膜-生物反應(yīng)器mbr在廢水處理中的應(yīng)用

在膜生物檢測器中，通常使用mf、uf或nf膜。這些膜組件由這些膜組成，并由生物裝置組成。根據(jù)膜組件在生物反應(yīng)器中功能作用的不同,可以將MBR分為三類,分別是膜-曝氣生物反應(yīng)器(MembraneAerationBioreactor,MABR)(無泡曝氣,用于高需氧量的廢水處理)、萃取膜生物反應(yīng)器(ExtractiveMembraneBioreactor,EMBR)(用于工業(yè)廢水中優(yōu)先污染物的萃取)、膜分離生物反應(yīng)器(BiomassSeparationMembraneBioreactor,BSMBR,簡稱MBR)(截留和分離固體)。其中,膜分離生物反應(yīng)器是應(yīng)用最廣泛的一種MBR類型。膜生物反應(yīng)器技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代的美國,美國的Dorroliver公司首先將MBR用于廢水處理的研究;日本1985年開始的“水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計(jì)劃”把MBR的研究在污水處理對象與規(guī)模方面都大大推進(jìn)了一步。我國對膜生物反應(yīng)器污水處理工藝的研究起步較晚,1991年岑運(yùn)華介紹了MBR在日本的研究現(xiàn)狀,從此MBR在水處理方面的應(yīng)用逐漸在我國開展了起來。1膜生物交換的科學(xué)研究1.1膜生物反應(yīng)器mbr膜生物反應(yīng)器技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代的美國。膜生物反應(yīng)器的研究與應(yīng)用可分為三個階段:第一階段(1966年～1980年):1966年,美國的Dorroliver公司首先將MBR用于廢水處理的研究;1968年,Smith等將好氧活性污泥法與超濾膜相結(jié)合的MBR用于處理城市污水;1969年Budd等的分離式MBR技術(shù)獲得了美國專利。20世紀(jì)70年代初期,好氧分離式MBR處理城市污水的試驗(yàn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大,同時,厭氧MBR研究也相繼開始進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究與中試規(guī)模的研究均取得了較滿意的結(jié)果。這一時期MBR的應(yīng)用由于受當(dāng)時膜生產(chǎn)技術(shù)的限制,直到20世紀(jì)70年代后期,大規(guī)模好氧膜生物反應(yīng)器才開始在北美應(yīng)用。第二階段(1980年～1995年):20世紀(jì)70年代末期,日本由于國土面積小,地面水體因徑流距離較短而導(dǎo)致其自凈能力差、生態(tài)系統(tǒng)脆弱、易受污染。MBR由于具有占地面積小和出水水質(zhì)優(yōu)良的優(yōu)勢,使其應(yīng)用有了很快的進(jìn)展。自1983年到1987年,日本有13家公司使用好氧MBR處理大樓廢水,經(jīng)處理后的水做中水回用,處理規(guī)模達(dá)50m3/d一250m3/d。日本1985年開始的“水綜合再生利用系統(tǒng)90年代計(jì)劃”把MBR的研究在污水處理對象與規(guī)模方面都大大推進(jìn)了一步。目前在日本運(yùn)行(包括在建)的膜生物反應(yīng)器占全球的66%。第三階段(1995年—至今):進(jìn)入20世紀(jì)90年代中后期,越來越多的歐洲國家將MBR用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。目前主要有四家大公司經(jīng)營MBR,它們分別是加拿大Zenon公司,日本MitsubishiRayon公司,法國sue-LDE/IDI公司和日本Kubota公司。Zenon、MitsubishiRayon和Kubota公司生產(chǎn)一體式聚合物中空纖維膜組件,而Suez-LDE/IDI生產(chǎn)分體式管式陶瓷膜組件。