厭氧膜生物反應(yīng)器發(fā)展綜述課件

1、厭氧膜生物反應(yīng)器發(fā)展綜述ReviewRecent developments in anaerobic reactorsDavid C. Stuckey曾智浩1120859002膜生物反應(yīng)器（膜生物反應(yīng)器（MBRMBR）與生物膜）與生物膜(biofilm)(biofilm)反應(yīng)器是兩種不同的反應(yīng)器是兩種不同的反應(yīng)器。反應(yīng)器。膜生物反應(yīng)器一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。而生物膜反應(yīng)器是在反應(yīng)器中添加各種填料以便微生物附著生長使在填料上形成了一層生物構(gòu)成的類似于膜的結(jié)構(gòu)，這樣的反應(yīng)器才被稱為生物膜反應(yīng)器。水力停留時間（水力停留時間（Hydraulic Retention Tim

2、e）簡寫作HRT，水處理工藝名詞， 水力停留時間:水力停留時間是指待處理污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間，也就是污水與生物反應(yīng)器內(nèi)微生物作用的平均反應(yīng)時間。因此，如果反應(yīng)器的有效容積為V（立方米），則：HRT = V / Q (h) 污泥齡污泥齡(SRT)是指在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)，微生物從其生成到排出系統(tǒng)的平均停留時間，也就是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的微生物全部更新一次所需的時間。從工程上說，在穩(wěn)定條件下，就是反應(yīng)池中工作著的活性污泥總量與每日排放的剩余污泥數(shù)量的比c。一般3到10d；污泥齡是活性污泥法處理系統(tǒng)設(shè)計和運行的重要參數(shù)，能說明活性污泥微生物的狀況，世代時間長于污泥齡的微生物在曝氣池內(nèi)不可能繁衍成優(yōu)勢種屬。如

3、硝化細菌在20攝氏度時，世代時間為3d，當污泥齡小于3d時，其不可能在曝氣池內(nèi)大量繁殖，不能成為優(yōu)勢種屬在曝氣池進行硝化反應(yīng)。厭氧膜生物反應(yīng)器發(fā)展綜述1、厭氧膜生物反應(yīng)器及其應(yīng)用簡介2、運行參數(shù)對厭氧膜生物反應(yīng)器運 行效率的影響3、關(guān)于膜表面濃差極化和污泥附著問題4、厭氧膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用5、結(jié)語1、厭氧膜生物反應(yīng)器及其應(yīng)用簡介從下圖可以看出，我國易生化降解的污水與工業(yè)廢水（各種金屬離子、大分子有機污染廢水、冷卻水等）各占一半。1、厭氧膜生物反應(yīng)器及其應(yīng)用簡介膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝是膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機結(jié)合的新型廢水處理技術(shù)。它利用膜分離設(shè)備將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機物質(zhì)截留

4、住，省掉二沉池?；钚晕勰酀舛纫虼舜蟠筇岣?，水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）可以分別控制，而難降解的物質(zhì)在反應(yīng)器中不斷反應(yīng)、降解。因此，膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝通過膜分離技術(shù)（超、微濾膜分離）大大強化了生物反應(yīng)器的功能。與傳統(tǒng)的生物處理方法相比，是目前最有前途的廢水處理新技術(shù)之一。1、厭氧膜生物反應(yīng)器及其應(yīng)用簡介系統(tǒng)內(nèi)微生物種群數(shù)量是決定厭氧工藝處理能力的主要因素之一。除了廢水組成、操作條件外，反應(yīng)器類型也影響產(chǎn)甲烷菌種群數(shù)量。在厭氧反應(yīng)器中主要存在兩類產(chǎn)甲烷菌：甲烷八疊球菌和甲烷絲狀菌屬。AnMBR中的微生物種群膜在厭氧反應(yīng)器中的應(yīng)用不但可以增加微生物的數(shù)量，還可以改變優(yōu)勢種群

5、。InceO等研究AnMBR中微生物種群的變化時發(fā)現(xiàn)，從城市污水的消化池中接種污泥，其最具優(yōu)勢的群落為甲烷球菌屬，其次分別為甲烷八疊球菌、短桿菌、中桿菌、絲狀菌以及長桿菌。而在AnMBR中發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢種群出現(xiàn)了變化，相應(yīng)的順序為：中桿菌、短桿菌、甲烷八疊球菌、長桿菌以及絲狀菌。運行14周后，產(chǎn)甲烷菌和非產(chǎn)甲烷菌都相應(yīng)增加了50%和20%，同時具有活性產(chǎn)甲烷菌急劇增加。自體熒光產(chǎn)甲烷菌與細菌總量的比值在6.7%到8.3%之間變化，具有生物活性的產(chǎn)甲烷菌增加了近20倍。1、厭氧膜生物反應(yīng)器及其應(yīng)用簡介AnMBR中微生物濃度 由于膜的截留作用，可以維持反應(yīng)器中高濃度的微生物量，從而提高反應(yīng)器的容積負荷。

