膜生物反應(yīng)器的工藝結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行要素分析

1、Analysis on technical structure and operating parameters of membranebioreactor (MBR in applicationWang Wei 1,Xiang Hai 1,Wei Xiuzhen 1,Zhang Guoliang 1,Meng Qin 2,Sha Ruyi 2(1.College of Biological and Environmental Engineering ,Zhejiang University of Technology ,Hangzhou 310014,China ;2.College of

2、Material Science and Chemical Engineering ,Zhejiang University ,Hangzhou310027,China 膜生物反應(yīng)器的工藝結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行要素分析王瑋1,項(xiàng)海1,魏秀珍1,張國亮1,孟琴2,沙如意2(1.浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院,浙江杭州310014;2.浙江大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院,浙江杭州310027摘要膜生物反應(yīng)器(MBR 作為一種高效環(huán)保綠色無污染的新型廢水處理資源化回用技術(shù),其將傳統(tǒng)活性污泥法和膜分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來,具有常規(guī)污水處理方法所不具有的優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用在廢水處理的各個領(lǐng)域。文章對膜生物反應(yīng)器的各種工藝結(jié)構(gòu)類型

3、及特點(diǎn)進(jìn)行了研究,重點(diǎn)分析了不同MBR 工藝在實(shí)際廢水處理中的運(yùn)行要素,探討了膜污染的成因及控制措施,并展望了各種新型MBR 工藝的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞膜生物反應(yīng)器;工藝結(jié)構(gòu);運(yùn)行;膜污染控制中圖分類號X703.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1005-829X (201009-0010-06Abstract :Membrane bioreactor (MBR is an efficient technology ,combining biological treatment with membrane separation process.Being widely used in various fiel

4、ds of wastewater treatment ,MBR holds good advantages over traditional ways.The characteristics of different kinds of novel membrane bioreactors are investigated and the technological structure parameters of MBR concerning industrial application in wastewater treatment are studied.The key factors in

5、 MBR operation facing current challenges are emphatically analyzed.Furthermore ,the cause formation and controlling measures of membrane fouling are discussed.The future development of novel MBR in wastewater treatment is prospected.Key words :membrane bioreactor (MBR ;technological structure ;opera

6、tion ;membrane fouling control基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金(50903071;浙江省自然科學(xué)基金(Y4090324污水再生回用是解決水資源短缺的重要途徑,而目前廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)活性污泥工藝采用重力沉淀作為固液分離手段,因其固液分離效率不高、處理裝置容積負(fù)荷低、占地面積大、出水水質(zhì)不穩(wěn)定、氧傳遞效率低、能耗高及剩余污泥產(chǎn)量大,難以滿足越來越嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著膜材料科學(xué)的發(fā)展及其產(chǎn)品的不斷開發(fā),作為膜分離與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合的污水處理新工藝膜生物反應(yīng)器(MBR 應(yīng)運(yùn)而生,在全球范圍受到高度重視。膜生物反應(yīng)器(MBR 技術(shù)是傳統(tǒng)活性污泥法(CAS 和高效膜分離單元的有機(jī)結(jié)

7、合,它能獨(dú)立控制污泥停留時(shí)間(SRT 和水力停留時(shí)間(HRT ,因此能維持生物反應(yīng)器中高濃度生物含量。作為一種新型高效處理技術(shù),MBR 工藝有占地少、污泥排放量低、耐沖擊負(fù)荷、出水水質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn),主要應(yīng)用范圍包括市政廢水、工業(yè)廢水和地表水治理1-3。近年來,該工藝在廢水資源化處理方面得到了廣泛應(yīng)用,在城市污水和工業(yè)廢水處理回用上競爭力明顯。1膜生物反應(yīng)器的分類及特點(diǎn)MBR 由膜組件、泵和生物反應(yīng)器三部分組成,其中生物反應(yīng)器是污染物降解主要場所,膜是對混合液和特殊污染物分離和萃取的介質(zhì),而泵則提供第30卷第9期2010年9月工業(yè)水處理Industrial Water Treatment10工業(yè)水處

