膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的研究及應(yīng)用

1、第32卷第9期2007年9月環(huán)境科學(xué)與管理env iro nm entalscience and m anage m entvol132 no19sep. 2007收稿日期: 2007 - 05 - 14作者簡介:侯捷(1972 - ) ,女,陜西楊陵人,畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院環(huán)境工程專業(yè),碩士,現(xiàn)于蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校建筑工程系任教,研究方向:環(huán)境工程。文章編號 : 1673 - 1212(2007) 09 - 0125 - 04膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的研究及應(yīng)用侯捷(蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校建筑工程系,甘肅 蘭州730050)摘 要:膜生物反應(yīng)器(mbr )是近年來發(fā)展起來的一

2、種新型的水處理技術(shù),現(xiàn)就膜生物反應(yīng)器類型、 特點 、 對污染物的去除效果進行闡述,并系統(tǒng)介紹了近年來國內(nèi)外利用膜生物反應(yīng)器處理廢水的研究成果以及膜生物系統(tǒng)在實際廢水處理中的應(yīng)用。簡要闡述了膜污染的成因和膜清洗的方法以及建議,展望了未來膜生物技術(shù)在中國廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:膜生物反應(yīng)器;廢水處理;膜污染;應(yīng)用中圖分類號: x703. 1文獻標(biāo)識碼: astudy and app lication of membrane b ioreactor for w astewater treatmenthou jie( depart ment of architecture engineering, l

3、anzhou high industry technological acade my, lanzhou 730050, china)abstract: membrane bioreactor is a newly developed technique in recent years .the classification, characteristic and treat2ment efficiency are su mmarized. and in the paper are syste matically su mmarized the researchfruits and appli

4、cations ofmbrsys2tem to practical waste water treat ment on the treatment of wastewater by membrane biological reactor at home and abroad in recentyears .the causeof formation,the cleaning methods of membrane and use of cleaning chemical.the foreground of mbr in ourcountry is also looked ahead brief

5、ly.key words: membrane bioreactor; wastewater treatment; fouling of membrane; application 膜 生 物 反 應(yīng) 器(membrane b ioreactor, 簡 稱mbr )是由膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)器相結(jié)合形成的生物化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng) 1。mbr最早用于微生物發(fā)酵工業(yè) ,在廢水處理領(lǐng)域中的研究始于20世紀(jì)60年代 ,最初主要用于處理生活污水, 20世紀(jì)90年代以來 ,其在工業(yè)廢水處理中的研究應(yīng)用逐漸受到重視。國外對膜生物反應(yīng)器的研究已經(jīng)進人實用階段,中國對膜生物反應(yīng)器的研究起步較晚,但發(fā)展非常迅速 。作為一種新

6、型的水處理技術(shù),隨著研究的深人、認(rèn)識的加深,膜生物反應(yīng)器將會在水處理中得到越來越廣泛的應(yīng)用。1 膜生物反應(yīng)器的特點和類型1. 1 膜生物反應(yīng)器的類型根據(jù)膜組件在反應(yīng)器中的作用,膜生物反應(yīng)器分為三類 :膜分離生物反應(yīng)器、 膜曝氣生物反應(yīng)器和萃取膜生物反應(yīng)器,其中膜分離生物反應(yīng)器是應(yīng)用最廣泛的一種。膜分離生物反應(yīng)器按照是否需氧可分為好氧mbr 和厭氧mbr; 按照生物反應(yīng)器中膜系統(tǒng)的組成分為微濾mbr、 超濾mbr、 納濾mbr等 ;按照生物反應(yīng)器與膜組件組合的方式和位置,又可分為分置式(循環(huán)式) mbr 和一體式(浸沒式)mbr (見圖1)。分置式mbr 運行可靠,膜易于清洗 ,膜通量也較大,但

7、因需要循環(huán)泵提供較高的膜面流速 ,所以動力費用較高,且泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力會使某些微生物菌體失活。一體式mbr 能耗相對較低,占地緊湊,但膜通量較低,膜易污染 2 。1. 2 膜生物反應(yīng)器的特點雖然膜生物反應(yīng)器是由生物反應(yīng)器與膜處理單元組合而成的,但并不是簡單的組合,而是在一定程度上相互影響、 相互制約的,所以各種水處理膜生物反應(yīng)器技術(shù)有其獨特之處。由于膜生物反應(yīng)器的膜組件浸沒在生物反應(yīng)器中,省去了生物反應(yīng)器與膜組件之間的管線及泵,所以該反應(yīng)器的體積小、 能耗小 、 工作壓力小。分離式膜生物反應(yīng)器的膜組件與生物反應(yīng)器通過泵與管線連接,相互干擾小,易于分?521?第32卷第9期2007年9月

