隨著污水處理廠規模的不斷擴大以及其在再生水市場的強大適用性，膜生物反應器（MBR）的市場正在逐漸壯大。 GWI將在本文中探討MBR技術的未來發展以及全球幾大MBR水廠的技術案例。
令人驚訝的是，MBR市場還沒有發展到幾年前預期的效果。 比起那些相類似的處理系統（比如具有二沉池的傳統活性污泥法），MBR具有許多優點，包括：較小的占地面積，較高的停留時間和較好的出水水質。近年來，該技術的市場穩步增長（預計平均每年有個位數增長率），但這些也許還沒有完全反映該系統的優點，現在這個市場正開始加速發展。

隨著污水處理廠的規模越來越大和MBR對于快速增長的再生水市場的適用性，使得該技術被更廣泛的接受。MBR通常會遇到的能耗大和膜污染的問題正在通過新的解決方案來得以解決，使得該技術的前景更加光明。此外，隨著陶瓷膜越來越具有價格競爭力，它們開始被更多地應用到MBR系統中，由于它們能適應高強度的化學清潔，因此可以解決膜污染和堵塞的問題。在不久的將來，MBR在污水處理市場中的份額將不斷增加。

MBR市場中應用的膜分為以下三種結構：中空纖維、平板膜和管式膜，后者不太常見。通常還可以選擇是否要將膜組件浸沒在生物反應器中，還是將其安裝在側流上，其中管式膜組件位于反應器外部（見圖）。中空纖維和平板膜具有各自的優缺點：例如，中空纖維通常需要較少的曝氣能量，而平板膜通常不易受到纖維材料堵塞的困惑。平板膜技術已經從傳統的板式和框架式，發展更進一步了。例如，在德國公司Microdyn Nadir的系統中，膜和襯墊材料彼此連在一起，這意味著系統有點類似中空纖維，是可以反沖洗。Fibracast （Anaergia的一部分）和QUA也都有無框設計的平板膜。
傳統的想法是，從成本和空間效率的角度來看，中空纖維更適用于大型項目，但是最近人們對此看法稍有改變。系統集成商Ovivo已經在美國最大的MBR污水處理廠（位于俄亥俄州坎頓，平均每日處理量為159,000m/ d），使用久保田的平板膜。這被認為是平板膜的關鍵性突破。“對于超過10MGD （37,850m/ d）的污水處理廠，過去人們只討論使用哪種中空纖維，但現在人們也開始考慮到平板膜等等”，Ovivo MBR系統主管DennisLivingston告訴GWI。
處理規模越來越大的MBR污水處理廠已經成為趨勢。 2018年，GE Water將在瑞典斯德哥爾摩的Henriksdal污水處理廠調試世界上最大的MBR設備（2020年中，新加坡Tuas污水處理廠上線后才會取代其世界第一的位置）。每天高峰的水處理能力為864,000立方米/日，這使正處于開始營運階段的、目前為止全球最大污水處理廠（法國Achères，357,000m/ d）相形見絀。該技術在過去二十年中得到了成功的證明，因此近年來MBR污水處理廠的規模變得越來越大。GE于2002年推出了Zee-Weed 500D膜，至今為止，其MBR污水處理廠中使用的大多數膜仍然運行良好。 “我們的產品已經擁有了超過12年的生命，這幫助我們開啟了大型MBR的市場，”GE Water產品管理執行官Glenn Vicevic告訴GWI。該公司最近贏得了深圳市羅芳污水處理廠升級改造的合同，這將使其成為中國最大的MBR污水處理廠，處理能力為400,000m3 / d。
再生水的有利地位
MBR將成為再生水的技術選擇嗎？ 經MBR處理后的污水中總懸浮固體含量非常低，并且水質適合于之后的RO處理，使得該技術非常適用于再生水處理。 GE Water大力倡導將MBR用于再生水補充間接飲用水和直接飲用水。“這是一個有多重屏障保護的方法，比一個擁有傳統活性污泥以及超濾膜的污水處理廠更加便宜，”Vicevic告訴GWI。“MBR系統更小也更可靠。”

經MBR處理后的出水水質好到可以用于娛樂目的，例如高爾夫球場；然而，由于公共健康衛生的需要，總是需要采用消毒作為額外的處理。Livingstion說：“現在有很多數據顯示對于消毒的要求變少了...在某些情況下，其實不需要額外的消毒，但由于監管目的還是照做了。”

“它具有非常大的表面積，因此我們看到它可以通過絮凝物吸附或者膜來去除病原體和細菌。”Vicevic補充說道。

MBR面臨的一個問題是，盡管它在處理過程中顯示出優于傳統活性污泥法和二沉池組合的優點，但該技術目前沒有被廣泛接受的對數去除率（LRV）的驗證指南。 LRV表征處理過程中去除諸如病毒、細菌之類的微生物的能力，比如說LRV為2就意味著99％的去除率，LRV為3等效于99.9％的去除率等等。

