膜生物反應(yīng)器的研究與應(yīng)用

膜生物檢測器（pmr）是一個發(fā)展迅速的廢水處理裝置。這是一種將高效膜分離技術(shù)與生物檢測器的生物降解功能相結(jié)合的新系統(tǒng)。它用膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥中的二沉池來分離泥水。MBR最先用于微生物發(fā)酵工業(yè),20世紀(jì)60年代美國將其應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域,進入21世紀(jì),國內(nèi)外對膜生物反應(yīng)器的研究有了較大的進展,逐漸進入中試和生產(chǎn)性應(yīng)用階段。1生物反應(yīng)器膜組件(1)按膜材料分為有機膜和無機膜。有機膜材料有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚砜膜(PS)、聚酰胺(PA)等,價格較便宜,但易污損;無機膜有陶瓷膜等,使用壽命長,且能在惡劣的環(huán)境下工作,但價格較貴。(2)按生物反應(yīng)器需氧性分為好氧性MBR(主要處理城市廢水和生活污水)和厭氧性MBR(主要處理高濃度有機廢水)。(3)按膜組件類型分為管式、板式、卷式和中空纖維MBR。(4)按膜組件在MBR中所起作用不同分為膜分離MBR(用于固體的分離與截留)、曝氣式MBR(無泡曝氣,適于高需氧量的廢水處理)、萃取式MBR(用于工業(yè)廢水中優(yōu)先污染物的萃取)。其中,膜分離MBR應(yīng)用最為廣泛。(5)按膜組件與生物反應(yīng)器的相對位置分為分置式(又稱錯流式)MBR和一體式(又稱浸沒式)MBR,其中55%以上應(yīng)用一體式MBR。分置式MBR工藝流程見圖1。生物反應(yīng)器的混合液由泵增壓后進入膜組件,在壓力作用下膜透過液作為系統(tǒng)處理出水,活性污泥、大分子物質(zhì)等被膜截留,并回流至反應(yīng)器內(nèi)。分置式MBR通過循環(huán)泵使料液循環(huán)錯流運行。運行穩(wěn)定可靠,操作方便,膜組件易于清洗、更換以及增設(shè)。其不足之處在于料液循環(huán)流速很高(3m/s~6m/s),為此動力消耗較大,且循環(huán)泵產(chǎn)生的剪切力會造成微生物的活性受損,影響其生物處理效果。一體式MBR的兩種組合形式見圖2。膜組件直接置于生物反應(yīng)器內(nèi),通過真空泵的負(fù)壓抽吸得到過濾液,活性污泥、大分子物質(zhì)等被膜截留在反應(yīng)器內(nèi)。好氧MBR的曝氣器設(shè)置在膜的正下方,曝氣產(chǎn)生的氣泡帶動料液向上流動,在膜表面形成剪切力從而迫使膠體顆粒離開膜表面,降低膜污染。也可在膜組件附近進行葉輪攪拌,依靠其自身的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)膜面錯流效應(yīng)。根據(jù)生物處理工藝要求,可將一體式MBR分為兩種組合形式:第一種組合曝氣池由硝化池和反硝化池組成,膜組件浸沒于硝化反應(yīng)器內(nèi),兩池之間要過濾的混合液通過泵來更新。將膜浸沒池作為好氧區(qū),另一個池作為缺氧區(qū),從而達到硝化反硝化的目的。該組合可以提供配套的膜和設(shè)備,易于膜的隔離和清洗。第二種組合較為簡單,將膜組件直接置于生物反應(yīng)器內(nèi),通過真空泵的負(fù)壓抽吸得到過濾液,活性污泥、大分子物質(zhì)等被膜截留在反應(yīng)器內(nèi)。為減少膜面污染,一般泵的抽吸采取間斷運行。該組合脫氮功能不及第一種。與分置式MBR相比,一體式MBR最大特點是工藝簡單、運行費用低,能耗約為分置式的1/10。但其運行穩(wěn)定性、操作管理及膜的清洗更換上不及分置式。2mbr的特點與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比,MBR具有以下優(yōu)勢:(1)固液分離率高,出水水質(zhì)好?