8、侯捷 ? 膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的研究及應(yīng)用vol132 no19sep. 2007別控制 ,膜組件也易于清洗、 更換及增設(shè) 。但混合液靠泵抽取進入膜組件,泵的高速旋轉(zhuǎn)會使某些微生物失活 ,另外也加大了動力消耗,其處理單位體積水的能耗是傳統(tǒng)活性污泥法的1020倍 ,運行費用增加 3 - 4 。總而言之,膜生物反應(yīng)器具有占地少、 能耗低 、 運行維護管理方便且宜于實現(xiàn)自動化、 污泥產(chǎn)率低 、 出水水質(zhì)穩(wěn)定等特點。這也是該技術(shù)得以迅速發(fā)展的原因所在。但膜生物反應(yīng)器在運行過程中會產(chǎn)生濃差極化,膜易受到污染,產(chǎn)水量降低,能耗較高 ,投資費用昂貴等不利因素限制了它在廢水處理中的廣泛應(yīng)用 2 。2 膜生

9、物反應(yīng)器對污染物的去除效果各國的研究都表明膜生物反應(yīng)器能夠獲得良好的出水水質(zhì),對有機污染物、 氨氮 、 細(xì)菌病毒以及難降解物質(zhì)等均具有很好的去除效果。2. 1 對有機污染物的去除效果膜生物反應(yīng)器的機械截留作用可以使反應(yīng)器內(nèi)保持較高的污泥濃度,可以更有效的去除有機污染物 。膜生物反應(yīng)器工藝中降解有機物的關(guān)鍵仍在生物反應(yīng)器 。而膜分離對生物反應(yīng)器起到了獨特的強化作用 ,其中生物反應(yīng)器的貢獻占到80% ,膜分離的貢獻在10% 20%之間 。東京大學(xué)的yamamoto、h iasa等對將中空纖維膜置于活性污泥反應(yīng)器內(nèi)部的方 式 進 行 了 研 究 ,結(jié) 果 表 明 : 在 有 機 負(fù) 荷 為115 k

10、gcod/m3? d 的條件下, hrt = 4 h,穩(wěn)定運行120天后 ,系統(tǒng) cod去除率大于95%。日本將膜生物反應(yīng)器用于處理大樓生活污水時,進水bod5為330710 mg/l,出水bod5僅為1 5 mg/l, cod為 1030 mg/l, 并且可以使處理出水中檢測不出細(xì)菌 ,可直接用于沖洗廁所,草地灑水 ,汽車沖洗等,達(dá)到了污水回用的目的。李紅兵和張寶杰等人用中空纖維膜生物反應(yīng)器處理生活污水, cod的去除率都在90%以上 。2. 2 對氨氮的去除效果膜的高效固夜分離作用防止了硝化細(xì)菌的流失 ,給生物反應(yīng)器內(nèi)高濃度硝化菌的保持創(chuàng)造了有利條件 ,從而大大提高了生物反應(yīng)器的硝化效率,

11、系統(tǒng)對氨氮的去除主要是反應(yīng)器內(nèi)硝化細(xì)菌起的作用 ,而膜對離子態(tài)的氨氮沒有截留作用 。 chiem2chaisri等研究了中空纖維膜生物反應(yīng)器處理生活污水時有機物的穩(wěn)定化和氮的去除效果,氨氮去除率在間歇曝氣do為 12 mg/l 時為 80%以上 ,若 do上升到4 5 mg/l, 總氮的去除率則上升到90%以上 。耿琰 ,周琪用膜生物反應(yīng)器去除氨氮效果明顯,去除率達(dá)到99%。2. 3 對細(xì)菌和病毒的去除效果國內(nèi)外研究結(jié)果表明,膜生物反應(yīng)器不論是使用超濾膜還是微濾膜都能對細(xì)菌和病毒起到良好的去 除 效 果 。 chiemchaisri 把 孔 徑 為 011m 和0103m 的膜過濾出水進行比較

