MBR膜生物反应器技术介绍(详细)_pdf

目 录 前言 1 1MBR工艺简介 3 1 1 术语和定义 3 1 2 MBR的含义及其原理 4 1 3 MBR工艺分类 5 1 4 MBR工艺优越性 7 1 5 MBR工艺的不足 9 1 6 MBR的发展 9 1 6 1 MBR技术在国外污水处理中的研究及应用 9 1 6 2 MBR技术在国内污水处理中的研究及应用 10 1 7 MBR的发展前瞻 11 1 7 1 MBR 应用的重点领域和方向 11 1 7 2 MBR 未来的研究重点 12 2 MBR工艺用膜和膜组件 13 2 1膜的定义 13 2 2膜的结构和材料 13 2 2 1膜结构和分类 13 2 2 2MBR膜材料 16 2 3膜组件 17 2 3 1膜组件分类 17 2 3 2MBR膜组件 20 2 4MBR膜组件厂家 24 MBR技术培训资料 3 MBR的设计与运行管理 25 3 1进水要求 25 3 2总体要求 25 3 3工艺设计 26 3 3 1 一般规定 26 3 3 2 预处理和前处理 26 3 3 3 工艺设计 27 3 3 4污泥处理系统 29 3 3 5 后处理 29 3 4主要工艺设备和材料 29 3 4 1 浸没式膜组器 29 3 4 2 外置式膜组器 31 3 5检测与过程控制 32 3 5 1 检测 32 3 5 2 过程控制 33 3 6主要辅助工程 33 3 6 1 建构筑物 33 3 6 2 电气系统 34 3 7施工与验收 34 3 7 1 施工 34 3 7 2 验收 35 3 8 运行管理 36 3 8 1 一般规定 36 3 8 2 水质管理 37 3 8 3 设备管理 37 1 MBR技术培训资料 4膜污染 39 4 1膜污染的定义及危害 39 4 1 1 膜污染的定义及分类 39 4 1 2 膜污染的危害 39 4 2膜污染的来源 39 4 2 1 污泥浓度 40 4 2 2 溶解性有机物质 40 4 2 3 微生物污染 40 4 3影响膜污染的因素 41 4 3 1 膜固有的性质 41 4 3 2 MBR运行条件 41 4 3 3 污水特性 42 4 4膜污染的控制 42 4 4 1 预防膜污染 42 4 4 2 清洗方法 44 5浸没式平板膜组件 46 5 2浸没式平板膜组件的特点 46 5 2 浸没式平板膜组件使用注意事项 48 5 2 1开箱和安装 48 5 2 2运行和维护 48 5 2 3膜元件的化学清洗 49 5 3浸没式平板膜的运行 50 5 3 1标准时间表 50 5 3 2标准运转流程图 50 2 MBR技术培训资料 5 5 3膜生物反应器内的配置 53 5 5 4 配套管件连接 54 5 4 浸没式平板膜组件的设置方法 57 5 4 1设置准备 57 5 4 2膜元件的拆卸 57 5 4 3膜组件的检查 57 5 4 4膜组件的保管方法 57 5 4 5膜组件的安装顺序 58 5 5浸没式平板膜组件的调试 58 5 5 1清水运行 58 5 5 2种泥的投加 59 5 5 3运转开始 60 5 6浸没式平板膜组件的运行管理 60 5 7维护管理 63 5 7 1维护管理项目及实施频率 63 5 7 2曝气管的清洗方法 63 5 7 3膜元件的化学清洗 66 5 7 4使用的药品 66 5 7 5药品的使用操作 66 5 7 6膜元件的药液清洗方法 68 5 7 7膜组件的取出 72 5 8故障的处理方法 72 6 MBR的优化与改进 74 6 1节能降耗 74 6 1 1 从工艺设计方面降低能耗 74 3 MBR技术培训资料 6 1 2 从设备选型上降低能耗 76 6 1 3 从运行管理上降低能耗 77 6 1 4 结论 78 6 2脱氮除磷 78 6 2 1MBR生物脱氮 78 6 2 2 MBR除磷 80 6 2 3结语 82 6 3MBR的生物学特性 82 6 3 1微生物群落 82 6 3 2污泥特性 84 6 3 3微生物产物 86 6 3 4结论 87 7 部分MBR工程实例 89 4 MBR技术培训资料 前言 我国是一个严重缺水的国家 我国人均水资源量仅为世界人均拥有量的 1 4 其中华北地区人均水资源量小于 400m3 已属于严重缺水地区 我国是世 界上严重缺水的十二个国家之一 我国目前工业污水的再生回用率仅为 6 远远低于发达国家的水平 市政 污水的回用率更低 我国万元 GDP 用水量是世界平均水平的 5 倍 是美国的 8 倍 德国的 11 倍 