MBR 与MCR 处理微污染原水的效果
张光辉, 　郝爱玲, 　张　颖, 　顾　平
(天津大学环境科学与工程学院, 天津300072)
　　摘　要: 　比较了膜生物反应器(MBR) 和膜混凝反应器(MCR) 处理微污染地表水的效果,发现
两种反应器对浊度的去除效果类似,但MBR 对CODMn和氨氮的去除效果明显优于MCR ,在平均水
温较高及固定应用的情况下可优先选用;MCR 的出水水质比MBR 的稳定,且在低温( < 5 ℃) 条件
下仍有良好的处理效果,更适用于水温变化大且可能出现低温的情况。
　　关键词: 　微污染地表水; 　微滤; 　MBR ; 　MCR
中图分类号: TU99112 　　文献标识码: C 　　文章编号: 1000 - 4602(2004) 02 - 0047 - 04
　　基金项目: 天津市科委重点科技攻关计划项目(013105211)
　　微滤工艺因具有能耗低、出水水质稳定、易实现
自动控制等优点而受到广泛重视,基于微滤工艺研
究开发的反应器有两种: 膜生物反应器(membrane
bioreactor ,MBR) 和膜混凝反应器(membrane coagula2
tion reactor ,MCR) 。MBR 是传统活性污泥法和膜分
离技术的结合,而MCR 是混凝和膜分离技术的结
合。为了强化对水中污染物的去除,两种反应器中
都投加了粉末活性炭(PAC) [1 ] 。
采用中试规模的MBR 和MCR 处理微污染地表
水,在MBR 运转130 d 和MCR 运转70 d 的基础上,
比较了它们对浊度、有机物和氨氮的去除效果,并对
它们的应用条件提出了建议。
1 　试验部分
111 　工艺流程
MBR 和MCR 的工艺流程见图1 ,相应的工艺参
数见表1。
图1 　工艺流程
表1 　装置的工艺参数
反应器
设计流量
(L/ h)
HRT
(min) 气水比
膜面积
(m2)
泥龄
(d)
MBR 150 120 20∶1 15 30
MCR 500 52 15∶1 30
　　MBR 和MCR 均为间歇出水(其出水时间比是
0. 8) ,所用中空纤维膜组件的材质为聚偏氟乙烯
(PVDF) ,膜孔径为0. 22μm。
112 　原水水质及运行情况
原水水质及药剂投量见表2。
表2 　原水水质及药剂投量
反应器
水温
( ℃)
浊度
(NTU)
CODMn
(mg/ L)
pH
氨氮
(mg/ L)
FeCl3
(mg/ L)
PAC
(mg/ L)
MBR 9. 5～23. 0 3. 5～51. 6 9. 01～27. 26 7. 22～8. 63 2. 48～17. 79 10
MCR
第一阶段5. 2～17. 5 12. 5～36. 6 12. 82～26. 78 8. 00～9. 04 6. 76～9. 70 30 40
第二阶段1. 9～5. 7 12. 6～18. 2 12. 71～16. 54 8. 02～8. 33 7. 05～8. 69 120 80
　　MBR 共运行130 d (全天运行) ,原水属于《地表水环境质量标准》( GB 3838 —2002) 中的Ⅳ、Ⅴ类水

( CODMn = 6～15 mg/ L) 及劣Ⅴ类水( CODMn > 15 mg/
L) ;MCR 共运行70 d (5～7 h/ d) ,根据水温和药剂投
量的不同分为两个阶段,原水是Ⅴ类( CODMn = 10～
15 mg/ L) 及劣Ⅴ类水。
113 　分析项目及方法
浊度:GDS - 3B 光电式浊度仪;pH 值: PHS - 3C
型精密酸度计; UV254 、UV410 :紫外可见分光光度法;
NH3 - N :纳氏试剂分光光度法; CODMn :酸性高锰酸
钾法。
2 　结果与讨论
211 　对浊度的去除效果比较
降低浊度不仅可以满足感官性状要求,而且对
限制水中细菌、病毒和其他有害物质的含量也具有
重要意义。试验结果表明,MBR 和MCR 对浊度去
除效果良好,且不受原水水质、温度、药剂投量和微
生物活性的影响。MCR 的出水浊度都在0. 5 NTU
以下,MBR 的大部分(约占9812 %) 出水浊度低于
《生活饮用水卫生规范》(2001 年) 中规定的1. 0
NTU。MBR 个别时间的出水浊度高于1. 0 NTU 是由
膜丝破损造成的,但破损的膜丝会很快被PAC 及悬
浮固体等堵塞,所以后续出水的浊度随之恢复正常。
中空纤维膜的这种“自修复”功能可保证出水浊度稳
定。综上所述,MBR 和MCR 在浊度去除方面无显
著差别。
212 　对CODMn的去除效果比较
MBR 和MCR 对CODMn都有较高的去除率(见
表3) :无论原水是Ⅴ类水还是劣Ⅴ类水,MBR 出水
的CODMn值都达到了《生活饮用水卫生规范》(2001
年) 的要求( CODMn ≤3 mg/ L ,特殊情况下不超过5