加拿大的Zenon公司首先推出了超濾管式膜生物反應(yīng)器,并將其應(yīng)用于城市污水處理。目前,大部分應(yīng)用于城市污水處理的MBR處理能力范圍為不大于378.5m3/d,但處理能力高378.5m3/d-1892.5m3/d的MBR數(shù)量在逐步增加。在膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用中,98%以上是好氧膜生物反應(yīng)器。其中55%以上是一體式膜生物反應(yīng)器。好氧膜生物反應(yīng)器主要是針對城市廢水及生活污水的處理,厭氧膜生物反應(yīng)器主要是針對高濃度有機(jī)廢水的處理。HRT(水力停留時間)、SRT(污泥齡)和污泥負(fù)荷對好氧膜生物反應(yīng)器去除城市和工業(yè)廢水的CODcr和BOD5影響不大,但污泥齡和污泥負(fù)荷對硝化效率有明顯的影響。好氧膜生物反應(yīng)器處理城市污水,曝氣分別占分體式和一體式MBR總能耗的20%～50%和80%～100%。污泥濃度、污泥負(fù)荷和水力停留時間對MBR的CODcr去除效果影響不明顯。污泥產(chǎn)率和污泥活性隨著污泥齡的降低而增加,但污泥降解污染物的能力不太受污泥齡變化的影響。同常規(guī)活性污泥法中的污泥相比,好氧膜生物反應(yīng)器中的污泥顆粒小,粘度高,泡沫多,結(jié)構(gòu)疏松,活性低,并且污泥的沉降和脫水性能差,在常規(guī)活性污泥法中較長的污泥齡有助于高一級微型動物(原生和后生動物)的產(chǎn)生,但現(xiàn)有的研究表明,當(dāng)膜生物反應(yīng)器長時間不排泥時,污泥中很少或沒有原后生動物出現(xiàn),遺憾的是至今并不清楚為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。采用熒光原位雜交(FISH,Fluorescentinsituhybridization)對膜生物反應(yīng)器中的污泥進(jìn)行分析,結(jié)果表明:膜生物反應(yīng)器中微生物群落含有的細(xì)菌細(xì)胞遠(yuǎn)少于常規(guī)活性污泥法,并且膜生物反應(yīng)器的低污泥產(chǎn)率來自于微生物的內(nèi)源呼吸而不是生物捕食[6,7,8,9,10,11,12,13]。1.2膜生物反應(yīng)器在生活污水深度處理中的應(yīng)用研究我國對膜生物反應(yīng)器污水處理工藝的研究起步較晚,對MBR的研究僅有十年,但發(fā)展十分迅速。1991年岑運(yùn)華介紹了MBR在日本的研究現(xiàn)狀,從此MBR在水處理方面的應(yīng)用逐漸在我國開展了起來。天津大學(xué)是國內(nèi)較早對MBR進(jìn)行研究的單位,1992年開展了用中空纖維膜進(jìn)行泥水分離技術(shù)的科學(xué)研究,楊造燕于1994年對MBR處理污水及回用進(jìn)行了研究,重點(diǎn)研究了MBR工藝設(shè)備,較好地解決了膜堵塞的問題,通過處理油墨廢水,檢驗(yàn)了MBR的性質(zhì),取得了可喜的成果。1993年我國多位學(xué)者證明了MBR處理生活污水并回用在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。在這些研究的基礎(chǔ)上,MBR在我國開始應(yīng)用并呈現(xiàn)良好的前景。清華大學(xué)邢傳宏、汪誠文等(1990一1997)進(jìn)行了平板超濾膜、管狀膜與活性污泥結(jié)合的膜生物反應(yīng)器處理生活污水和模擬廢水性能的研究。1997年中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究中心開始了穿流式MBR的研究工作,清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)等高校開展了分離式和一體式MBR的研究;MBR的研究對象從生活污水?dāng)U展到石化污水、高濃度有機(jī)廢水、食品廢水、啤酒廢水、港口污水、印染廢水;生物反應(yīng)器從活性污泥擴(kuò)展到接觸氧化法、生物膜法等工藝:生物處理流程從好氧發(fā)展到厭氧,并且對不同污水的處理效果、系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、操作條件的優(yōu)化進(jìn)行了研究。