水资源的管理已经成为我国经济和社会协调发展的关键问题之一 中国目 前水资源浪费及污染现象相当严重 据统计 工业废水在 2000 年的排放量为 194亿立方米 生活污水 2000年的排放量为 221亿立方米 按照这种速度 中 国的水资源将在 73年后被用尽 而如果水资源利用不加强管理 污水又得不到 很好的处理与管理 进而污染到地下水 那么这个时间将会更短 目前 我国 的水环境污染已经到了 有河皆枯 有水皆污 的地步 其治理任务刻不容缓 表 1是对国内近年污水排放量的统计数据 表 1 全国废水排放量统计 项目 废水排放量 亿吨 合计 433 0 439 5 460 0 482 4 524 5 536 8 556 8 571 7 589 7 617 3 工业 202 7 207 2 212 4 221 1 243 1 240 2 246 6 241 7 234 5 237 5 生活 230 3 232 3 247 6 261 3 281 4 296 6 310 2 330 0 355 2 379 8 年度 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 1 MBR技术培训资料 增长率 4 71 36 9 据统计 2011 年全国废水排放量为 652 1 亿吨 其中化学需氧量排放量为 2499 9 万吨 氨氮排放量为 260 4 万吨 我国的江河湖泊和水库中 已经受污 染的约占 82 3 全国设立有监测系统的 1200条河流中 已有 850条受到污染 七大水系中 一半以上受到不同程度的污染 达不到安全饮用水源的标准 已 基本丧失直接使用得功能 沿海水体发生赤潮和富营养化现象增多 因此 水 环境的保护和治理已成为我国实现可持续社会发展的重要任务 因此 为了满足我国水环境保护的迫切需求 急需研发适合不同行业废水 特点的高效 低成本 运行管理简便的废水处理技术 膜生物反应器 MBR 是膜技术和污水生物处理技术有机结合产生的废水 处理新工艺 它适用范围广 综合运行成本低 系统性能稳定 占地面积小 在应用方面它既可用有工业污水方面也可用在生活污水方面的污水处理 工业 污水方面 主要应用在包括制药废水 化工废水 食品污水等高浓度 难降解 有机废水的处理 在生活污水方面 主要涉及城市污水 楼宇污水 公厕污水 污水厂升级改造以及其他有回用要求的污水处理场合 采用膜生物反应器 MBR 污水处理新工艺处理污水的最大优势是经处理 后的排出水可以作为中水回用 与此同时 任何污水处理后的深度处理 也均 需要通过膜生物反应器这一重要一环 从而实现污水资源化及污水处理的零排 放 因此膜生物反应器技术的研究与推广应用 直接抓住了我国污染型缺水的 主要矛盾 将对我国的污水处理和再生技术及产业的发展 水资源的可持续发 展战略的实现 具有重大的意义 2 MBR技术培训资料 1MBR工艺简介 1 1术语和定义 膜生物法 指把生物反应与膜分离相结合 以膜为分离介质替代常规重 力沉淀固液分离获得出水 并能改变反应进程和提高反应效率的污水处理方法 简称MBR法 膜组器 指由膜组件 供气装置 集水装置 框架等组装成的基本水处 理单元 在膜生物法污水处理工程进行固液分离的膜装置 高分子有机膜材料 聚烯烃类 聚乙烯类 聚丙烯腈 聚砜类 芳香族 聚酰胺 含氟聚合物等 无机膜 是固态膜的一种 是由无机材料 如金属 金属氧化物 陶瓷 多孔玻璃 沸石 无机高分子材料等制成的半透膜 浸没式膜生物处理系统 指膜组器浸没在生物反应池中 污染物在生物 反应池进行生化反应 利用膜进行固液分离的设备 或系统 可采用负压产水 也可利用静水压力自流产水 简称S MBR 外置式膜生物处理系统 指膜组器和生物反应池分开布置 生物反应池 内的活性污泥混合液泵入膜组器进行固液分离的设 备或系统 产水排放或深度 处理 浓缩的泥水混合物回流到循环浓缩池或生物反应池 形成循环 简 称R MBR 超细格栅 指栅孔直径或栅间隙小于2mm的格栅 膜生物反应池 用于安装膜组器 同时进行污水生物处理与膜分离的构 筑物 离线清洗 指将膜组器从膜池中取出 浸入化学溶液中进行清洗 除去 膜污染物的过程 在线清洗 指不将膜组器从膜池中取出 而通过向膜组件中加入化学药 剂进行清洗 除去膜污染物的过程 开停时间比 指膜组器一个运行周期中开启时间与停止时间的比值 膜完整性检测 指用于判断膜泄漏的检测方法 膜污染 指料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜性能下降的 