8、理2010-09,30(9所需動力或壓力。根據(jù)膜組件在膜生物反應(yīng)器中所起作用的不同,可將MBR分為分離膜生物反應(yīng)器(BSMBR、無泡曝氣膜生物反應(yīng)器(MABR和萃取膜生物反應(yīng)器(EMBR三類。膜生物反應(yīng)器按各功能區(qū)域的劃分情況如圖1所示。在三類MBR中,目前研究和應(yīng)用最廣泛和深入的是分離膜生物反應(yīng)器,即用膜分離過程取代傳統(tǒng)活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術(shù)。根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合位置不同可分為分置式、一體式(浸沒式和復(fù)合式,其優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。分置式MBR一般為平板式和管式,主要應(yīng)用于工業(yè)廢水處理,其運(yùn)行穩(wěn)定可靠,易于膜的清洗、更換及增設(shè),但動力消耗較高。1989年K.Yamamoto

9、等4首次提出將中空式纖維膜組件直接放置于曝氣池中,開創(chuàng)了浸沒式MBR的先河。其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小,但單位膜處理能力小,膜污染較重,透水率較低。與分置式MBR相比5,它可大規(guī)模應(yīng)用于廢水處理廠,這也是浸沒式膜組件得以更廣泛應(yīng)用的原因,目前世界上55%以上的MBR 工藝采用浸沒式。近年來,新型復(fù)合式MBR越來越受到研究學(xué)者重視,其在形式上也屬于一體式MBR,不同之處是在生物反應(yīng)器內(nèi)加裝填料,從而改變反應(yīng)器的性狀,形成復(fù)合式MBR。復(fù)合式MBR 運(yùn)行穩(wěn)定,在脫氮除磷方面具有優(yōu)勢6。其裝置流程如圖2所示。2膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用和工業(yè)化MBR工藝最早應(yīng)用于生物化工行業(yè)的連續(xù)發(fā)酵,直到196

10、6年,美國Dorr-liver公司首先把活性污泥法和超濾結(jié)合處理城市污水,開辟了MBR應(yīng)用于廢水處理的先河。我國對MBR研究起步較晚,但發(fā)展迅速,相關(guān)研究主要集中于MBR構(gòu)型、膜材料類型和新型膜工藝的開發(fā)以及膜污染形成機(jī)理和污染防治措施等。2.1膜生物反應(yīng)器的工藝與應(yīng)用好氧MBR因其出水水質(zhì)高、適于回用、操作簡單和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用,世界上約98%以上工程是膜分離工藝與好氧生物反應(yīng)器相結(jié)合的。Jianjun Qin等7-8采用膜孔0.4m的浸沒平板式聚氯乙烯膜和聚偏氟乙烯膜MBR進(jìn)行中試試驗(yàn),分別處理石化廢水和60%工業(yè)廢水、40%生活廢水的混合污水,連續(xù)運(yùn)行23個月,在水力

11、停留時(shí)間1315h,流量12.517L/(m2·h時(shí),NH4+-N 和COD去除率高于傳統(tǒng)活性污泥法(CAS工藝。這表明MBR可應(yīng)用在石化廢水治理領(lǐng)域,但對高濃度石化含油廢水的處理還有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于膜的截留作用和較長的SRT能使活性污泥更好地吸附難降解物質(zhì),所以把MBR工藝應(yīng)用在醫(yī)藥廢水的處理上時(shí),77%難降解殘留藥物能降解充分9。同樣無機(jī)膜聯(lián)合好氧MBR也取得了較好的效果, H.Dhaouadi等10采用分置式無機(jī)膜MBR處理橄欖壓榨廠廢水(OMW,膜通量保持在92L/(m2·h,發(fā)現(xiàn)在提高氧傳質(zhì)速率時(shí)COD去除率較高,實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)膜污染現(xiàn)象。MBR可作為處理OMW廢水

12、的一種預(yù)處理工藝,對廢水中含有的酚類物質(zhì)可以進(jìn)一步用專一性微生物降解。厭氧MBR作為特種廢水或難降解廢水的前處理過程,結(jié)合好氧MBR、納濾和反滲透過程,可使出水達(dá)標(biāo)排放。Daijun Zhang等11研究在反應(yīng)器內(nèi)采表1三種不同形式膜生物反應(yīng)器優(yōu)缺點(diǎn)對比反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)分置式獨(dú)立運(yùn)行,易調(diào)節(jié);膜通量大;膜表面高速錯流,延緩膜污染動力消耗大;高速剪切力使微生物喪失活性;占地面積大一體式抽吸或真空泵,動力費(fèi)低;占地面積小;避免微生物受剪切力失活膜污染較嚴(yán)重,清洗煩瑣;膜通量低于分置式復(fù)合式提高處理系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷;保證較高的膜通量,延緩膜污染填料不易微生物掛膜生 長,耗時(shí)長王瑋,等:膜生物反應(yīng)器的工藝

