膜反應器知識分享

1、膜反應器膜反應器3、應用1、概述2、理論內(nèi)容提要 1、簡介、簡介 2、膜生物反應器原理、膜生物反應器原理 3、膜生物反應器類型、膜生物反應器類型 4、膜生物反應器特點、膜生物反應器特點 5、存在問題、存在問題 6、發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢1、簡介 膜生物反應器，英文名膜生物反應器，英文名Membrane Bioreactors，簡寫為，簡寫為MBR。是。是由膜分離與生物處理組合而成的一種新型、高效的污水處理技術(shù)。由膜分離與生物處理組合而成的一種新型、高效的污水處理技術(shù)。主主要有膜組件、生物反應器、物料輸送三部分組成，以膜組件取代傳統(tǒng)要有膜組件、生物反應器、物料輸送三部分組成，以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技

2、術(shù)末端二沉池，在生物反應器中保持高活性生物處理技術(shù)末端二沉池，在生物反應器中保持高活性污泥污泥濃度，提濃度，提高生物處理有機負荷，從而減少污水處理設(shè)施占地面積，并通過保持高生物處理有機負荷，從而減少污水處理設(shè)施占地面積，并通過保持低污泥負荷減少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離低污泥負荷減少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設(shè)備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機物。膜生物反應器系統(tǒng)內(nèi)活性設(shè)備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機物。膜生物反應器系統(tǒng)內(nèi)活性污泥（污泥（MLSS）濃度可提升至）濃度可提升至800010,000mg/L，甚至更高；污泥齡，甚至更高；污泥齡(SRT)可延長至

3、可延長至30天以上天以上。 膜生物反應器因其有效的截留作用，可保留世代周期較長的微生膜生物反應器因其有效的截留作用，可保留世代周期較長的微生物，可實現(xiàn)對污水深度凈化，同時物，可實現(xiàn)對污水深度凈化，同時硝化菌硝化菌在系統(tǒng)內(nèi)能充分繁殖，其硝在系統(tǒng)內(nèi)能充分繁殖，其硝化效果明顯，對深度除磷脫氮提供可能?；Ч黠@，對深度除磷脫氮提供可能。2、膜生物反應器的原理 MBR 是高效膜分離技術(shù)與活性污泥相結(jié)合的新型水處理技術(shù)，它是利用微生物對反應機制進行生物轉(zhuǎn)化，利用膜組件分離反應產(chǎn)物，并截留生物體，實現(xiàn)水力停留時間與污泥停留時間的徹底分離， 消除了傳統(tǒng)活性工藝的污泥膨脹問題， 并且由于曝氣池中活性污泥濃度的

4、增大和污泥中特效菌的出現(xiàn)，提高了生化反應速率，同時，減少剩余污泥產(chǎn)生量，提高生化處理效果。3、膜生物反應器類型MBR是由生物反應器與微濾、超濾、納濾或反滲透是由生物反應器與微濾、超濾、納濾或反滲透膜系統(tǒng)組成，可分為微濾膜生物反應器和超濾膜生膜系統(tǒng)組成，可分為微濾膜生物反應器和超濾膜生物反應器等。物反應器等。按照膜組件與生物反應器的組合位置，按照膜組件與生物反應器的組合位置，MBR 可分可分為分置式為分置式MBR 和一體式和一體式MBR 。MBR按膜的組件在反應器的作用不同可分為分離膜按膜的組件在反應器的作用不同可分為分離膜生物反應器（生物反應器（membrane separation bior

5、eactor，MSBR，截留和分離固體）、無泡膜生物反應器，截留和分離固體）、無泡膜生物反應器（membrane aeration bioreactor，MABR，無泡曝，無泡曝氣，用于高需氧量的廢水處理）、萃取膜生物反應氣，用于高需氧量的廢水處理）、萃取膜生物反應器（器（extractive membrane bioreactor，EMBR，用，用于工業(yè)廢水中優(yōu)先污染物的處理）。于工業(yè)廢水中優(yōu)先污染物的處理）。3.1 MABR 無泡曝氣生物反應器無泡曝氣生物反應器(Membrane AerationBiofilm Reactor)，簡稱為簡稱為MABR，由中空纖維膜填料部分和水流部分組成。由