3 MBR技术培训资料 过程 膜泄漏 指由于膜组器接头泄漏或膜孔破裂 断裂 导致出水水质受影 响的现象 膜抗氧化性 指膜材料抗氧化剂氧化的能力 膜通量 指单位时间单位膜面积通过的水量 单位为 m3 m2 h 或 L m2 h 1 2 MBR的含义及其原理 MBR 为膜生物反应器 Membrane Bio Reactor 的简称 是一种将膜分离 技术与生物技术有机结合的新型水处理技术 它利用膜分离设备将生化反应池 中的活性污泥和大分子有机物截留住 省掉二沉池 膜 生物反应器工艺通过膜 的分离技术大大强化了生物反应器的功能 使活性污泥浓度大大提高 其水力 停留时间 HRT 和污泥停留时间 SRT 可以分别控制 图 1 1 普通活性污泥法工艺流程 在传统的污水生物处理技术中 泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的 其分离效率依赖于活性污泥的沉降性能 沉降性越好 泥水分离效率越高 而 污泥的沉降性取决于曝气池的运行状况 改善污泥沉降性必须严格控制曝气池 的操作条件 这限制了该方法的适用范围 由于二沉池固液分离的要求 曝气 池的污泥不能维持较高浓度 一般在 1 5 3 5g L 左右 从而限制了生化反应速 率 水力停留时间 HRT 与污泥龄 SRT 相互依赖 提高容积负荷与降低 污泥负荷往往形成矛盾 系统在运行过程中还产生了大量的剩余污泥 其处置 费用占污水处理厂运行费用的 25 40 传统活性污泥处理系统还容易出现 污泥膨胀现象 出水中含有悬浮固体 出水水质恶化 4 MBR技术培训资料 图 1 2 MBR工艺流程 MBR 工艺通过将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结 合 不仅省去了二沉池的建设 而且大大提高了固液分离效率 并且由于曝气 池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌 特别是优势菌群 的出现 提高了 生化反应速率 同时 通过降低 F M 比减少剩余污泥产生量 甚至为零 从 而基本解决了传统活性污泥法存在的许多突出问题 1 3 MBR工艺分类 MBR根据不同的分类依据 有多种类型 见表 1 1 表 1 1 MBR的分类 分类依据种类 膜组件与生物反应器的组合形式 分置式 一体式 一体 复合式 膜组件的形式 膜材料 管式 板框式 中空纤维式等 有机膜 无机膜 外压式 抽吸式 好氧 厌氧 压力驱动形式 生物反应器 曝气生物反应器 萃取膜生物反应器 膜分离生物反应器 5 MBR技术培训资料 图 1 3分置式 MBR 分置式 MBR 膜组件和生物反应器分开设置 生物反应器中的混合液经 循环泵增压后打至膜组件的过滤端 在压力作用下混合液中的液体透过膜 成 为系统处理水 优点 1 膜组件与生物反应器之间的相互影响小 2 单位面积膜的水通量大 3 运行稳定可靠 操作管理容易 4 易于膜的清冼 更换和增设 缺点 1 为减少污染物在膜表面的沉积 需要较高的膜面流速 因而配置的循环 泵需要较高的流量 单位产水能耗很高 一般为 6 8Kw h m3 2 循环泵内的高剪切力会引起生物絮体的破坏 导致生物活性的降低 图 1 4一体式 MBR 一体式 MBR 膜组件置于生物反应器内部 进水进入膜生物反应器 其 中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除 再在负压作用下由膜过滤出水 6 MBR技术培训资料 优点 1 体积小 整体性强 膜组件直接置于生物反应器中 大大减少了占地面 积 2 运行动力费用低 膜表面的错流是靠空气搅动产生的 混合液随气流向 上流动 在膜表面产生剪切应力 在这种剪切应力的作用下 沉积在膜表面的 颗粒容易脱离膜表面 因此不需要功率较大的循环泵 缺点 1 需要定期将膜组件取出生物反应器进行化学清洗 因而管理方面上不 及分置式 2 出水不连续 3 单位膜面积膜的产水量较低 一般仅为 5 10L m2 h 图 1 5 一体 复合式 MBR 一体 复合式 MBR 形式上也属于一体式膜生物反应器 所不同的是 在生物反应器内加装填料 从而形成复合式膜生物反应器 改变了反应器的某 些性状 1 4 MBR工艺优越性 1出水水质优质稳定 在 MBR 中 降解时间较长的可溶性大分子化合物可以被膜截留下来并与 污泥一起返回到生物反应器中 使这些化合物在生物反应器中的停留时间变长 