6、在AnMBR運行的前期，由于微生物的積累，污泥增長速率很快，MLVSS的質(zhì)量濃度可達到數(shù)十g/L。同時膜對微生物濃度分布也有影響，ChooKH等發(fā)現(xiàn)，在0.5m/s的流速、0.1MPa的壓力下，經(jīng)過20d的運行，反應(yīng)器內(nèi)MLVSS的質(zhì)量濃度從2410mg/L降低到920mg/L，而膜表面附著的微生物的質(zhì)量濃度增加到20700mg/L，系統(tǒng)中約有16%的微生物轉(zhuǎn)移到了膜表面。2、運行參數(shù)對厭氧膜生物 反應(yīng)器運行效率的影響Sven Lyko通過對MBR 污水廠長達2 a 的在線觀測結(jié)果得出較低的溫度會加速膜污染，并推測其成因主要是溫度降低會導(dǎo)致液態(tài)黏度升高，另外溫度較低時期污水中有機物濃度也較其他

7、時期偏高。因此建議在展開MBR 試驗及相關(guān)設(shè)計時， 應(yīng)考慮冬季低溫季節(jié)， 盡量引進熱源， 用以保持較高的膜通量和保證污泥混合液中微生物的活性，盡量降低低溫條件對膜污染帶來的不利影響。溫度的變化會加劇膜污染的速率， 但是當微生物適應(yīng)低溫環(huán)境時， 膜污染速率會逐漸減緩， 同時由于膜對污染物的截留可以有效補償?shù)蜏貢r微生物降解作用的不足， 低溫時MBR的出水水質(zhì)并沒有受到明顯的影響。低溫會導(dǎo)致污泥中SMP和EPS 釋放的增加， 導(dǎo)致其含量增高， 但并沒有進一步導(dǎo)致膜污染的加劇。相反地， 低溫時污泥粒徑較高溫時小， 有效減少了污泥顆粒在膜表面的沉積， 因而膜污染速率反而有所降低。溫度水力停留時間和污泥齡

8、G. Laera 等對在不同污泥齡下的污泥性狀進行了長達4 a 的研究， 得出表觀黏度a與污泥濃度之間的關(guān)系：a 28.939 （MLSS）（dv/dy）-1 +（0.233 (MLSS） + 1）式中： a：污泥表觀黏度， N/m2；dv/dy：污泥剪切速率， s-1。同時指出對于已知確定的污泥齡， MLSS 在很大程度上影響了污泥的表觀黏度a， 并得出了使污泥黏度最小的污泥齡為40 d， 也因此對MBR 反應(yīng)器的運行提供了積極的參考意義。張紹園等針對分置式膜生物反應(yīng)器的試驗研究結(jié)果也證實了采用過短的水力停留時間將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的溶解性有機物積累， 引起膜通量的下降， 并同時從影響水力停留時間的

9、各項因素出發(fā)推導(dǎo)出水力停留時間的計算公式如下：HRT 1.1 （1/ - 1）（KS + L）/KS0式中： ：出水與進水有機物濃度比；KS：飽和常數(shù)， mg/L；L：出水有機物的質(zhì)量濃度， mg/L；K：底物最大比降解速度常數(shù)，h1；S0：回流污泥的質(zhì)量濃度（以MLVSS計），mg/L。錯流過濾和曝氣方式對膜生物反應(yīng)器而言， 常見的曝氣方式主要分兩種： 一種為氣提模式（Airlift mode）， 即在整個恒壓過濾過程中都曝氣； 另一種為氣噴模式（Airjetmode）， 即在膜過濾過程中間歇曝氣。李盈利等采用兩個結(jié)構(gòu)相同的一體式膜生物反應(yīng)器處理生活污水， 考察不同曝氣方式對運行效果的影響。

