膜生物反应器在水处理中的应用与新发展
2010-06-22 10:40 分类：行业论文 来源：谷腾水网
[关键词]膜生物反应器;废水处理;活性污泥;膜污染
20世纪60年代，美国学者最先将活性污泥工艺与膜分离技术结合并应用于废水处理中有机污染物的去除，膜生物反应器(membranebioreactor,MBR)}’}能够有效地延长污泥固体停留时间，增加污泥浓度，随即引起了水处理领域学者的广泛关注。现在，全世界已经有超过1000,个MBR在运行中，并且还有很多正在兴建当中。其中大部分在日本，其余的分散在北美及欧洲。98%以上的MBR系统为好氧系统，大约55%的MBR为一体式，而其余为分置式MBR系统。笔者拟通过对MBR的结构、功能以及近年来研究成果及存在问题的论述，为MBR在我国的广泛应用抛砖引玉。
1MBR分类、结构及其特点
根据膜组件在MBR中的作用可将MBR反应器分为三种类型:分离MBR、无泡曝气MBR和萃取MBR，其中又以分离MBR的应用最广〔3J。在分离MBR中，根据膜组件的设置位置，又可分为分置式和一体式两类。分置式MBR的膜组件设置在生物反应器外，两者通过回流泵及管线相连;一体式MBR的膜组件设置在生物反应器内。分置式MBR有利于膜的清洗与更换，但回流泵的高速旋转会影响微生物的活性;一体式MBR占地省，造价及运行成本低，膜污染缓慢，但膜的化学清洗困难,概括起来，MBR系统较之传统的活性污泥系统有以下五个特点:
(1)膜组件能够有效的分离悬浮固体，因此可以最大限度地将活性污泥截留在生物反应器内。传统活性污泥法的MLSS最高在5g/L左右，而MBR系统的MLSS最高可达到20g/L左右，从而可以带来比传统法更高的有机物去除率。
(2)传统法污泥浓度低，污泥产量高，剩余污泥的处置费用占到废水处理总成本的50%左右(S)oMBR系统在低F/M条件下运行，污泥产率远低于传统法，从而使剩余污泥的处置费用大幅度降低，进而降低废水的整体处理成本。
(3)污泥停留时间的大幅度延长，可使硝化及亚硝化菌等世代时间较长的微生物有效的保留在生物反应器内，从而使MBR系统具有比传统法更好的脱氮除磷的能力。
(4)由于膜生物反应器所需体积减小且无需设置二次沉淀池，MBR系统的占地面积较之传统法大大缩小，在一些土地使用紧张的地区较之传统法建设可行性高。
(5)与传统法比较，膜污染一直是MBR系统中一个难以克服的问题。它使膜的阻力增加，透水率逐渐下降，严重影响了MBR系统的处理效果，成为了限制MBR系统广泛应用的一个主要障碍。
2MBR系统在水处理中的应用及研究成果
2.1MBR系统对污染物的去除能力及控制条件
各国学者对MBR系统的研究发现，MBR系统对废水中的有机物、氮、磷等污染物都有良好的去除能力。D.D.Sun等使用一套浸没式的管状陶瓷膜生物反应器处理COD为2400mg/L的高浓度有机废水，在温度为25’:C,SRT为200d,HRT为1d，氧利用速率(SOUR，以MLVSS计)维持在100一200m岁(g-h)时，出水COD为40mg/L,COD去除率达到98.33%;当HRT分别延长到3d和6d，而SOUR降低到20-30mg/(g"h)时，此时生物净化过程已经受到严重破坏，但出水COD分别为175m岁L和150m岁L,COD去除率仍然高达92.71%和93.75%。经研究发现，当生物净化过程受到破坏时，管状陶瓷膜组件的过滤作用是维持高的COD去除率的重要原因。E.J.Hwang和D.D.Sun等研究了不同的污泥浓度和曝气强度下MBR过滤系统的最佳操作条件。在50kPa的压力下，污泥质量浓度为1400mg/L时，MBR系统的滤速为30L/(m2"h);当污泥质量浓度升高到2800mg/L和5600m酬L时，系统滤速分别下降到18L/(MZ.h)和10L/(m2-h)，可见要想获得高滤速，则必须降低污泥浓度。