在加利福尼亞州，土地成本和能源成本使得人們傾向于考慮MBR；然而，它們在再生水方面的適用性目前遇到了阻礙，這是因為它缺乏其它技術所具有的LRV值（比如，對于隱孢子蟲和賈第蟲屬，超濾的LRV為4，而高級氧化的則為6）,這使得其不能滿足間接飲用水和直接飲用水的相關法規要求。加利福尼亞州有一個“12 1010規則”，水中的病原體必須去除到一定水平，這樣得到的水才會被認為適合人類消費或者用于其他用途。病毒的對數去除率必須達到12，而對于賈第蟲和隱孢子蟲的LRV值是10。

目前正在研究MBR的LRV值，這在加利福尼亞州和澳大利亞最為顯著。澳大利亞的WaterVAL計劃（由澳大利亞水回收中心監管）在2017年2月公布了一份議定書，為MBR的驗證提供指導。無論MBR的LRV值是多少，許多人擔心這一數據也會有一定不公正性。 “LRV將低估MBR系統的表現，因為MBR可能在膜里破壞了微生物但對其質量沒有影響; MBR膜孔被生物質堵塞，然后又會通過吸附來帶出病原體。“Vicevic說。

不斷增長的全球再生水市場（GWI即將推出的脫鹽和回用水報告將會有詳細介紹）將為MBR提供非常多的機會。MBR已經是中國市場的一個主要趨勢。 “在過去十年中，MBR已經在中國的許多水處理廠中（尤其是北方地區）得到應用，其中的一大應用就是再生水，”碧水源副總經理劉安波說。然而，目前，MBR在間接飲用水領域有更好的前景。 “現在補充直接飲用水的做法越來越少了，反倒是間接飲用水的市場在不斷上升，這其中都能應用到MBR。”Ovivo的Livingston說道。

標準化與變化之間的沖突

這個行業中正在出現標準化，這意味著將看到和超濾以及微濾市場中相類似的技術融合。最明顯的例子是H2O Innovation公司在2016年推出的FlexMBR產品。提高標準化水平的主要優點是避免了固定的供應商，這意味著可以通過招標來進行膜件的更換。 MBR市場的標準化會比超濾以及微濾市場更加困難，但是H2O Innovation的污水項目總監Fraser Kent向GWI解釋了該公司作為開源供應商的意義在于需要熟悉每個供應商的產品，并可以在相同的條件下進行測試。

“我們對所有產品及其不同的運營條件進行了實際分析：每平方英尺區域的空氣量、循環時間、所使用的MLSS值（混合液懸浮固體濃度）、流量范圍等，”Kent告訴GWI。 “這使得我們能夠定義一個能夠適用于絕大多數產品的運營條件。這只是一個設計支持系統的問題，也是最重要的事情。我們也有來自這些MBR公司的工作人員，如GE、Ovivo、Evoqua、newterra和Fibracast。這給我們帶來了許多優勢。”

然而，一些自身擁有膜產品的系統供應商并不能從中看到很多好處。“我不知道客戶是如何通過降低系統的難度以獲得最不理想的操作條件而獲利的，在這個條件下你可以支持任何數量的系統，”Vicevic說。除了flexMBR，技術融合已經出現，這是因為很多公司都瞄準改造更新市場。 “每個人都按照外形尺寸復制了ZeeWeed 500D，因此市場上已經有了競爭激烈的替代品。”Vicevic說。 GE為設備更換市場做好了充分準備，在未來幾年內這一市場將會非常繁榮，因為許多系統已經運行了10多年。該公司的ZeeBlok系統是一個“通用構件”，使用了與ZeeWeed 500D產品相同的纖維，據Vicevic說它幾乎可以安裝在幾乎任何結構中。 “擁有了ZeeBlok的概念后，我們不再局限于單一的外形尺寸因素，現在我們幾乎可以在任何應用中使用ZeeWeed 500膜。我們使用ZeeBlok產品來升級大約六個競爭對手的MBR系統，“他透露道。

為了進一步改進技術，許多MBR供應商繼續嘗試尋找增加膜通量的方法：增加通量可以減少膜元件的數量和空氣沖洗的能量需求；但是系統中也有最大通量的限制，這是因為膜元件會遇到負載問題。因此，尋求更高能效的解決方案給傳統的MBR技術帶來了幾個變化。其中之一是旋轉膜系統，Huber（使用Microdyn Nadir膜材料）和Grundfos（格蘭富） Biobooster已經開發。 Huber的旋轉空氣增壓系統使得梯形膜片圍繞中央空氣分配器緩慢旋轉。其想法是，當膜片旋轉的時候，其空氣只需要供應到靜態系統所需深度的一半，從而節省能量。