12、,發(fā)現(xiàn)膜孔徑的大小對于病毒的去除情況不是很重要,二者出水中的病毒濃度在同一個數(shù)量級上,運行穩(wěn)定時,病毒含量都在10 pf u /ml 以下 。丁杭軍等人在使用一體式膜生物反應(yīng)器處理醫(yī)院廢水時發(fā)現(xiàn),細(xì)菌和大腸菌群的去除率高達(dá)90%以上 。2. 4 對難降解物質(zhì)的去除效果膜的截留作用可以延長大分子物質(zhì)以及降解難降解有機物的微生物在生物反應(yīng)器中的停留時間,有利于提高微生物對污染物的降解能力。清華大學(xué)的桂萍用膜生物反應(yīng)器處理喹啉,乙二胺四乙酸二鈉 ( edta)和聚乙二醇2000( peg2000)三種難降解有機物 ,發(fā)現(xiàn)膜生物反應(yīng)器對喹啉的去除率高達(dá)99% ,對edta 的去除率接近50% ,比同等

13、運行條件下普通活性污泥法去除率高出15%。3 膜生物反應(yīng)器在水處理中的應(yīng)用國外的膜生物反應(yīng)器技術(shù)已經(jīng)進人實用階段;膜生物反應(yīng)器在水處理中主要用于污染廢水的處理 ,飲用水處理中也有極少的應(yīng)用。從現(xiàn)有的文獻資料看 ,膜生物反應(yīng)器已在中水處理、 工業(yè)廢水處理以及屎尿處理中有應(yīng)用實例。早在1967年美國的deorr oliver公司就建立了第一個工業(yè)化的膜生物反應(yīng)器 ,日處理量14t; 1977年法國rhone - poulene公司 在 日 本 承 建 了 第 一 套 建 筑 物 水 循 環(huán) 系 統(tǒng)u1 tra biologicalsyste m (ubls) ;從 1980年開始美國將膜生物反應(yīng)器

14、用于建筑物內(nèi)的水循環(huán); 1995年法國采用膜生物反應(yīng)器處理工藝建成了日產(chǎn)量400t的飲用水廠,處理受到氮肥和殺蟲劑高度污染的水源水,出水水質(zhì)優(yōu)良,符合飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)雖然對膜生物反應(yīng)器技術(shù)的研究水準(zhǔn)不高,但近年來也出現(xiàn)了許多應(yīng)用膜生物反應(yīng)器工藝處理工業(yè)廢水的中試研究,現(xiàn)在正處于推廣階段 3, 5。4 膜的污染及清洗4. 1 膜污染成因膜污染一般是指污水中的污染物(包括微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子)與膜表面存在物理化學(xué)或機械作用而引起的膜面上的沉淀與積累,以及膜孔內(nèi)吸附造成的孔徑變小或堵塞,使膜的透水阻力增?621?第32卷第9期2007年9月侯捷 ? 膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的研究及應(yīng)用vo

15、l132 no19sep. 2007加 ,妨礙了膜表面上的溶解與擴散,從而導(dǎo)致膜通量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象,廣義的膜污染還包括由于濃差極化導(dǎo)致凝膠層 形成 的可逆變化 現(xiàn)象 6 。至今 ,膜污染的機理仍在進一步的研究中。剪切力導(dǎo)致污泥顆粒破碎(如污泥顆粒大小從95mm200 mm變?yōu)? mm10 mm) ,同時也刺激了胞外物( extracellularpolymeric substance, eps)的釋放 ,這導(dǎo)致了水力阻力的增加,因此 ,污泥混合懸浮液中的膠體和可溶性物質(zhì)是膜生物反應(yīng)器膜污染的主要影響因素。但與上述結(jié)論相反, t . carroll和 n.a. booker認(rèn)為中空纖

16、維膜污染機理和速率與中空纖維膜絲的長度和直徑有關(guān),如膜絲的軸向特征在膜污染的初始階段是關(guān)鍵影響因素,因此 ,他們調(diào)查了中空纖維膜絲長度對膜污染的影響,并建立了一個簡單的模型 7 。l. defrance等認(rèn)為懸浮物、 膠體和可溶性物質(zhì)占膜污染的比例分別是65% , 30%和5% ,也就是說 ,懸浮物和膠體是膜污染的主要影響因素 8。4. 2 膜的清洗為了防止流量尤其是通量的降低,對膜進行清洗是必要的。 導(dǎo)致通量下降的原因通常有:有機和無機顆粒的沉積 ;鹽類的沉積和沉淀;有機大分子的沉積;生物因素 ,如膜表面及膜孔中微生物的滲入和生長,以及其代謝物如酶,胞外聚合物等的積累。針對不同的原因 ,清洗