目前多處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段,工程應(yīng)用仍較少。研究主要集中在城市廢水及生活污水的回用,同時也開始涉及工業(yè)廢水處理研究,其中主要是高濃度有機(jī)廢水及難降解廢水韻研究,主要是采用膜生物反應(yīng)器處理巴西基酸生產(chǎn)廢水、造紙廢水、石抽化工污水、調(diào)味品廠高濃度有機(jī)廢水、中藥廢水。我國膜生物反應(yīng)器對城市廢水及生活污水的研究主要是探索不同生物處理工藝與膜分離單元的組合形式,生物處理工藝從活性污泥法擴(kuò)展到接觸氧化法、生物膜法、活性污泥法和生物膜相結(jié)合的復(fù)合式工藝。劉銳等在研究膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)活性污泥工藝進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),在運(yùn)行條件一致的情況下,膜生物反應(yīng)器有更強(qiáng)的去除能力。陳衛(wèi)文等研究膜生物反應(yīng)器對各分子質(zhì)量區(qū)間內(nèi)有機(jī)物的去除規(guī)律發(fā)現(xiàn),物理截留作用可完全截留粒徑>0.22μm的有機(jī)物,而活性污泥的降解作用以及膜表面濾餅層和凝膠層的共同作用可去除大部分0.22μm以下的有機(jī)物。張西旺等在研究一體式膜生物反應(yīng)器處理高氨氮小區(qū)生活污水的中試實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),通過增設(shè)泥水回流和缺氧區(qū)可將氨氮去除率從60%提高到95%以上。周建仁等在研究膜生物反應(yīng)器處理高濃度.生活污水的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在進(jìn)水CODcr為1250～13500mg/L時,去除率可高達(dá)94.1%—95.6%,BOD5的去除率可達(dá)98%以上。同時,國內(nèi)的學(xué)者也開始研究膜生物反應(yīng)器中運(yùn)行參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,主要為最佳水力停留時間、最佳排泥時間以及最佳反沖洗周期,并通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。2r-m2.1膜濃縮處理工藝-分置式mbr分置式膜生物反應(yīng)器如圖1所示,生物反應(yīng)器的混合液由泵增壓后進(jìn)入膜組件,在壓力作用下膜過濾液成為系統(tǒng)處理出水,活性污泥、大分子物質(zhì)等被膜截留,并回流到生物反應(yīng)器內(nèi)。最早使用的分置式MBR是雙泵循環(huán)系統(tǒng),如Cyde-Let工藝,而Zenon和GeneralMotors共同開發(fā)的zenoGem工藝則是單泵循環(huán)體系。分置式MBR通過料液循環(huán)錯流運(yùn)行,其特點(diǎn)是:運(yùn)行穩(wěn)定可靠,操作管理容易,易于膜的清洗、更換及增設(shè)。但為了減少污染物在膜面的沉積,由循環(huán)泵提高的料液流速很高,為此動力消耗較高。且循環(huán)泵產(chǎn)生的剪切力會造成微生物的活性受損。2.2膜不含水劑的mbr生物反應(yīng)器一體式膜生物反應(yīng)器如圖2所示,根據(jù)生物處理的工藝要求,有多種組合形式,常見的有兩種組成形式:第一種有兩個生物反應(yīng)器,其中一個為硝化池,另一個為反硝化池。膜組件浸沒于硝化反應(yīng)器中,兩池之間通過泵來更新要過濾的混合液。該組合的特點(diǎn)是:①可以提高配套(整裝)的膜和設(shè)備,便于舊系統(tǒng)的更新改造;②將膜浸沒池作為好氧區(qū),而生物反應(yīng)池作為缺氧區(qū),以實(shí)現(xiàn)硝化反硝化的目的;③便于將膜隔離進(jìn)行清洗。第二種組合非常簡單,直接將膜組件置于生物反應(yīng)器內(nèi),通過泵抽吸,得到過濾液。