；旌弦褐械奈⑸锖蛷U水中懸浮物以及蛋白質(zhì)等大分子有機物不能透過膜,使泥水得到很好的分離,故出水中SS濃度低,有機物去除率高,還可去除細(xì)菌、病毒等。(2)膜的過濾作用可使微生物完全截留在生物反應(yīng)器內(nèi),實現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時間(HRT)和固體停留時間(SRT)完全分離,使反應(yīng)器內(nèi)保持較高的MLSS,使運行更加穩(wěn)定、控制更加靈活。(3)耐沖擊負(fù)荷。由于反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度高,在負(fù)荷波動較大的情況下,系統(tǒng)的去除效果變化也不大,處理的水質(zhì)穩(wěn)定。(4)系統(tǒng)硝化效率較常規(guī)的生物反應(yīng)器有所提高。這是由于污泥停留時間較長(一般控制在15~45天),有利于增殖緩慢的微生物(如固氮菌、硝化菌)以及難降解有機物分解菌的截留、生長和繁殖。(5)污泥產(chǎn)生量少。膜分離使污水中的大分子難降解成分在體積有限的生物反應(yīng)器內(nèi)有足夠的停留時間,大大提高了難降解有機物的降解效率。反應(yīng)器在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷、長泥齡下運行,可以實現(xiàn)基本無污泥排放。(6)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,運行靈活穩(wěn)定,容易操作和實現(xiàn)自動化。但MBR也存在一些缺點,如膜污染問題,目前尚沒有有效的膜清洗技術(shù),膜制造成本偏高以及能耗高。這些問題極大地低限制了膜生物反應(yīng)器在實際工程中的應(yīng)用。3水污水處理的實用性自20世紀(jì)60年代以來,各國對MBR投入大量精力,大大提高了其在水污水處理領(lǐng)域的實用性。目前MBR應(yīng)用較多的是日本,英、美、法等國也逐漸開始使用。3.1生活污水生物反應(yīng)器處理MBR應(yīng)用于生活污水的處理研究得比較多,已經(jīng)有了很多較成熟的經(jīng)驗。Chiemchaisri分別采用板式和中空纖維MBR工藝處理城市生活污水,HRT為24h,當(dāng)進水COD為60mg/L~490mg/L時,其去除率分別為大于93%和80%~98%。Ueda等采用中空纖維抽吸式聚乙烯MBR處理鄉(xiāng)村生活污水,膜通量為121L/(m2/h),HRT為13h~16h,當(dāng)進水BOD5為133mg/L±58mg/L、進水SS為132mg/L±68mg/L、總氮為32mg/L±19mg/L、總磷為3.8mg/L±3.0mg/L時,去除率分別為99%,99%,83%,70%。1997年,邢傳宏等進行無機膜—生物反應(yīng)器處理生活污水試驗研究。結(jié)果表明,當(dāng)HRT為5h、膜通量為75L/(m2/h)~150L/(m2/h),膜面流速為4m/s,SRT為5天、15天、30天時,分別經(jīng)過10天、16天、14天運行,生物反應(yīng)器中MLSS達到穩(wěn)定值3.1g/L,10.7g/L,17.3g/L。對COD、氨氮和濁度的去除率分別超過96%,95%,98%,對SS和E.coli的去除率則達到100%,試驗出水水質(zhì)優(yōu)于建設(shè)部生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)CJ2511289的指標(biāo)。3.2膜法處理工藝對cod的去除效果1999年何義亮等采用由完全混合的厭氧生物反應(yīng)器和板框式超濾膜組件構(gòu)成的厭氧MBR對高濃度食品廢水進行處理,廢水主要來源為面粉壓濾出水、洗肉水、蔬菜汁、器具清洗水等,有機物主要來自前3種水,試驗也主要取這3種水配制。