在压力为50kPa，污泥质量浓度为5600mg/L的条件下，将曝气强度从2L/min提高到4L/min，滤速从10L/(m2.h)提高到了13L/(m2"h)，显然高的曝气强度有利于滤速的提高。研究还发现，在高的污泥浓度下，当压力达到80kPa时，滤速达到临界值，此时提高压力滤速基本不变化;而在低的污泥浓度下，随着压力的提高，滤速则可以突破临界值。由此也可以看出，如果为了防止膜的污染而需要将滤速控制在临界值以下，仅仅依靠降低曝气强度是不够的，还必须提高污泥的浓度。
K.Kubin等研究了多段硝化MBR系统对有机物，特别是氮的去除规律。工艺流程如图1所示。
在进水NH,‘一N质量浓度平均为44.1mg/L时，出水的NH,+一N质量浓度在0.01mg/L左右，几乎不能被检出。研究发现，多段硝化的MBR系统氮的去除率略要好于一段硝化，而有内回流的MBR系统出水的NH,+一N质量浓度在0.07mg/L左右，去除率要低于没有内回流的MBR系统德国的C.Adam等研究了同时具有脱氮除磷能力的MBR系统对废水中氮、磷及有机物的去除规律，工艺流程如图2所示。运行稳定后的各项参数如下:
污泥龄为15d;回流比R，为100%,R:为400%;容积负荷为1.30k岁(m3-d);有机负荷为0.22k岁(kg"d);污泥产量为0.09kg/d。研究人员将该工艺与传统的活性污泥工艺作了对比:在进水COD,NH,+-N,P分别为998mg/L,41mg/L,10.5mg/L时，活性污泥法出水相应指标为56mg/L,2mg/L,0.22mg/L;而MBR系统出水相应指标为36mg/L,0.49mg/L,0.1mg/L，大大优于传统法。
Z.Ujang等研究了两段式间歇曝气MBR系统在不同的曝气频率下对有机物及氮、磷的去除效果。实验采用日本Yuasa集团生产的聚烯烃膜材料，孔径为0.2[Lm，运行稳定后，HRT为24h，污泥龄为25d，污泥质量浓度为2500-3800mg/L，内回流比为100%。实验通过间歇曝气在两段反应器内形成好氧一厌氧环境的循环交替，并在第二段反应器内放置膜组件进行分离，从而实现COD,氮、磷的同时去除。实验分别在三个不同的曝气周期下对比MBR系统对污染物的去除能力，试验数据见表1
由表1可见，不同的曝气周期对COD和氮的去除率基本无影响，而在第二段反应器中保持较长时间的厌氧状态则对磷的去除可以起到一定的积极作用nl}0
2.2MBR系统在处理实际废水中的应用
多年来，国内外许多学者成功的使用MBR系统处理了很多实际废水。沈树宝等使用仿生膜生物反应器处理高浓度有机农药废水，当进水COD。为650mgL时，出水COD,为100mgL，达到了国家污水综合排放一级标准(GB8978-1988),CODS去除率为80%以上，出水浊度小于10度，CN一小于0.5mg/L。仿生膜稳定膜通量为115.2L/(m2-h)，高于一般无机膜的膜通量，且不需清洗，运行费用低。冯久鸿采用MBR一BAF工艺处理采油污水，采油污水中污染物质、油、BODS,氨氮去除率能够达到约90%;膜生物反应器中COD容积负荷达到1.97kg/(m3-d)时，MBR一BAF系统COD平均去除率仍保持在70%以上。孙振龙等用一体式平片膜生物反应器处理抗生素废水，膜的截留作用使反应器活性污泥的质量浓度达15g/L,CODS去除率达到86%。