17、方法要和污水成分,mbr 的運行方式,膜及膜組件相適應(yīng)。膜清洗有兩種方式:一種是在運行過程中進行的正洗和反洗,通常在池中進行水力清洗或池外化學(xué)清洗;另一種是在膜單元不運行的情況下不定期進行的強化清洗,通常采用化學(xué)清洗方法。在溫度較高的情況下,清洗過程進行較快,而且化學(xué)藥劑濃度較低就能起到較好作用。 9 - 11 。4. 2. 1正洗和反洗正洗是利用清水按過濾方向短暫進水,以沖掉并帶走膜表面的沉積層,多用于循環(huán)型布置的膜組件系統(tǒng)中 。4. 2. 2采用化學(xué)藥劑如檸檬酸或氧化劑進行清洗。清洗時膜仍然和泥水混合物保持接觸,兩次清洗的時間間隔,化學(xué)藥劑的類型和濃度是應(yīng)用時主要考慮的因素。如用naocl

18、 清洗的典型間隔時間為幾天至幾周。清洗時盡可能采用較小的流量,并多次循環(huán)進行,以減少化學(xué)藥劑的加入及有害物質(zhì)的生成 。4. 2. 3強化清洗根據(jù)不同情況,進行強化清洗的周期為1次 /月或 2次 /年 。強化清洗可以讓膜組件在一個單獨的清洗池中進行,也可以抽空原有池中的泥水混合液,并假如清洗液。采用的清洗劑類型取決于實際情況 ,使用溫水有利于清洗過程,典型的清洗程序主要步驟是 : (1)清水沖洗 ; (2)用酸清洗無機沉積物,如檸檬酸( 0. 025% 0 . 200% ) ,添加硫酸或硫酸鹽,條件 : ph 在 23之間 ,清洗時間在0. 5 4 . 0 h 之間 ; ( 3)用氧化劑氧化去除

19、有機物和微生物沉積物,如用0. 4%naocl 溶液在ph 值為11時清洗,清洗施加為520 h; (4)最后用水清洗掉naoh, 以降低結(jié)垢的可能性。并避免皂化,皂化會導(dǎo)致泡沫問題 12 - 13 。4. 2. 4膜清洗的問題和建議膜類型,膜組件以及應(yīng)用條件的不同,使得有關(guān)膜清洗的方法和經(jīng)驗不能隨便搬用。首先 ,清洗劑在濃度較高時會腐蝕支撐體膜膜組件反應(yīng)器池壁以及其他的配套設(shè)施,當(dāng) ph值較低或較高時尤為嚴(yán)重 ;化學(xué)氧化劑會腐蝕有機膜,并加速膜的老化,化學(xué)藥劑腐蝕性越強,濃度越高 ,反應(yīng)時間越長,對膜的損害越大 ;清洗劑應(yīng)按規(guī)定儲存放置且在可能的情況下循環(huán)使用,當(dāng)在池中進行清洗時,應(yīng)通過試驗

20、確定這些物質(zhì)不會對膜生物反應(yīng)器產(chǎn)生影響并能被去除。其次 ,在對膜生物反應(yīng)器進行設(shè)計時,應(yīng)該考慮主要的強化清洗是否需要在單獨的清洗池中進行,這將關(guān)系到和費用相關(guān)的膜材料選擇及膜組件移置較高溫度下清洗的可能性清洗劑的選擇等 13 - 14 。5 展望綜合了生物反應(yīng)器和膜處理技術(shù)特點的膜生物反應(yīng)器是一種新型的水處理系統(tǒng),由于具有占地少、能耗低等技術(shù)優(yōu)勢,在水處理特別是工業(yè)廢水處理及中水回用上極具潛力。mbr 工藝已成功應(yīng)用在高濃度和難降解有機廢水中,但膜污染和投資運行費用高等不利因素限制了mbr 在廢水處理中的全面推廣 。當(dāng)前人們主要從膜的制備和mbr 工藝設(shè)計運行等方面進行改進: (1)研制低成本

21、、 高性能的新型膜材料。 (2)研究膜組件形式、 操作條件 、 清洗方式 、 生物作用等對膜通量及出水水質(zhì)的影響,并盡可能提高穩(wěn)態(tài)通量,增大系統(tǒng)處理能力,降低動力消耗 。 (3)針對特定的廢水處理,結(jié)合高效菌種的篩選與培育等方式,研制新型mbr。雖然中國膜生物反應(yīng)器在廢水處理研究方面已經(jīng)取得多方面的成效 ,但是真正的應(yīng)用工程實例仍很少,所以 推動mbr 工藝的產(chǎn)業(yè)化進程,也是今后的主攻方向之一 15 。?721?第32卷第9期2007年9月侯捷 ? 膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的研究及應(yīng)用vol132 no19sep. 2007參考文獻 : 1丁杭軍,李黨生,邱永寬.污水處理中膜生物反應(yīng)器應(yīng)用效果

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