同時，格蘭富Biobooster在濾池和曝氣膜盤之間使用貫流葉輪來旋轉膜片。格蘭富Biobooster行業總監Soren Bak回憶說：“這一設計的最初原因是我們一直在努力開發一個可以在非常高的生物質水平下運行的強大系統。 Bak解釋說，當膜旋轉的時候，在其表面會產生動力粘度，這意味著進入系統的能量會直接在表面轉化。 Bak告訴GWI， “當我和研究水力的研究員討論時，他們告訴我不應該移動液體，而應當是移動膜。”

有關能量效率問題的另一種解決方案是通過管狀膜內的螺旋纏繞脊將湍流帶到膜內壁上。Pentair X-Flow在2015年推出了Helix*（螺旋）技術，并用于其側流Airlift MBR產品，以幫助去除會影響膜滲透性的濾餅層。這意味著需要更低的錯流速度，從而降低能耗。

三菱電機開發了一種利用臭氧水溶液來清潔膜的系統，以更好地保持膜的滲透性。比起其他化學品，臭氧可以更有效地去除膜中的有機物質，三菱電機認為這也可以減少空氣沖洗的量。三菱電機高級經理Satoshi Awata告訴GWI：“通過用臭氧水溶液清洗膜，Eco-MBR可以顯著增加膜過濾器表面積的水通量。到目前為止，我們實驗室的測試表明，Eco-MBR能夠達到超過傳統MBR兩倍的通量。”

AsahiKasei正在為該過程提供耐臭氧膜，目前正由Sembcorp在其工業實驗室以及在PUB的樟宜再生水廠進行測試。耐臭氧膜很重要，因為PVDF易受臭氧降解。膜方面的獨立咨詢師Graeme Pearce告訴GWI，“他們可能不得不依賴具有如此高需氧量的固體，以在破壞聚合物之前先破壞臭氧。”

陶瓷膜的曙光？

傳統說來，陶瓷膜在MBR（以及標準的UF / MF設備；在未來的GWI市場分析中也將會研究陶瓷膜）中使用成本高昂。現在這一點開始有所改變。迄今為止對于MBR而言，陶瓷膜的應用已經減少到只處理特別具有挑戰性的、高溫或高濃度的工業廢水。西班牙公司Likuid在化學品和食品飲料行業的高難度廢水處理中的多管膜已取得重大成功。然而，近年來用于MBR的商業化陶瓷平板膜供應商的出現正在挑戰聚合物膜的現狀。

陶瓷膜的主要突破出現在2016年。當時Meiden（日本明電舍）對新加坡樟宜水再生水廠進行改造，使用了15,000m/ d的陶瓷膜MBR。這使得PUB要求Tuas再生水廠日均800,000m3 / d流量的MBR裝置中至少安裝150,000m 3 /d的陶瓷膜。該水廠的其余部分預計將于2025年上線，剩下的這部分將對陶瓷膜和聚合物膜開放。

市場對他們做了什么？“從機械磨損角度和滲透性角度來看，產品的壽命將變得很重要，”Kent建議，“陶瓷膜正在叩開市場的大門，即使在某些情況下，它們的價格是其他膜片的三倍，但它們的壽命是其兩倍。”

陶瓷膜可以破解其他聚合物膜面臨的膜孔堵塞問題。Pearce告訴GWI：“使用陶瓷MBR，你不太可能遇到相同的膜孔堵塞問題，因為你可以放心沖洗膜元件，而不必擔心會損壞系統。”

陶瓷膜可以改變市場格局的另一點在于其突破混合液懸浮固體濃度（MLSS）的傳統技術限制。工程師們發現過高的MLSS濃度是令人討厭的，過去的重點是限制MLSS（其與小氣泡擴散器的效率有關），“我們一直關注于濃縮氧氣和允許更高固體濃度應用的不同技術，”Ovivo的Livingston告訴GWI，“我們正在研究陶瓷膜與濃縮氧的結合，因為那樣你就可以意識到MBR在生物處理方面的全部潛力，MBR不僅僅是一個過濾裝置，你可以看到它真正的廢水處理能力。”Ovivo希望可以挑戰下將90-100mg / L / h的常規攝氧量升高至300mg / L / h。

由于意識到由金屬氧化物（例如氧化鋁或氧化鋯）制成的陶瓷膜的成本往往仍然高得令人望而卻步，歐盟資助的再生膜生物反應器項目正在探索將農業和工業廢物與耐火粘土（煅燒粘土）結合使用，以降低陶瓷膜的成本。該MBR系統將于2017年開始在西班牙穆爾西亞地區的Aledo污水處理廠開始測試。