mg/L) ;对MCR 而言,出水CODMn值基本可以达到
(原水为Ⅴ类水) 或接近饮用水的标准(原水为劣Ⅴ
类水) 。
表3 　对CODMn的去除效果比较
项　目MBR
MCR
第一阶段第二阶段
CODMn
(mg/ L)
进水15146 16107 14120
出水2152 6107 4137
CODMn去除率( %) 8218 6017 6910
　　由表3 可知,MBR 的出水CODMn值明显低于
MCR ,这说明微生物能够较彻底地分解反应器中的
大部分有机污染物,因而提高了对有机物的去除效
果。但是试验中也观察到MBR 的出水CODMn含量
波动较大,这是因为MBR 和MCR 去除有机物的机
理不同:MCR 依靠FeCl3 混凝、PAC 吸附和微滤来去
除原水中的有机物(微滤的功能是去除悬浮物、部分
胶体物质、铁盐絮凝体及饱和的PAC) ,其出水水质
主要取决于FeCl3 和PAC 的投量。而MBR 通过生
物降解、PAC 吸附和微滤来去除有机物(微滤的功能
是去除悬浮物、部分胶体物质、微生物及饱和的
PAC) ,由于PAC 的投量固定,故微滤和PAC 吸附对
有机物的去除效果比较稳定。但是微生物的活性受
原水温度、pH 值和溶解氧浓度等因素的影响,也即
MBR 的出水水质受微生物活性的影响较大,故其稳
定性不及MCR。
MBR 对CODMn 的平均去除率比MCR 高出
1318 %以上,具体原因为: ①MCR 中的FeCl3 混凝和
PAC 吸附之间存在抑制作用。一方面PAC 吸附Fe2
Cl3 的水解产物而导致其孔道被Fe (OH) 3 占据甚至
表面被包裹,使PAC 对有机物的吸附能力变差;另
一方面,部分Fe (OH) 3 被PAC 吸附而失去了混凝能
力。②MBR 中的生物处理与PAC 吸附之间存在相
互促进作用。生物处理对PAC 吸附具有促进作用:
一方面微生物容易氧化分解亲水性有机物,从而增
加了水中憎水性有机物的比例,使PAC 对有机物的
吸附效率提高;另一方面微生物能够将大分子有机
物分解为小分子有机物,这些小分子有机物更易被
PAC 吸附。PAC 吸附对生物处理的促进作用体现在
对可缓慢生物降解但不能被膜截留有机物的去除方
面:部分溶解性有机物被PAC 吸附后,其停留时间
就会从HRT 变成SRT ,增加了被微生物降解的机
会,因而提高了膜组合工艺的处理效率。
213 　对UV254的去除效果比较
UV254是反映非挥发性有机物(NPTOC) 、总三氯
甲烷生成可能性(TTHMFP) 及芳香族有机物含量的
水质参数[2 ] 。MBR 和MCR 对UV254均有明显的去除
效果(见表4) ,并且去除率高于CODMn ,由此可以推
知MBR 和MCR 对消毒副产物(DBPs) 的前体物有良
好的去除效果,这对减少加氯消毒工艺中的DBPs
含量、最大限度地保证饮用水的安全性具有重要的
意义。
　　MBR 对UV254的平均去除率比MCR 高1515 %
以上,但试验中MBR 的PAC 投量低于MCR ,由此可
以推知PAC 对去除UV254没有起关键作用,而生物
降解是造成去除差异的主要原因(MBR 中的微生物

能够部分降解UV254所代表的有机物) 。
表4 　MBR和MCR对UV254的去除效果比较
项　目MBR
MCR
第一阶段第二阶段
UV254
(cm- 1)
进水0. 329 0. 236 0. 214
出水0. 059 0. 088 0. 056
去除率( %) 8911 6118 7316
214 　对UV410的去除效果比较
UV410可代表具有较大共轭体系的有机化合物
(如地表水中的腐殖质) ,它与水中的色度有良好的
相关性。试验发现,MBR 和MCR 对UV410的去除率
都很高(MBR :99. 8 %;MCR :第一阶段为9412 % ,第
二阶段为9611 %) ,说明两工艺对色度及大分子有
机物的去除效果较佳。增大FeCl3 和PAC 投量对
UV410的去除率影响不大,说明UV410的去除与原水
水质、温度和药剂投量无关,因此可以推测出膜分离
对该指标所代表的有机物的去除起关键作用。原因
是UV410所代表的大分子有机物中的大部分能够被
微滤膜截留。
MBR 对UV410的平均去除率稍高于MCR ,这是
因为随着试验的进行,中空纤维膜表面逐渐形成了
滤饼层。与MCR 相比,MBR 的滤饼层厚度大、粘性
强,因此能截留数量更多、尺寸更小的有机物,延长
了有机物的停留时间,增加了它们被生物降解的机
会,所以MBR 对UV410的平均去除率比MCR 的高。
215 　对NH3 - N 的去除效果比较
MCR 中的混凝和PAC 吸附都不能有效去除
NH3 - N ,而且MCR 每天排空(不存在微生物的积
累) ,故理论上MCR 对NH3 - N 没有去除能力。但