6、于纖，由中空纖維膜填料部分和水流部分組成。由于纖維膜微孔直徑很小，為維膜微孔直徑很小，為0.10.5 m，曝氣產(chǎn)生肉眼不可見的氣泡，曝氣產(chǎn)生肉眼不可見的氣泡，因此稱為無泡供氧。生物膜所需要的氧氣是通過纖維束填料供給因此稱為無泡供氧。生物膜所需要的氧氣是通過纖維束填料供給的，中空纖維膜不僅起著供氧作用，同時又是固著生物膜的載體。的，中空纖維膜不僅起著供氧作用，同時又是固著生物膜的載體。即，純氧或空氣通過中空纖維膜的微孔為生物膜進行無泡曝氣，即，純氧或空氣通過中空纖維膜的微孔為生物膜進行無泡曝氣，在中空纖維膜的外側(cè)形成的生物膜與污水充分接觸，在中空纖維膜的外側(cè)形成的生物膜與污水充分接觸，污水中所含

7、污水中所含的有機物被生物膜吸附和氧化分解，從而使污水得到凈化。的有機物被生物膜吸附和氧化分解，從而使污水得到凈化。 3.2、萃取膜生物反應器萃取膜生物反應器EMBR 隔離式系統(tǒng)采用選擇膜將污水與生物反應器隔開，該膜只容許目標污染物透過，進入生物反應器被降解。而各種對微生物有害的物理、化學條件不影響生物反應器一側(cè)。 原水與循環(huán)液混合，進行缺氧攪拌。在這半個周期的開始，原水進入序批處理格，與被控制回到主曝氣格的回流液混合。在缺氧和豐富的硝化態(tài)氮條件下，序批處理格內(nèi)的兼性反硝化菌利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體，以原水及內(nèi)源呼吸所釋放的有機碳作為碳源，進行無氧呼吸代謝。隨著原水的加入，有機碳的濃度增

8、加，較高濃度的污泥向曝氣格回流的過程，以提高曝氣格中的污泥濃度；部分原水和循環(huán)液混合，進行缺氧攪拌；序批格停止進原水，循環(huán)液繼續(xù)缺氧攪拌；曝氣，并繼續(xù)循環(huán)；停止循環(huán)，延時曝氣；靜置沉淀，延時曝氣停止后，在隔離狀態(tài)下，開始靜置沉淀，使活性污泥與上清液有效分離，為下半個周期作為澄清池出水做準備。3、3 分離膜生物反應器分離膜生物反應器MSBR反應器由三個主要部分組成：曝氣格和兩個交替序批處理格。主曝氣格在整個運行周期過程中保持連續(xù)曝氣，而每半個周期過程中，兩個序批處理格交替分別作為SBR和澄清池。4、膜生物反應器特點5、存在的問題主要問題：膜污染、運行成本高、設(shè)備性能要求高5、1 膜污染及處理膜污

9、染及處理 膜污染是指在膜過濾過程中，混合液中污泥絮體、膠體粒子、溶解性有機物或無機鹽類，由于膜的存在物理化學相互作用或機械作用而引起的膜表面或膜孔內(nèi)部的吸附或沉積，致使膜孔道變小或堵塞，膜表面形成凝膠層或濾餅層，從而造成膜通量降低或者跨膜壓差升高的現(xiàn)象。 膜污染的來源主要有三個方面：凝膠層，即濾餅。主要是水透過后被截留下來的部分活性污泥和膠體物質(zhì)，在濾壓差和透過水流的作用下堆積在膜表面而形成的可逆性膜面污染；溶解性物質(zhì)被膜內(nèi)微孔表面吸附或結(jié)晶，堵塞孔道，使膜通量減少，屬于可逆污染；微生物污染。 在膜表面和膜孔中有微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)， 因而不可避免地會有大量的微生物滋生，從而造成膜通量的減少。