厭氧MBR

圍繞厭氧MBR（AnMBR）的炒作（特別是圍繞城市污水中的潛在應用）已經有一段時間，。然而，MBR技術并不適用于這類污水條件，這主要是因為這類污水水溫太低而且被大量稀釋了。因此，迄今為止，AnMBR的應用僅限于諸如食品和飲料行業的高難度廢水、棕櫚油廠廢水等，日本久保田在棕櫚油廠就有安裝該類設備。然而，來自新加坡的興趣引領了對主流城市污水處理的廣泛測試。 “我最初對（主流城市污水）不感興趣，”GE的Vicevic承認道。 GE Water剛剛與PUB一起完成了AnMBR技術為期一年的演示，并聲稱取得了令人鼓舞的成果。“人們會驚訝于你可以開發一個能源平衡的、在其主流處理中擁有AnMBR技術的污水處理廠（盡管其污水濃度很低），”Vicevic說道。雖然厭氧技術不需要使用和有氧技術一樣多的能量，但它們不能除去氨，因此不能滿足排放要求。然而，如果是再生水的話，可能就是另外一個故事了。 “在新加坡缺乏生物除氨的工藝不是一個問題，新加坡會使用RO深度處理來去除氨，因此人們可以放心地使用再生水。”Vicevic告訴GWI。盡管AnMBR有望在不久的將來應用于主流污水處理，但仍存在不確定性。陶瓷膜也已經進入厭氧MBR市場中，有著其在有氧系統中一樣的強度。 Likuid首席執行官Javier Lopetegui表示：“厭氧陶瓷膜MBR可能成為處理高濃度廢水的一個有趣選擇，它同時也可以處理高濃度的油、油脂、懸浮固體和其他組分的廢水，通常上流式厭氧污泥反應器（UASB）或顆粒污泥技術較難很好地處理這類污水。”

未來發展

MBR的前景仍然十分光明，大型的污水處理廠中存在許多商機而小型的水廠也充滿潛力，尤其是在中國。作為中國環境保護計劃的一部分，中國市場正在朝農村地區發展。過去十年，中國大城市的MBR污水處理廠大幅增加。這些項目主要是由北京碧水源開發，它是項目的開發商以及MBR技術的供應商。除了其在大型項目中的實力外，碧水源正在開拓農村市場，該市場中需要更小的系統。“碧水源研發了分散式MBR系統，因為我們看到市場正在向農村地區轉移，”劉安波對GWI說道。

格蘭富Biobooster也在分散式MBR領域發揮著作用，它主要針對較小的社區，例如醫院、食品和飲料部門。它比較關注北歐國家，Henriksdal污水處理廠的存在意味著格蘭富有望可以將設備添加到其現有的四個設施中去。 “GE在斯德哥爾摩的污水處理廠使得顧問們意識到MBR在瑞典和芬蘭是一個可行的選擇。”他說道。

除了再生水，對于空間受限的污水處理廠施加更嚴格的營養物質排放限制也將有助于推動MBR市場。 Kent告訴GWI：“我們開始關注這些總氮限制，因為這些限制使得MBR極具優勢。MBR的停留時間長，占地面積小，硝化也不是問題。”它們還可以應用于微量污染物去除（這一應用中傳統想法正朝高級氧化技術轉變）。 GE公司采用了MACmbr產品用以去除德國和瑞士某些污水處理廠中的微量污染物并取得了非常不錯的成效：這是一種具有特定載體的MBR，能夠去除煉油行業中的某些有機物。 Microdyn Nadir也在進行相關測試。

在將技術提高到更具競爭力的水平方面，市場上的供應商一直在考慮能耗問題，這關乎MBR的關鍵運營成本，Pearce說它曾經也是一個“非常耗能的過程”。他接著說道：“我們正在接近能源優化的漸近線，”他告訴GWI，“與傳統活性污泥相比，空氣沖洗的能量損失變得非常小。”

Pearce認為，可以對MBR系統進行的最大改進是增加它們的抗堵塞能力，同時提高它們的可操作性，這仍然是相對復雜的。重點也可以放在降低其他關鍵操作的成本上：比如膜元件替換。Livingston說道：“使MBR系統和膜元件在壽命方面追趕上澄清器將是一個進步。”

與此同時，電場耦合MBR強化膜因為能夠有效減少膜污染而正不斷引起關注。阿聯酋馬斯達爾研究所的研究人員正在進行的研究表明，在MBR中應用電化學過程可以代替對膜的物理和化學清潔，這是因為電化學過程后有較少的生物質會積累在其表面。關于膜的抗污涂料也正在研究中。