13、結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行要素分析11工業(yè)水處理2010-09,30(9用階段性厭氧和浸沒式好氧MBR處理高氨氮和COD的合成廢水,利用厭氧區(qū)產(chǎn)生的大量甲烷,通過好氧區(qū)時(shí)作為反硝化的碳源,同時(shí)發(fā)生硝化反硝化反應(yīng),降低能耗并提高了污染物去除效果, COD去除率>99%,氨氮去除率84%94%,達(dá)到了經(jīng)濟(jì)高效的目的。同時(shí)厭氧的組合工藝如浸沒式MBR和厭氧升流床過濾反應(yīng)器(AUBF-MBR將厭氧和缺氧集中于同一個特殊設(shè)計(jì)的反應(yīng)器內(nèi),其在處理含高濃度有機(jī)物和氮的養(yǎng)豬場污水時(shí),借助水中生成有機(jī)酸促成并強(qiáng)化硝化反應(yīng),COD 去除率和硝化率分別達(dá)到91%和99%,總氮去除率達(dá)60%12。AUBF-MBR的工藝流程見

14、圖3。除以上厭氧MBR外,近年來還出現(xiàn)針對高濃度中醫(yī)藥廢水13、農(nóng)村生活污水治理的投資少、運(yùn)行費(fèi)用較低、COD去除率高的無動力組合式等工藝。2.2膜生物反應(yīng)器新工藝技術(shù)新型MBR工藝指傳統(tǒng)處理工藝與MBR工藝聯(lián)合的改進(jìn)形式,雖然單獨(dú)的MBR系統(tǒng)已能很好降低水中污染物的濃度,若與反滲透RO裝置聯(lián)用還能提高對微生物的截留作用,在MBR/RO和MF/ RO聯(lián)用對廢水資源化回用的對比研究中,出水水質(zhì)甚至能達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)14。B.Arrojo等15還將MBR與序批式反應(yīng)器SBR耦合成膜序批式反應(yīng)器(MSBR,發(fā)現(xiàn)使用膜過濾前的SBR系統(tǒng)只能部分去除埃希式大腸桿菌、糞大腸菌群,而使用膜片過濾后95%以上

15、的有機(jī)物、細(xì)菌、懸浮固體都被完全去除,出水水質(zhì)滿足農(nóng)業(yè)用水的回用標(biāo)準(zhǔn)。為滿足微生物掛膜需要,Shuai Yang等16在反應(yīng)器中加入表面積達(dá)900m2/m3的新型無紡布填料,研制成新型復(fù)合式移動床膜生物反應(yīng)器(MBMBR處理廢水中有機(jī)碳和有機(jī)氮,在進(jìn)水m(CODm(TN為8.922.1之間時(shí),COD去除率穩(wěn)定在95.6% 96.2%,總氮去除率超過70%80%,相比傳統(tǒng)方法氮的去除率有很大提高,在填料上同時(shí)發(fā)生硝化和反硝化反應(yīng)對氮去除起到重要作用。2.3工業(yè)化膜生物反應(yīng)器MBR的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用也給商業(yè)膜公司帶來了空前商業(yè)機(jī)遇。據(jù)報(bào)道19,目前國內(nèi)外有超過2200個MBR工程正在建設(shè)和運(yùn)行當(dāng)

16、中,日處理量在1×104m3/d以上的污水處理廠約占7%,包括歐洲Brescia(4.2×104m3/d、Kaarst(4.5×104m3/d、北美Traverse(2.69×104m3/d、希臘Johns Greek(4×104 m3/d和中國北京(6×104m3/d等。截止2008年底,全球最大的MBR項(xiàng)目國外著名的MBR膜材料供應(yīng)商有Zenon(加拿大、Kubota(日本、Norit(荷蘭、USfilter(美國、Microdyn-Nadir(德國、Asahi Kasei(日本、Mitsubishi-Rayon(日本,國內(nèi)也有天