10、（2）優(yōu)化運行條件。 在MBR的實際運行中，膜通量、操作壓力、曝氣強度、膜過濾的操作方式、膜表面的錯流流速等，均對膜污染有著重要影響，并直接關(guān)系到膜的使用壽命。污泥齡也是影響活性污泥混合液及其污染特性的主要工藝參數(shù)，MBR的整體性能與污泥齡的選擇密切相關(guān)。膜組件設(shè)計是MBR運行條件優(yōu)化的另一重要參數(shù)。調(diào)控混合液的特性。在實際工程項目中，比較有效的調(diào)控措施有：投加吸附劑和投加混凝劑。 膜污染的控制膜污染的控制 是指采用適當?shù)拇胧?，控制膜污染的發(fā)展，延長膜的清洗周期。（1）提高膜的性能。 膜的親疏水性、孔徑、空隙率、粗糙度等自身特性對膜污染有著直接影響。通過提高膜自身的性能可以提高膜的抗污染能力。

11、5.2 5.2 運行成本高運行成本高 1、對膜的清洗要有專業(yè)人士清洗，并要求在運行中時時監(jiān)控防止膜的污堵，造成出水水質(zhì)不穩(wěn)定。2、定期膜的更換使維修和檢查工作量加大，將占有很大生產(chǎn)成本支出。3、清洗藥品的用量也很大，并且運行一年以后，膜的處理效率將大幅度下降 5.3 5.3 設(shè)備性能要求高設(shè)備性能要求高 1、對風機的機械性能要求高，如果膜的抖動不大，極易使膜受到污染，造成堵塞。2、對泵的要求也很高，如果膜的水量通量不能達到足夠大。也易使膜受到污染而堵塞。六六、 膜生物反應器的發(fā)展趨勢膜生物反應器的發(fā)展趨勢 從MBR日益廣泛的應用狀況來看，目前MBR的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在： 進行新型膜組件集裝式、密集

12、式模塊化的優(yōu)化設(shè)計 研究新的制膜方法，研制性能優(yōu)越的膜材料； 研制新型的MBR，對MBR能長期穩(wěn)定運行研究適宜的運行工藝條件 隨著膜技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化以及膜在各行各業(yè)應用的擴大，今后MBR應用可能獲得迅速發(fā)展的重點領(lǐng)域和方向如下： 應用于高濃度、有毒、難降解工業(yè)污水的處理。如高濃度有機廢水是一種較普遍的污染源，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)難以達到排放標準的要求。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行有效的處理，并且出水可以回用。 現(xiàn)有的城市污水處理廠的更新升級。特別是出

13、水難以達標或處理流量劇增而占地面積 無法擴大的情況。 應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)揮膜生物反應器占地面積小、設(shè)備緊湊、自動控制、靈活方便的特點。 垃圾填埋滲濾液的處理及回用。 在小規(guī)模的污水處理廠的應用，這由膜的價格所決定。 應用于無排水管網(wǎng)系統(tǒng)的地區(qū)，如小居民點、度假區(qū)、旅游風景區(qū)等。膜反應器3、應用1、概述2、理論 當今世界，膜科學與技術(shù)有了很快的發(fā)展，近年來，開發(fā)研究了由反應過程和膜分離過程合起來的新型高效的膜反應裝置。尤其適用于平衡轉(zhuǎn)化率低的反應，當生成物的一部分或者全部通過分離膜除去后，有利于平衡向生成物的方向移動，提高反應的轉(zhuǎn)化率。例如：例如：

14、3.1 3.1 原理概述原理概述另外：科學工作者采用固體電解質(zhì)膜的反應器研究水的分解反應 本文從反應工程的觀點，以一級可逆反應為本文從反應工程的觀點，以一級可逆反應為例子，對膜反應器進行理論分析。例子，對膜反應器進行理論分析。2.1 2.1 原理概述原理概述搞清速率加快原搞清速率加快原因因探明反應工程特探明反應工程特性性2.2 2.2 理論分析理論分析 aA+bB 產(chǎn)物產(chǎn)物動力學動力學方程方程：- rA= - dCA/dt=kCACB動力學動力學方程方程：-rA=-dCA/dt=k1CA-k2Cp動力學動力學方程方程：-rA=-dCA/dt=k1CA rp=dCp/dt=k1CA-k2Cp r