试验中发现MCR 对NH3 - N 的去除率为516 % ,原
因可能是原水中含有少量硝化菌,当它进入MCR 后
会进行硝化反应,使得NH3 - N 得到部分去除。
MBR 的泥龄较长(30 d) ,并且反应器中溶解氧
充足,混合液的pH 为中性,这些都有利于硝化菌的
生长繁殖。该试验中原水的有机物浓度不高,故异
养菌不会大量繁殖而成为优势菌群,这时硝化菌和
异养菌不会产生明显的竞争,因而对有机物和氨氮
的去除基本保持稳定。MBR 的硝化效果极好,当原
水NH3 - N 平均浓度为8. 91 mg/ L 时出水NH3 - N
平均浓度为0. 23 mg/ L ,平均去除率高达9714 %。
216 　水温对处理效果影响的比较
采用生物法处理低温低浊水时效果往往较差,
有资料表明:当水温低于10 ℃时微生物的活性受到
强烈抑制,对CODMn的去除率很低[3、4 ] ;当水温低于
4 ℃时生物的硝化反应将停止[5 ] 。因此可推知低温
条件下MBR 对污染物的去除效果较差,故未对其进
行研究。
试验中MCR 采用强化混凝处理低温低浊水,结
果见表5。
表5 　强化混凝和正常混凝去除有机物的比较
项　目正常混凝强化混凝
水温( ℃) 5. 2～17. 5(10. 0) 1. 9～5. 7 (4. 1)
CODMn
(mg/ L)
进水12. 82～26. 78(16. 07) 12. 71～16. 54(14. 20)
出水5. 62～6. 97(6. 07) 4. 06～4. 68(4. 37)
CODMn去除率(%) 53. 2～76. 2(60. 7) 64. 0～75. 5(69. 0)
UV254
(cm- 1)
进水0. 199～0. 372(0. 236) 0. 200～0. 222(0. 214)
出水0. 059～0. 097(0. 088) 0. 044～0. 069(0. 056)
UV254去除率( %) 56. 5～80. 6(61. 8) 68. 8～79. 8(73. 6)
　注: 　括号内为各指标的平均值。
　　由表5 可知,与MBR 相比,低温时MCR 在适当
的强化措施下仍能正常工作并保持较高的污染物去
除率,其中强化混凝对有机物的去除率比正常混凝
的大约高10 %。这是因为增大FeCl3 投量提高了水
解速度,增加了Fe (OH) 3 的含量,使得脱稳胶体及
溶解性有机物的碰撞几率增加,而且Fe (OH) 3 絮体
在沉淀的同时可以网捕一些胶体和溶解性有机物及
腐殖酸或富里酸的聚合物,从而提高了对有机物的
去除率。另外,MCR 对UV254的去除率高于CODMn ,
说明强化混凝更容易去除DBPs 的前体物,与文献
[6 ]的结果相符,这对保证饮用水的卫生安全有重要
意义。
3 　结论
①　MBR 和MCR 对微污染地表水中的浊度和
有机物有良好的去除效果。当原水是Ⅴ类及劣Ⅴ类
水时,MBR 的出水水质可以满足《生活饮用水卫生
规范》(2001 年) 的要求,MCR 的出水水质基本可以
满足或接近饮用水标准。从技术角度来讲,单独或
联用MBR 和MCR 完全可以代替水厂的传统处理工
艺。
②　MBR 对氨氮的平均去除率高达9714 % ,在
平均水温较高、固定应用的情况下,可以优先选用
MBR。MCR 的出水水质比MBR 的稳定,且在低温条
件下仍有良好的处理效果,因而当水温变化大且可
能出现低温( < 5 ℃) 的情况下应首选MCR。
③　MBR 可降低出水的DBPs ,能保证饮用水卫

生、安全。
参考文献:
[1 ] 　Thomas Lebeau , Claire Lelièvre. Immersed membrane filtra2
tion for the production of drinking water : combination with
PAC for NOM and SOCs removal [J ] . Desalination ,1998 ,
117 (1～3) :219 - 231.
[2 ] 　蒋绍阶,刘宗源1UV254作为水处理中有机物控制指标
的意义[J ] . 重庆建筑大学学报,2002 ,24(2) :61 - 65.
[3 ] 　王占生,刘文君1 微污染水源饮用水处理[M] . 北京:中
国建筑工业出版社,1999.
[4 ] 　胡江泳,方振东,王占生1 低温低浊微污染水源水的生
物净化技术研究[J ] . 环境科学,1996 ,17(1) :54 - 56.
[5 ] 　郑兴灿,李亚新1 污水除磷脱氮技术[M] . 北京:中国建
筑工业出版社,1998.
[6 ] 　黄晓东,孙伟,庄汉平,等1 强化混凝处理微污染源水
[J ] . 中国给水排水,2002 ,18(12) :45 - 47.
MBR与MCR处理微污染原水的效果.pdf