17、津膜天、杭州潔弗等眾多的商業(yè)膜公司,相比而言國內(nèi)產(chǎn)品價(jià)格較低21,有關(guān)商家MBR及其組件性能比較如表2所示?？偟膩砜?,MBR在城市污水工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)比較成熟,工業(yè)廢水尤其是高濃度有機(jī)廢水的工業(yè)化實(shí)例還遠(yuǎn)小于城市污水的應(yīng)用,這也是今后MBR 專論與綜述12工業(yè)水處理2010-09,30(9表2商業(yè)化規(guī)模運(yùn)行MBR 的膜組件性能和MBR 性能比較膜材料PVDF PP PVDF PP PP PP 過濾類型UF MF MF MF MF UF 組件類型中空纖維中空纖維中空纖維平板膜中空纖維中空纖維外徑/mm 1.95123010158151520<151015最大處理量/(m 3·d

18、-1<1021.3<40305050出水BOD/(mg ·L -1<226 1.23520525出水NH 3/(mg ·L -1<0.3<100.8<2<5<4Zenon Mitsubishi RayonAsahi Kasei Kubota 天津膜天杭州潔弗參數(shù)技術(shù)和工程化發(fā)展的重要方向。3MBR 運(yùn)行中的膜污染及研究 3.1膜污染因素分析膜污染是MBR 技術(shù)應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題,它影響膜的穩(wěn)定運(yùn)行,決定膜的清洗周期和更換頻率等22。膜過濾機(jī)理主要包括完全堵塞、標(biāo)準(zhǔn)堵塞、介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞4種,這些過濾模式均顯示膜通量下降取決

19、于顆粒物尺寸與膜孔徑的比值。4種堵塞的污染機(jī)理如圖5所示。 濃差極化是由于膜表面和膜孔內(nèi)的選擇透過性造成膜面濃度高于處理液濃度的現(xiàn)象。在膜分離過程中,小顆粒分子可透過膜,較大溶質(zhì)顆粒包括活性污泥和膠體物質(zhì)被膜截留,并不斷地在膜表面積累形成濃差極化邊界層,從而引起滲透壓增加,膜通量減少,濃差極化是一種可逆污染。膜表面的濃差極化現(xiàn)象如圖6所示。另一個造成膜污染的主要原因則是膜孔堵塞,懸浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空間位阻,水溶性大分子在膜孔中的表面吸附、難溶性物質(zhì)在膜孔中的析出都產(chǎn)生膜孔堵塞。在MBR 中,胞外聚合物(EPS 在膜表面相互粘結(jié)形成菌膠團(tuán),易使膜孔堵塞。濃差極化和膜孔堵塞都能引起膜

20、性能變化,是MBR 膜通量和分離性能下降的主要原因。3.2膜污染控制技術(shù)研究活性炭粉末(PAC 的吸附性可有效減緩膜污染,在MBR 中添加適量PAC 能降低膠體和EPS 對膜孔的堵塞。為了確定最佳投加量,Ying Zhao 等23在3個平行MBR 反應(yīng)器中分別添加0、0.75、1.5g/L 的PAC 。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:不可恢復(fù)膜污染阻力并非隨PAC 投加量增加而降低,在PAC 投加質(zhì)量濃度為0.75g/L 時(shí)其對有機(jī)物去除效率和膜通量最大。O.Sagbo 等24也研究了MBR 中添加PAC 對微污染水源的影響,并建立了關(guān)于混合液有機(jī)物的積累系數(shù)、膜截留系數(shù)和有機(jī)物去除效率的平衡模型,發(fā)現(xiàn)添加P

21、AC 后能增強(qiáng)MBR 中微生物活性,提高有機(jī)物去除效率,減輕膜污染。據(jù)報(bào)道,在MBR 中添加某些酸性物質(zhì)產(chǎn)生絮凝效果能減輕膜污染,Jing Ji 等25添加了硫酸鋁、聚合硫酸鐵(PFS 、殼聚糖3種酸性物質(zhì),并分別對膜孔阻塞、凝膠層、濾餅層作了分析。在通量為20L/(m 2·h 時(shí),其減輕作用為PFS>殼聚糖>硫酸鋁>常規(guī)王瑋,等:膜生物反應(yīng)器的工藝結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行要素分析13工業(yè)水處理2010-09,30(9MBR。通過傅里葉紅外光譜(FTIR觀察發(fā)現(xiàn),添加酸性物質(zhì)能有效減輕膜孔堵塞;凝膠色譜(GPC分析發(fā)現(xiàn),附著在表面的高分子濃度和相對分子質(zhì)量分布都在凝膠層起重要作