15、s=dCs/dt=k2Cp動力學動力學方程方程：-rA= - dCA/dt=k1CA+k2CA rp=dCp/dt=k1CA rs=dCs/dt=k2CAAk1k2PAPSk1k2APSk1k22.2.1 基本表達式 膜反應器的示意圖如圖膜反應器的示意圖如圖1 1所示。這種膜反應器是由反所示。這種膜反應器是由反應部分和分離部分組合而成應部分和分離部分組合而成的。中間有一層薄膜將其分的。中間有一層薄膜將其分隔開來。當生成物的一部分隔開來。當生成物的一部分或者全部通過分離膜滲透到或者全部通過分離膜滲透到分離部分去后分離部分去后, ,有利于反應平有利于反應平衡向生成物方向移動衡向生成物方向移動, ,

16、從而促從而促進了反應過程的進行進了反應過程的進行, ,提高了提高了轉(zhuǎn)化率。轉(zhuǎn)化率。 對于一級可逆反應，反對于一級可逆反應，反應部分是按以下化學反應式應部分是按以下化學反應式進行的：進行的： 在反應過程任一時刻，正反應速率r1=kcR，你反應速率是r2=kcp,而凈反應速率是正、逆反應速率之差：- r1=-dCR/d= kCR-kCp r1=dCR/d=- kCR+kCp存在分離過程，及為正逆反應和分離過程之差。 在反應過程任一時刻，正反應速率r1=kcR，你反應速率是r2=kcp,而凈反應速率是正、逆反應速率之差：-r2=-dCp/d=-kCR+kCp r2=dCp/d= kCR-kCp存在分

17、離過程，及為正逆反應和分離過程之差。1.膜反應器能促進反應效果必須具備下列條件：膜反應器能促進反應效果必須具備下列條件：（1）膜的選擇性）膜的選擇性Sm要遠大于反應平衡常數(shù)要遠大于反應平衡常數(shù)Kc的倒數(shù)。的倒數(shù)。 （2）正反應的速率常數(shù)）正反應的速率常數(shù)k比反應物比反應物R的分離速率常數(shù)的分離速率常數(shù)kR要大要大一些。一些。SmKc-12.膜反應器的理想最大轉(zhuǎn)化率膜反應器的理想最大轉(zhuǎn)化率Xm Xm = 1 / 1+(SmKc)-1 3.膜反應器的各種參數(shù)與促進反應效果的最適宜的操作膜反應器的各種參數(shù)與促進反應效果的最適宜的操作條件有關(guān)：條件有關(guān)：得到幾個基本結(jié)論：得到幾個基本結(jié)論：（1）使用催

18、化劑，提高反應溫度，可使反應速率常數(shù)）使用催化劑，提高反應溫度，可使反應速率常數(shù)k值值增大，有利于促進正反應，正反應的反應速率常數(shù)增大，有利于促進正反應，正反應的反應速率常數(shù)k比莫分比莫分離速率常數(shù)大很多時，無因次參數(shù)離速率常數(shù)大很多時，無因次參數(shù)m值也越大。值也越大。（2）由于提高了反應溫度，平衡常數(shù)）由于提高了反應溫度，平衡常數(shù)Kc也增大，在反應過也增大，在反應過程中，生成物程中，生成物P的增加是有效的，如果溫度變化對的增加是有效的，如果溫度變化對Kc值得影值得影響比較小，增加生成物響比較小，增加生成物P的效果不會太大。的效果不會太大。（3）根據(jù)膜反應器的設(shè)計條件，決定（）根據(jù)膜反應器的設(shè)