為減少膜面污染,延長運(yùn)行周期,一般泵的抽吸采取間斷運(yùn)行。一體式MBR在運(yùn)行時利用曝氣引起的氣液向上的剪切力來實(shí)現(xiàn)膜面的錯流效果,也有采用在一體式膜組件附近進(jìn)行葉輪攪拌和膜組件自身的旋轉(zhuǎn)(如轉(zhuǎn)盤式膜組件)來實(shí)現(xiàn)膜面錯流效應(yīng)。與分置式相比,一體式最大特點(diǎn)是運(yùn)行能耗低,但是在運(yùn)行穩(wěn)定性、操作管理方面和清洗更換上不及分置式。2.3復(fù)合式膜生物反應(yīng)器mbr工藝復(fù)合式膜生物反應(yīng)器如圖3所示,在形式上也屬于一體式膜生物反應(yīng)器,所不同的是在生物反應(yīng)器內(nèi)加裝填料,從而改變了膜生物反應(yīng)器的某些性狀,形成復(fù)合式膜生物反應(yīng)器。復(fù)合式膜生物反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定,在脫氮除磷方面具有優(yōu)勢。常用于MBR工藝的膜有微濾膜(MF)和超濾膜(UF)。目前,大多數(shù)的MBR工藝都采用0.1～0.4μm沒的膜孔徑,這對于以截留微生物絮體為主的活性污泥來說,完全可以達(dá)到目的。3.3膜生物反應(yīng)器mbr的研究重點(diǎn)隨著膜制備技術(shù)的進(jìn)步,MBR專用膜品種的開發(fā),膜質(zhì)量的提高和膜制造成本的降低,MBR的設(shè)備投資也會隨之降低,因此,MBR在水處理中的應(yīng)用范圍必將越來越廣。膜生物反應(yīng)器水處理技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用將成為生化水處理技術(shù)發(fā)展史上的又一次飛躍,在未來的水工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域占有重要的位置。今后MBR應(yīng)用可能獲得迅速發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域和方向如下:(1)應(yīng)用于高濃度、有毒、難降解工業(yè)污水的處理。如高濃度有機(jī)廢水是一種較普遍的點(diǎn)源污染,全國造紙、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行業(yè)每年高濃度有機(jī)物水的排放量很大,這類污水采用常規(guī)活性污泥法處理盡管有一定作用,但是出水水質(zhì)難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。而MBR在技術(shù)上的優(yōu)勢,決定了它可以對常規(guī)方法難以處理的污水進(jìn)行有效的處理,并且出水可以回用。(2)現(xiàn)有的城市污水處理廠的更新升級。特別是出水難以達(dá)標(biāo)或處理流量劇增而占地面積無法擴(kuò)大的情況。(3)應(yīng)用于有污水回用需求的地區(qū)和場所,如洗車業(yè)、賓館、流動公廁等充分發(fā)揮膜生物反應(yīng)器占地面積小、設(shè)備緊湊、自動控制、靈活方便的特點(diǎn)。(4)垃圾填埋滲濾液的處理及回用。(5)在小規(guī)模的污水處理廠的應(yīng)用,這由膜的價格所決定。(6)應(yīng)用于無排水管網(wǎng)系統(tǒng)的地區(qū),如小居民點(diǎn)、度假區(qū)、旅游風(fēng)景區(qū)等。膜生物反應(yīng)器未來的研究重點(diǎn)如下:(1)膜污染的機(jī)理及控制。如:污水中污染物成份(無機(jī)物、有機(jī)物、膠體物質(zhì)等)對膜過濾過程的影響;膜污染機(jī)理;膜的有機(jī)和生物污染模型的建立和研究;膜污染控制手段的試驗(yàn)和探討。(2)性能優(yōu)越的新型分離膜,尤其是耐污染膜的開發(fā)研制:新型膜組件的開發(fā)研制。(3)膜生物反應(yīng)器工藝流程形式及運(yùn)行條件的優(yōu)化。如:加強(qiáng)反硝化作用以提高氮的去除率;同時硝化反硝化和短程硝化現(xiàn)象及控制因素的研究;能耗的降低措施