10、結(jié)果表明： 采用連續(xù)高強度曝氣方式運行的MBR與采用間歇高強度曝氣方式運行的MBR 在對COD、氨氮和TN 的去除效果方面相差不大； 但間歇高強度的曝氣方式減少了混合液中胞外聚合物（EPS）的釋放和溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）的溶出， 有效緩解了膜污染， 其單位產(chǎn)水能耗約為前者的60。抑阻劑抑阻劑的投加主要在于改善污泥混合液的性質(zhì)，進而達到減緩膜污染速率的目的。向MBR中投加的抑阻劑通過吸附、絮凝等物理化學(xué)作用，實現(xiàn)料液中EPS 或者SMP濃度的降低，進而影響膜污染。用于緩解膜污染的常見的抑阻劑主要是粉末活性炭（PAC）以及聚合鋁鹽、鐵鹽等。李耀中等發(fā)現(xiàn)膜生物反應(yīng)器中粉末活性炭的投加可以有效控制

11、膜通量的下降。并且認為其原因是粉末活性炭的投加減少了液相主體中微細膠體和EPS 等的含量，并同時提高了污泥絮粒的抗壓縮性， 因而能在膜表面形成一層動態(tài)而疏松的、具有較高孔隙率的濾餅層， 使濾餅層阻力及膜過濾總阻力明顯降低。外加電場JunPing Chen 等開發(fā)了一種在膜兩邊外加電場的新型反應(yīng)器， 用以研究外加電場對膜通量的影響。當MBR運行壓力為0.1MPa時， 隨著外加電場E 從15 V/cm 增加到20 V/cm， 膜通量呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢。并且，隨著外加電場電勢增加，污泥顆粒的電泳效果明顯使得膜表面沉積層變薄， 因此降低了膜阻力，提高膜通量。但是外加電場能否有效控制膜污染還需進一步

12、研究。3、關(guān)于膜表面濃差極化和污泥附著問題濃差極化：在超濾過程中，由于水透過膜而使膜表面的溶質(zhì)濃度增加，在濃度梯度作用下，溶質(zhì)與水以相反方向向本體溶液擴散，在達到平衡狀態(tài)時，膜表面形成一溶質(zhì)濃度分布邊界層，它對水的透過起著阻礙作用。膜通量和操作壓力之問的關(guān)系可用Darcy方程表示：J=P/*Rt=P/*(Rm+Rp+Rc+Ri)式中：J： 膜通量，L/(m2h)；P：過膜壓差(TMP)，Pa；：滲濾液動力學(xué)黏度，Pas；Rt：過濾的總阻力，m-1；Rm：清潔膜(或固有)阻力，m-1；Rp：濃差極化阻力，m-1。；Rc：泥餅層阻力，m-1；Ri： 內(nèi)部污染阻力，即小于膜孔的物質(zhì)在膜孔內(nèi)的堵塞與吸

13、附，m-1。膜污染阻力模型在穩(wěn)定運行階段，根據(jù)本試驗系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的水力學(xué)條件和阻力分析結(jié)果，整個過濾過程以濾餅層控制為主，膜污染阻力模型符合濾餅層控制模型見式(2)：1/J2=1/J02 +kt又根據(jù)式(1)可得式(3)：Rt2=(P/J)2將式(3)代入式(2)并變形后可得式(4)R(t)=(R02+kxPt/)0.5根據(jù)式(1)，由I/fl-t作圖，并對圖形進行線性擬合得式(5)：J-2=1.16x109+2.83x106t式(5)相關(guān)系數(shù)為0.939 8，由式(5)可知k=2.83x1011，把k值、試驗實測的過濾液的黏度(1.Oxl0-3 Pas)、AP(25 kPa)代入式(4)，

14、可得阻力模型式(6)：R(t)=2.73x1012(1+2.38x10-4t)0.5式中：R(t)：t時刻的過濾阻力，m-1；T：運行時間，d。對膜污染的研究方向厭氧膜生物反應(yīng)器的形式多采用分置式反應(yīng)器，其膜污染控制手段的研究主要集中于通過提高錯流速度來改善膜表面的水動力條件，但動力消耗很高；在組件內(nèi)部添加障礙物 提高湍流效果；引入臨界通量概念優(yōu)化運行條件；對膜材料進行優(yōu)選 ，調(diào)理混合液等方面的研究也有報道。超聲波控制膜污染利用超聲控制膜污染的發(fā)展，是基于超聲在水中的一系列物理、化學(xué)效應(yīng)。對于膜錯流過濾過程來說，由于膜的透過流量而引起的濃差極化是膜污染發(fā)展的前提，膜污染發(fā)生之后，由于顆粒物的沉

