展不同构造形式的膜组件在MBR中的应用，应用较多的形式有平片式、圆管士螺旋卷式、中空纤维式等。由此产生了多种形式的MBR，主要目标在于提高有机物降解率增强运行稳定性和操作管理方便性，尽可能减轻膜污染。

2、发展不同生化处理工艺与膜分离单元的组合形式，生化反应处理工艺从好氧到厌从活性污泥法扩展到接触氧化法、生化膜法、活性污泥与生化膜相结合的复合式工艺等。

3、研究影响处理效果与膜污染的因素、机理及数学模型，探求合适的操作条件与工梦参数，提高膜组件的处理能力和运行稳定性。

4、拓宽MBR的应用领域，MBR的研究对象从生活污水扩展到医院废水、高浓度有析废水(食品废水、啤酒废水)与难降解工业废水(石化废水、印染废水)等.

1.3.3国内外MBR在水处理领域的应用现状。

经过三十多年的发展，MBR已成为城市污水、工业废水处理和回用方面一种很有吸引力和竞争力的选择，目前，MBR研究和应用较多的是日本、北美(加拿大、美国等)、欧洲(英国、荷兰、法国、德国等)、韩国、中国和南非等，全世界投人运行或在建的MBR系已经超过2500套。

(1)在城市污水处理中的应用城市和生活污水是MBR在水处理中涉及较早的领域研究和应用都比较广泛。

1996年，欧洲率先启动采用MBR处理生活污水的工程应用。1998年，欧洲第一座型MBR城市污水处理厂--英国Porlock污水处理厂投入运行。2004年，位于德国Kaar市的Nordkanal污水处理厂投入运行，设计平均流量为4.5X10⁴m³/d，成为当时世界上行规模最大的MBR污水处理厂。同年，荷兰建造了处理能力为1.8X10⁴m³/d的Varsseeld污水处理厂，并从2003年开始投资建设处理能力为(6~24)X10⁴m³/d的MBR污水理厂，目前已投入运行。截止到2006年，欧洲已有100多座服务人口大于500万人的MBI城市污水处理厂投入运行。从1990~2005年，欧洲MBR城市污水处理厂的数量由几座增加到将近五百座，增长了近10倍。2007年左右，MBR在欧洲城市污水和工业废水处理中均以每年数十座的速度增长。

20世纪90年代中期之后，随着能耗低的浸没式MBR的出现，采用MBR工艺处理生活污水在北美地区迅速发展起来。截止到2005年，北美地区已有219个MBR城市污水理工程，其中17个处理规模>1X10⁴m³/d。目前世界上规模最大的MBR污水处理厂位于美国Washington地区的Brightwater污水处理厂，设计平均流量为11.7X10⁴m³/d于2010年投人运行。

在日本，已建成几百套的MBR污水处理设施，主要是用于小区污水的处理与回用。我国对MBR的应用研究起步相对较晚，但发展迅速，建成的密云污水处理厂再生水厂、内蒙古金桥污水处理厂、北小河污水处理厂等大型MBR污水处理工程相继投入运行。

(2)在工业废水处理中的应用与城市污水处理相比，MBR在工业废水处理中更具竞争力，如处理食品、水产加工、养殖、化妆品、染料、造纸、石油、化工等工业废水和垃圾渗滤液等难处理废水，均获得了良好的处理效果。不论在欧洲、亚洲还是北美，MBR在工业废水处理方面的增长速度都明显高于城市污水处理。

20世纪90年代初期，欧洲开始采用MBR处理工业废水，最早用于垃圾渗滤液的处理随着浸没式MBR的出现，MBR的应用范围逐渐扩展到医药、纺织、食品、造纸与纸浆炼油工业与化工厂等其他工业废水的处理中。在2002~2005年间，欧洲各国应用MBR处理工业废水的工程以每年50座的速度增加。截止到2006年，欧洲已有300多座处理能力大于20m³/d的工业废水处理工程投入运行，平均处理能力为180m³/d[6]

1991年，北美第一个分置式MBR工业废水处理系统在通用公司Mansfield工厂投入运行。随后，处理各种工业废水的MBR系统陆续在美国和加拿大投入运行。2004~2006年间，美国MBR市场的发展速度明显高于其他工业废水处理系统。截止到2005年，北美已建成39个MBR工业废水处理系统[6]。

东亚地区也是MBR极为重要的市场，中国、日本和韩国均有大量的MBR工程应用，自20世纪70年代以来，日本已建成了150余座MBR工业废水处理项目。截至2005年，韩国已有1400多个MBR处理装置[26]。在中国，MBR已经成功用于食品、石化、印染、啤酒、烟草等工业废水的处理，建设了数个10⁴m³/d级的MBR工业废水处理工程6]。表1-4列出了部分MBR在我国工业废水处理中的应用工程实例。

拓展：MBR膜的未来展望

对污水、废水进行有效处理及回用是解决水资源短缺问题，实现水资源开发与综合利用，达到“节能减排”目标的有效措施，具有显著的环境效益、经济效益和社会效益MBR技术的这些优点，决定了它在未来污水处理技术中的特殊地位。MBR在工程应用中取得了相当大的成绩，但要在应用中进一步提高竞争力和扩大市场份额，仍面临着诸多挑战主要体现在以下几个方面。

(1)新型膜材料和膜组件的开发不断改进膜与膜组件制备工艺技术，提升MBR膜与膜组件产品性能与质量、开发出寿命长、强度好、耐高温、抗污染、价格低的膜材料，对膜组件的结构、装填方式、装填密度、装填长度进行优化设计，提高膜组件的处理效率和寿命总之、膜和膜组件的研究应朝着各方面性能优、处理能力大、能耗低的方向发展。

(2)膜污染控制及清洗技术 借助分子生化学、显微可视化等方法深人研究膜污染机理，探索减缓和控制膜污染的发生与发展的方法，寻找有效的膜清洗技术，提高膜系统的运行效率，降低 MBR 运行能耗，延长膜的使用寿命。

(3)MBR新工艺的开发和应用拓展 开发新的MBR 工艺路线，拓宽 MBR 的应用领域，扩大 MBR 的处理规模，如针对高浓度工业废水和难降解废水的处理，开发出有效的厌氧 MBR 工艺。另外，对于新型化学物质 (EDCs、PPCP 等) 的去除、微污染水源水的净化、地下水的脱氮等难题以及 MBR 用于大规模工程项目中出现的新问题等，都是今后MBR 值得研究的方向。

(4)MBR膜组件的规范化和标准化 MBR 系统种类繁多、结构复杂，应对MBR系统的技术细节进行规范化和标准化，方便用户对产品的选择。另外，已有 MBR 污水处理项目中膜组件的更换，也需要对MBR的膜组件进行标准化设计。

(5)产、学、研相结合的膜产业链条的综合发展 MBR 的蓬勃发展，对膜产业链条的完整性提出了更高要求。高等院校、研究机构和公司组成完整的产业链条一一这一发展模式将更有市场竞争力，它将从膜组件材料研究到 MBR 的工程应用之间的各个环节，进行详细分工、严格监督，保证了产业链条的持续健康稳定发展。