JaN.P.Dan等用酵母菌膜生物反应器处理高盐度废水，在NaCl质量浓度为32g/L的高盐度条件下，系统对COD为5000m酬L的高浓度废水中COD,BOD的去除率分别达到了76%和85%(151。荷兰从2000年1月开始，在Beverwijk污水处理厂将MBR技术大规模运用于城市污水处理的研究，第一阶段截止到2001年12月，处理水量为10m’/h;第二阶段截止到2003年12月，处理水量为750m3/h;目前第二阶段的研究工作已经成功完成，预期在2006年1月之前能够将处理能力为2500-10000m3/h的大规模MBR城市污水处理厂投人运行[(2)0
3膜污染及其对策
3.1膜污染成因
膜污染一般是指污水中的污染物(包括微粒、胶体粒子或溶质大分子)与膜表面存在物理化学或机械作用而引起的膜面上的沉淀与积累，以及膜孔内吸附造成的孔径变小或堵塞，使膜的透水阻力增加，妨碍了膜表面上的溶解与扩散，从而导致膜通量与分离特性的不可逆变化现象，广义的膜污染还包括由于浓差极化导致凝胶层形成的可逆变化现象〔16)0至今，膜污染的机理仍在进一步的研究中。剪切力导致污泥颗粒破碎(如污泥颗粒大小从95一200mm变为6一10mm)，同时也刺激了胞外物(Extra-cellularpolymericsubstance,EPS)的释放，这导致了水力阻力的增加，因此，污泥混合悬浮液中的胶体和可溶性物质是膜生物反应器膜污染的主要影响因素。但与上述结论相反，L.Defrance等认为悬浮物、胶体和可溶性物质占膜污染的比例分别是65%,30%和5%，也就是说，悬浮物和胶体是膜污染的主要影响因素〔")oT.Carroll和N.A.Booker认为中空纤维膜污染机理和速率与中空纤维膜丝的长度和直径有关，如膜丝的轴向特征在膜污染的初始阶段是关键影响因素，因此，他们调查了中空纤维膜丝长度对膜污染的影响，并建立了一个简单的模型[(IS)0
3.2膜污染控制对策
对膜污染的控制方法总的来说可分为污染前防治及污染后处理两大类，具体如下。
(1)选择热稳定性、强度、化学稳定性、耐污染性能、产水性能均好且使用寿命长、孔径适度(一般比要分离的污染物小一个数量级)的膜材料，另外还需考虑膜造价等经济性评价指标来确定。膜组件安装时应合理确定膜组件和曝气池墙体之间的距离、膜组件和空气扩散管之间的距离以及膜组件和反应器液面、空气扩散器和曝气池底之间的距离，以保证在一定曝气量下获得较高的液体上升速率，减少污泥层在膜表面的沉积，减缓膜污染。
(2)通过投加活性炭等方法来改善MLSS的可滤性，控制反应器中MLSS的浓度在适当水平，即可获产得高的生物量，又可改善过滤效果，防治膜污染。
污泥龄为15d;回流比R，为100%,R:为400%;容积负荷为1.30k岁(m3-d);有机负荷为0.22k岁(kg"d);污泥产量为0.09kg/d。研究人员将该工艺与传统的活性污泥工艺作了对比:在进水COD,NH,+-N,P分别为998mg/L,41mg/L,10.5mg/L时，活性污泥法出水相应指标为56mg/L,2mg/L,0.22mg/L;而MBR系统出水相应指标为36mg/L,0.49mg/L,0.1mg/L，大大优于传统法。
Z.Ujang等研究了两段式间歇曝气MBR系统在不同的曝气频率下对有机物及氮、磷的去除效果。实验采用日本Yuasa集团生产的聚烯烃膜材料，孔径为0.2[Lm，运行稳定后，HRT为24h，污泥龄为25d，污泥质量浓度为2500-3800mg/L，内回流比为100%。实验通过间歇曝气在两段反应器内形成好氧一厌氧环境的循环交替，并在第二段反应器内放置膜组件进行分离，从而实现COD,氮、磷的同时去除。实验分别在三个不同的曝气周期下对比MBR系统对污染物的去除能力，试验数据见表1
由表1可见，不同的曝气周期对COD和氮的去除率基本无影响，而在第二段反应器中保持较长时间的厌氧状态则对磷的去除可以起到一定的积极作用nl}0