膜組件裝填面積為0.64m2,膜材質(zhì)為聚醚砜(PES),膜截留分子量為20000,HRT對厭氧MBR的處理效果有重要影響,應(yīng)大于50h。結(jié)果表明,COD負(fù)荷在2kg/(m3·d)~3kg/(m3·d)時,膜出水COD去除率可達80%~90%;當(dāng)COD負(fù)荷超過4.5kg/(m3·d)時,混合液VFA出現(xiàn)積累,COD去除率下降至70%。對SS、色度及細(xì)菌的去除率分別可達100%,98%和99.9%。3.3日本mbr工藝處理的結(jié)果糞便污水中含有較高的COD,N,P和病原菌。采用常規(guī)生化方法處理糞便污水必須先將污水進行稀釋,并且當(dāng)污泥濃度很高時,二沉池難以正常運行,影響了出水水質(zhì),增加了后處理的負(fù)荷。MBR工藝使糞便污水不經(jīng)稀釋直接進行處理成為可能,并取得了前所未有的處理效果。日本采用MBR工藝進行糞便污水處理已有十幾年的歷史。日本山梨縣采用超濾膜組件與高濃度的活性污泥法組合的MBR技術(shù)處理規(guī)模為40m3/d的糞便污水,該工藝于1989年元月開始投產(chǎn)運行。其主要處理流程為:活性污泥→膜分離組合工藝→混凝→膜分離組合工藝→活性炭吸附→出水。第一段膜每隔1~2個月用200mg/L的次氯酸鈉沖洗1次,第二段膜每隔2周用500mg/L的溴酸沖洗1次。膜裝置已運行2年沒有換膜,經(jīng)活性污泥—膜分離處理后,BOD和TN可分別去除99%和90%以上;混凝—膜分離可去除殘存CODMn的50%~70%;活性炭吸附可再進一步去除60%~90%左右,使系統(tǒng)出水BOD<5mg/L,TN<10mg/L,色度<10。3.4污染物的處理垃圾滲濾液含有高濃度的污染物,其水質(zhì)水量隨氣候與操作運行條件的變化而變化。1994年前就有多家污水處理廠用MBR技術(shù)處理該種污水。美國Envirogen公司開發(fā)出一種MBR用于土地填埋場滲濾液的處理,并在新澤西建成一個日處理能力約為1500m3/d的裝置,在2000年底投入運行。該種MBR使用一種自然存在的混合菌來分解滲濾液中的烴和氯代化合物,其處理污染物的濃度為常規(guī)廢水處理裝置的50~100倍。能達到這一處理效果的原因是,MBR能夠保留高效細(xì)菌并使細(xì)菌濃度達到50000g/L。在現(xiàn)場中試中,進液COD由每升幾百毫克增至40000mg/L,污染物的去除率達90%以上。在我國,申歡用垃圾滲濾液UASB出水作為MBR的入水進行了小試研究,進水COD為800mg/L~1700mg/L,BOD5為200mg/L~500mg/L,NH3-N為50mg/L~430mg/L,在試驗的前72天,COD去除率維持在70%~85%,出水COD<300mg/L,達到二級排放標(biāo)準(zhǔn),氨氮的去除率基本維持在90%~99.8%。4膜生物反應(yīng)器mbr的工藝設(shè)計由于膜材料價格昂貴、膜污染及高能耗等問題限制了MBR在實際工程中的應(yīng)用,故MBR今后的研究工作應(yīng)集中在以下幾點:(1)開發(fā)低成本、高性能的耐污染膜。目前已研制出聚酰胺系列、聚丙酰胺系列等有機膜及耐高溫高壓的無機膜。近年來,人們開始著力于仿生膜的制備研究,仿生膜具有良好的傳遞性、分離性、選擇性及生物兼容性,能解決傳統(tǒng)膜許多難以克服的缺點。另外,還有將多種材料結(jié)合制膜的趨勢。隨著材料科學(xué)的發(fā)展,新型耐污染膜材料的開發(fā)將成為可能。(2)改進曝氣池池型,從而降低膜污染。如內(nèi)部有填料的池型,即懸浮活性和生物膜復(fù)合處理系統(tǒng),由于具有較小的懸浮污泥濃度,故對膜的污染較小;曝氣—沉淀一體化池型,沉淀區(qū)的上部懸浮物濃度較低,因而降低對膜的污染。(3)MBR工藝流程形式及運行條件的優(yōu)化。根據(jù)不同的水質(zhì)及處理要求,用不同的膜及膜組件與各種好氧和厭氧生物廢水處理技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)處理能力更大、耐污染能力更強、