22、用,酸性物質(zhì)能降低高分子濃度和相對分子質(zhì)量,減輕膜污染。與傳統(tǒng)膜污染控制方法相比,超聲波具有不使用化學(xué)藥劑、不中斷系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行和無二次污染等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)超聲能改善微生物細(xì)胞傳質(zhì)速度,提高污泥活性SOUR值,超聲產(chǎn)生的機(jī)械振動作用增加了胞外聚合物松散程度,能有效降低膜污染。劉昕等26開發(fā)了一種在線超聲膜生物反應(yīng)器(US-MBR,其在常規(guī)MBR膜組件旁放置超聲發(fā)射器,間歇發(fā)射超聲波,通過測定活性污泥混合液絮體粒徑、EPS含量、上清液有機(jī)物濃度、污泥濃度和黏度變化,探討對US-MBR中活性污泥混合液性質(zhì)的影響。結(jié)果表明:在線超聲使污泥絮體破碎,其平均粒徑與常規(guī)系統(tǒng)相比降低約20m;污泥EPS含量降低(

23、28±5 mg/g,使混合液上清液TOC增加;但同時(shí)超聲可降低污泥濃度和混合液黏度,使混合液膜過濾性改善,減輕膜污染。為減輕膜的可逆污染,恢復(fù)部分膜通量,通常要對運(yùn)行周期內(nèi)的膜表面進(jìn)行法。常用清洗方法包括物理法、化學(xué)法及物理-化學(xué)法,應(yīng)針對不同廢水和膜的污染狀況采取不同清洗方法。劉德濤等27研究了在線和離線時(shí)不同清洗方法的清洗效果,發(fā)現(xiàn)在線清洗時(shí)高濃度NaClO溶液反洗效果優(yōu)于空曝氣清洗、清水反洗、鹽酸溶液(pH=1反洗和NaOH溶液(pH= 12反洗;離線清洗時(shí)依次以NaClO和鹽酸溶液(pH=1浸泡后的清洗效果較好。近年來包括本課題組在內(nèi)的研究中采用了一些新穎的膜清洗方法,如脈沖

24、電場膜清洗法、生物清洗法以及在分離中加入生物表面活性劑鼠李糖酯等均可有效減輕膜污染28-29。膜的親水性對于抗污染十分重要,除選擇親水性好的膜組件外,對膜表面親水改性也將大大減緩膜污染的影響。通過等離子體發(fā)射H2O氣體對聚丙烯微孔膜表面親水性改性30,發(fā)現(xiàn)經(jīng)改性膜表面接觸角變小,純水通量顯著提高,在浸沒式MBR中連續(xù)運(yùn)行68h,經(jīng)物理化學(xué)清洗后膜通量最大恢復(fù)提高22%,但經(jīng)等離子體改性后膜機(jī)械強(qiáng)度有所下降,這可能和等離子體撞擊時(shí)對膜面分子的破壞有關(guān)。4結(jié)論與展望隨著近10年來MBR在國內(nèi)外的研究和大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用,在MBR組件設(shè)計(jì)、運(yùn)行條件以及膜污染控制等方面積累了寶貴經(jīng)驗(yàn),使MBR應(yīng)用范圍

25、越來越廣,不僅大規(guī)模應(yīng)用于微污染水和生活污水,而且在工業(yè)廢水的各個領(lǐng)域都有新的研究和嘗試。就我國而言,MBR技術(shù)依然面臨著大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸,如膜材料價(jià)格較高、MBR構(gòu)造如何標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)行操作條件是否優(yōu)化以及如何克服膜污染和使用壽命的限制、能否用現(xiàn)代分子生物技術(shù)分析MBR 中微生物群落及其生物動力學(xué)特性等,如果能研究開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效、廉價(jià)、抗污染的新型膜材料,MBR在世界范圍內(nèi),特別是發(fā)展中國家和經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)將毋庸置疑地成為一種高效環(huán)保的廢水處理技術(shù),從而解決全球所面臨的嚴(yán)重缺水的困境。參考文獻(xiàn)1Melin T,Jefferson B,Bixio D,et al.Membrane b

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