2.2MBR系统在处理实际废水中的应用
多年来，国内外许多学者成功的使用MBR系统处理了很多实际废水。沈树宝等使用仿生膜生物反应器处理高浓度有机农药废水，当进水COD。为650mgL时，出水COD,为100mgL，达到了国家污水综合排放一级标准(GB8978-1988),CODS去除率为80%以上，出水浊度小于10度，CN一小于0.5mg/L。仿生膜稳定膜通量为115.2L/(m2-h)，高于一般无机膜的膜通量，且不需清洗，运行费用低。冯久鸿采用MBR一BAF工艺处理采油污水，采油污水中污染物质、油、BODS,氨氮去除率能够达到约90%;膜生物反应器中COD容积负荷达到1.97kg/(m3-d)时，MBR一BAF系统COD平均去除率仍保持在70%以上。孙振龙等用一体式平片膜生物反应器处理抗生素废水，膜的截留作用使反应器活性污泥的质量浓度达15g/L,CODS去除率达到86%。
JaN.P.Dan等用酵母菌膜生物反应器处理高盐度废水，在NaCl质量浓度为32g/L的高盐度条件下，系统对COD为5000m酬L的高浓度废水中COD,BOD的去除率分别达到了76%和85%(151。荷兰从2000年1月开始，在Beverwijk污水处理厂将MBR技术大规模运用于城市污水处理的研究，第一阶段截止到2001年12月，处理水量为10m’/h;第二阶段截止到2003年12月，处理水量为750m3/h;目前第二阶段的研究工作已经成功完成，预期在2006年1月之前能够将处理能力为2500-10000m3/h的大规模MBR城市污水处理厂投人运行[(2)0
3膜污染及其对策
3.1膜污染成因
膜污染一般是指污水中的污染物(包括微粒、胶体粒子或溶质大分子)与膜表面存在物理化学或机械作用而引起的膜面上的沉淀与积累，以及膜孔内吸附造成的孔径变小或堵塞，使膜的透水阻力增加，妨碍了膜表面上的溶解与扩散，从而导致膜通量与分离特性的不可逆变化现象，广义的膜污染还包括由于浓差极化导致凝胶层形成的可逆变化现象〔16)0至今，膜污染的机理仍在进一步的研究中。剪切力导致污泥颗粒破碎(如污泥颗粒大小从95一200mm变为6一10mm)，同时也刺激了胞外物(Extra-cellularpolymericsubstance,EPS)的释放，这导致了水力阻力的增加，因此，污泥混合悬浮液中的胶体和可溶性物质是膜生物反应器膜污染的主要影响因素。但与上述结论相反，L.Defrance等认为悬浮物、胶体和可溶性物质占膜污染的比例分别是65%,30%和5%，也就是说，悬浮物和胶体是膜污染的主要影响因素〔")oT.Carroll和N.A.Booker认为中空纤维膜污染机理和速率与中空纤维膜丝的长度和直径有关，如膜丝的轴向特征在膜污染的初始阶段是关键影响因素，因此，他们调查了中空纤维膜丝长度对膜污染的影响，并建立了一个简单的模型[(IS)0
3.2膜污染控制对策
对膜污染的控制方法总的来说可分为污染前防治及污染后处理两大类，具体如下。
(1)选择热稳定性、强度、化学稳定性、耐污染性能、产水性能均好且使用寿命长、孔径适度(一般比要分离的污染物小一个数量级)的膜材料，另外还需考虑膜造价等经济性评价指标来确定。膜组件安装时应合理确定膜组件和曝气池墙体之间的距离、膜组件和空气扩散管之间的距离以及膜组件和反应器液面、空气扩散器和曝气池底之间的距离，以保证在一定曝气量下获得较高的液体上升速率，减少污泥层在膜表面的沉积，减缓膜污染。
(2)通过投加活性炭等方法来改善MLSS的可滤性，控制反应器中MLSS的浓度在适当水平，即可获产得高的生物量，又可改善过滤效果，防治膜污染。
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