19、計條件，決定（A/V)的值，在一定的值，在一定的的k，k,的條件下，用方程式（的條件下，用方程式（35）表示的（）表示的（A/V）的值，）的值，存在一個最適宜的值。存在一個最適宜的值。（4）采用選擇性高的膜，即膜選擇性）采用選擇性高的膜，即膜選擇性Sm值很大的膜。當膜值很大的膜。當膜的選擇性的選擇性Sm反應平衡常數(shù)反應平衡常數(shù)K的倒數(shù)時，對膜反應器是十分的倒數(shù)時，對膜反應器是十分有效的。特別是該膜只能分離生成物有效的。特別是該膜只能分離生成物P而不能分離反應物而不能分離反應物R，即在，即在kR趨近于趨近于0時，時，Sm趨近于無窮時，表明隨著趨近于無窮時，表明隨著Sm增大增大，正反應的反應速率常

20、數(shù)，正反應的反應速率常數(shù)k也增加，所采用方程式（也增加，所采用方程式（21）定）定義的理想最大轉(zhuǎn)化率是存在的。可以得到非常高的反應轉(zhuǎn)化義的理想最大轉(zhuǎn)化率是存在的?？梢缘玫椒浅８叩姆磻D(zhuǎn)化率，幾乎可達率，幾乎可達100%。膜反應器3、應用1、概述2、理論膜反應器的分類 膜反應器是將反應與膜分離兩個單獨的過程相耦合, 在實現(xiàn)高效反應的同時, 實現(xiàn)物質(zhì)的原位分離,使反應分離一體化。其可分為三類：大孔膜反應器大孔膜反應器主要應用領(lǐng)域是基于大孔膜如微濾、超濾等實現(xiàn)超細催化劑的循環(huán)使用以及反應物的分散強化傳質(zhì)過程等.目前, 這方面的研究主要集中在光催化與催化反應領(lǐng)域。在光催化領(lǐng)域, 主要是采用懸浮態(tài)的光催

21、化劑如二氧化鈦等進行有機物的降解，然后使用大孔膜實現(xiàn)光催化劑的循環(huán)使用。另外, 基于大孔膜如均孔膜的發(fā)展,可依據(jù)均孔膜的孔道規(guī)整特性,提高液滴或氣泡大小的均勻性, 增強反應效果.微孔膜反應器l微孔膜反應器主要是基于微孔膜將反應產(chǎn)物從反應體系中分離出來, 提高反應的轉(zhuǎn)化率和選擇性.此類膜反應器中, 微孔膜既有分離作用又可實現(xiàn)催化作用。l如二甲苯異構(gòu)化反應、水汽變換反應等均可用微孔膜反應器來提高反應效率。 MFI分子篩膜主要用于二甲苯異構(gòu)化反應, 為填充床膜反應器和催化膜反應器。 填充床膜反應器是由對反應惰性的 silicalite-1 分子篩膜和具有催化活性的ZSM-5分子篩催化劑構(gòu)成, sil

22、icalite-1 分子篩膜起到選擇性分離目標產(chǎn)物對二甲苯(PX)的作用。ZSM-5 分子篩膜同時具有分離和催化的雙重功能, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示?；撬峁δ芑腗FI 分子篩膜, 在450下獲得了MX 轉(zhuǎn)化率52%和PX 產(chǎn)率為32%; 而全硅MFI 分子篩膜反應器獲得了90%以上的PX 選擇性。致密膜反應器致密膜反應器主要有混合導體氧滲透膜反應器、鈀膜反應器等, 主要利用膜對某種氣體100%選擇性而進行的反應過程. 膜材料和膜反應器發(fā)展迅速, 對物質(zhì)的高效分離與轉(zhuǎn)化過程帶來了新的機遇, 但同時也存在一些有待深入研究的共性問題, 主要包括傳質(zhì)與分離機理的模擬研究與實驗驗證、微結(jié)構(gòu)(孔道與表面性