15、積，會在膜表面形成致密的凝膠層和濾餅層。把超聲引入膜過濾系統(tǒng)，其產(chǎn)生的物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，首先是超聲聲波可以在水中產(chǎn)生機械振動，引起膜絲的快速抖動，從而有利于污染物質(zhì)從膜表面的脫離；其次超聲可以在膜表面的固液邊界層產(chǎn)生微湍流現(xiàn)象，這種微湍流可以起到很好的混合攪拌作用，控制濃差極化的發(fā)展，從而有效控制膜污染的發(fā)展；最后超聲在水中所產(chǎn)生的最重要的效應(yīng)是聲空化效應(yīng)，通過聲空化效應(yīng)產(chǎn)生聲沖流可以有效沖擊膜表面污染層；聲空化過程中，空化核的脈動可以松動濾餅層，此外強烈空化作用產(chǎn)生的羥基自由基可以氧化去除致密的凝膠層。5、厭氧膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用Thamer A Mohammed 等在進水COD 分別為60

16、6、1440、2500 mgL-1 的情況下研究了MBR對模擬城市污水的處理效果，COD、BOD 和氨氮的去除率分別為97.8%99.9%、98.9%99.9% 和91. 0%99.9%。Fan 等采用浸沒式MBR 處理盥洗廢水并回用，COD、BOD5、氨氮、色度和濁度的平均去除率分別為90%，99%，95%，80% 和99.7%。經(jīng)濟分析表明： 用于處理盥洗廢水回用的能耗約為0.320.64 kWhm-3 ，平均操作花費約為0.11 美元/m3。因此MBR廣泛應(yīng)用于城市及生活污水處理的潛力巨大。對工業(yè)廢水的處理利用膜生物反應(yīng)器處理制藥廢水（進水CODCr、BOD5分別為4120 mgL-1、

17、2060 mgL-1，色度為1000 倍時，經(jīng)處理后，出水CODCr、BOD5的質(zhì)量濃度分別為100 mgL-1、45 mgL -1，色度小于60倍，去除率分別達97.6%、97.8%和94.4%，）、印染廢水（COD、色度、TOC、總磷的去除率分別為94%、99%、85%、97%）、食品釀造廢水（CODCr平均去除率為95%）、焦化廢水（進水COD 為4001000 mgL-1，氨氮為60130 mgL-1 ，出水時COD 和氨氮分別維持86. 4 mgL-1和1 mgL -1 ）且出水穩(wěn)定，低于廣東省地方標準水污染物排放限值( DB 44 /262001) 中第二時段二級排放標準，有效克服

18、了傳統(tǒng)工藝管理困難、出水不穩(wěn)定的缺點。對垃圾滲濾液的處理垃圾滲濾液中含有多種難降解有機成分，污染物濃度高、毒性強、成分復(fù)雜、水質(zhì)水量波動大，采用傳統(tǒng)廢水工藝處理很難達到排放要求。Visvanathan 等采用MBR 工藝處理垃圾滲濾液，系統(tǒng)對COD 和氨氮的去除率分別79% 和75%。申歡等采用浸沒式膜生物反應(yīng)器處理垃圾滲濾液。結(jié)果表明，COD 的去除率為65% 84.2%，COD 的去除率隨水力停留時間的延長而增加。脫氮除磷廢水中氮的去除還包括靠微生物的同化作用將氮轉(zhuǎn)化為細胞原生質(zhì)成分。主要過程如下：氨化作用是有機氮在氨化菌的作用下轉(zhuǎn)化為氨氮。硝化作用是在硝化菌的作用下進一步轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。其中亞硝酸菌和硝酸菌為好氧自養(yǎng)菌，以無機碳化合物為碳源，從 或 的氧化反應(yīng)中獲取能量。其中硝化的最佳溫度在純培養(yǎng)中為25-35 ，在土壤中為30-40 ，最佳pH 值偏堿性。反硝化作用是反硝化菌（大多數(shù)是異養(yǎng)型兼性厭氧菌，DO0.5 mg/L）在缺氧的條件下，以硝酸鹽氮為電子受體，以有機物為電子供體進行厭氧呼吸，將硝酸鹽氮還原，同時降解有機物。建立在傳統(tǒng)硝化和反硝化的兩級MBR脫氮工藝對TN的去除效率多數(shù)在6080%之間；間歇曝氣MBR脫氮工藝對TN的去除效率大于80%，說明改進型脫氮工藝的