23、質(zhì))的精準構(gòu)筑與調(diào)變、膜孔結(jié)構(gòu)的形成機理與原位表征、面向應用過程的膜材料設(shè)計與制備、膜分離與其他單元操作的耦合以及針對具體反應過程的膜反應器的設(shè)計與構(gòu)建等。膜反應器在工業(yè)水處理中的應用1.膜反應器在印染廢水處理中的應用2.膜反應器在制藥廢水處理中的應用3.膜反應器在焦化廢水處理中的應用4.膜反應器在精細化工廢水處理中的應用1.膜反應器在印染廢水處理中的應用 印染廢水成分復雜，色度深，堿性強，并且含有許多有毒、有害物質(zhì)，對環(huán)境污染嚴重。膜生物反應器能對印染廢水進行好氧生物活性的處理，利用錳砂催化海綿鐵內(nèi)電解-膜生物反應器（MBR）耦合法來處理模擬印染廢水并對水樣的色度和濁度、生物耗氧量、化學耗氧

24、量等各項水質(zhì)指標進行測定、分析和處理。茂名市興業(yè)紡織有限公司印染廢水處理效果CODBOD5色度原水 7502501200錳砂催化海綿鐵內(nèi)電解法預處理350200500MBR 進行后續(xù)生物處理682310 2.膜反應器在制藥廢水處理中的應用 制藥生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢水，其雖具有一定的可生化性，但色度和COD高，NH4+-N含量高且含有眾多毒性物質(zhì)，若不經(jīng)過有效處理，將會造成嚴重的污染環(huán)境。 胡雪利等采用一體式平板膜生物反應器對鄭州拓洋實業(yè)有限公司生產(chǎn)的維生素制藥廢水進行實驗研究，l 當HRT=12h時，系統(tǒng)對COD 和NH4+-N的去除率分別為75.29%、85.81%； l 當HRT=22

25、h時，系統(tǒng)對COD 和NH4+-N的去除率分別為81.01%、90.21%；l 當HRT=26h時，系統(tǒng)對COD 和NH4+-N的去除率分別為82.05%、90.84%。 當取HRT=22h時完全達到了發(fā)酵類制藥工業(yè)水污染物排放標準（GB21903-2008）的排放要求。但污泥質(zhì)量濃度過高，將導致膜穩(wěn)態(tài)通量的降低，從而限制出水流量，導致整個膜反應器的處理能力降低。 Farshid Pajoum Shariatid等人采用循環(huán)氣升式膜生物反應器（ELAMBR）對藥物中的對乙酰氨基酚進行了處理，一個月后，COD 的含量降低了20%，MLSS 的含量升高了20%，ELAMBR 能有效的處理藥物廢水中

26、的污染物。 李振紅等采用浸沒一體式MBR工藝對某制藥廠污水處理站的出水進行處理，實驗表明，在HRT=9h 條件下，若DO質(zhì)量濃度為2、4、6 mg/L，出水COD去除率分別為63%，75%，80%，出水NH3-N的去除率分別為88.5%，93.6%，94%。3.膜反應器在焦化廢水處理中的應用焦化廢水是煉焦、煤氣凈化以及化工產(chǎn)品精制過程的產(chǎn)物。其COD 濃度較高，含有大量的環(huán)鏈有機物，如疊氮類無機物和氨氮等，直接外排對自然環(huán)境和人體健康的影響極大。鄭俊等采用加壓生物膜反應器的A/O法對榆林一焦化廠現(xiàn)有氣浮池的出水進行實驗處理。當進水COD質(zhì)量濃度的平均值為2031mg/L時，厭氧出水段、好氧一級

27、段、整個系統(tǒng)對COD 的去除率分別為31.96%、80.35% 、87.46%，出水COD 的平均值分別為1394.34、295.00、254.69 mg /L，達到國家二級排放標準。趙文濤等采用浸沒式厭氧/缺氧/好氧-膜-生物反應器（A1/A2/O-MBR）系統(tǒng)對北京首鋼焦化廠的焦化廢水進行處理，在無排泥條件下連續(xù)運行160 d后，MLVSS/MLSS 維持在89.2%91.2%，且沒有出現(xiàn)無機物的積累，污泥的表觀產(chǎn)率逐漸降低并穩(wěn)定在0.1035 kg/kg。該反應器對COD、NH3-N和TN的去除率分別為88%、100%和86%，在最佳運行參數(shù)條件下，出水中COD80 mg/L、TOC25 mg/L、NH3-N0.5mg/L、TN