从而有利于微生物对这些化合物的降解 同时较长的 SRT 可以使世代时间较长 的硝化细菌能够在生物反应器中积累 提高了硝化效果 因此 MBR 出水有机 物含量较低 且总氮和总磷的含量也远远低于传统活性污泥法 同时 由于膜 7 MBR技术培训资料 单元采用微滤膜或超滤膜 因而不仅对水中悬浮物截留率高 而且可以去除细 菌 2工艺参数易于控制 在 MBR 中 用膜组件代替二沉池 可以同时实现较短的 HRT 和很长的 SRT 同时 MBR 中由于膜对污泥的截留 可以在很大程度上消除污泥膨胀现 象 3耐冲击负荷 MBR 中生物反应器中的微生物浓度比普通生物反应器高得多 装置处理容 积负荷大 同时当进水中有机物浓度变化较大时 有机负荷率 单位质量的微 生物在单位时间内承受的有机物质量 变化不大 系统去除有机物的效果变化 不大 4剩余污泥产量少 该工艺可以在高容积负荷 低污泥负荷下运行 剩余污泥产量低 理论上 可以实现零污泥排放 降低了污泥处理费用 5占地面积小 不受设置场合限制 生物反应器内能维持高浓度的微生物量 处理装置容积负荷高 占地面积 大大节省 该工艺流程简单 结构紧凑 占地面积省 不受设置场所限制 适 合于任何场合 可做成地面式 半地下式和地下式 6可去除氨氮及难降解有机物 由于微生物被完全截流在生物反应器内 从而有利于增殖缓慢的微生物如 硝化细菌的截留生长 系统硝化效率得以提高 同时 可增长一些难降解的有 机物在系统中的水力停留时间 有利于难降解有机物降解效率的提高 7操作管理方便 易于实现自动控制 该工艺实现了水力停留时间 HRT 与污泥停留时间 SRT 的完全分离 运行控制更加灵活稳定 是污水处理中容易实现装备化的新技术 可实现微机 自动控制 从而使操作管理更为方便 8易于从传统工艺进行改造 该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度处理单元 在城市二级污水处理 厂出水深度处理 从而实现城市污水的大量回用 等领域有着广阔的应用前景 8 MBR技术培训资料 1 5 MBR工艺的不足 1 投资大 膜组件的造价高 导致工程的投资比常规处理方法增加约 30 50 2 能耗高 首先 MBR 泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力 其次是 MBR 池中 MLSS 浓度非常高 要保持足够的传氧速率 必须加大曝气强度 还有为了加大膜通量 减轻膜污染 必须增大流速 冲刷膜表面 造成 MBR 的能耗要比传统的生物处理工艺高 3 膜容易污染需要定期清洗 给操作管理带来不便 同时需要消耗部分化 学药剂 4 受到膜材料的限制 由于材料技术的原因 目前膜的寿命还比较短 膜 组件一般使用寿命在 5年左右 到期需更换 导致运行成本进一步增加 1 6 MBR的发展 1 6 1 MBR技术在国外污水处理中的研究及应用 膜分离技术在污水处理中的应用开始于 20世纪 60年代末 1969年美国的 Smith 等人首次将活性污泥法与超滤膜组件相结合用于处理城市污水的工艺研 究 该工艺大胆地提出了用膜分离技术取代常规活性污泥法中的二沉池 利用膜 具有高效截留的物理特性 使生物反应器内维持较高的污泥浓度 在 F M低比值 下工作 这样就可以使有机物尽可能地得到氧化降解 提高了反应器的去除效 率 这就是 MBR的最初雏形 进入 20世纪 70年代 有关 MBR的研究进一步深入开展 1970年 Hardt 等人使用完全混合生物反应器与超滤膜组合工艺处理生活污水 获得了 98 的 COD去除率和 100 去除细菌的结果 1971 年 Bemberis 等人在污水处理厂进 行了 MBR 试验 取得了良好的试验结果 1978 年 Bhattacharyya 等人将超滤 膜用于处理城市污水 获得了非饮用回用水 1978 年 Grethlein 利用厌氧消化 池与膜分离进行了处理生活污水的研究 BOD 和 TN 的去除率分别为 90 和 75 在这一时期 尽管各国学者对 MBR 工艺做了大量的研究工作 并获得了 一定的研究成果 但是由于当时膜组件的种类很少 制膜工艺也不是十分成熟 9 MBR技术培训资料 膜的寿命通常很短 这就限制了 MBR 工艺长期稳定的运行 从而也就限制了 MBR技术在实际工程中的推广应用 进入 20 世纪 80 年代以后 随着材料科学的发展与制膜水平的提高 推动 了膜生物反应器技术的向前发展 MBR 工艺也随之得到迅速发展 日本研究者 根据本国国土狭小 地价高的特点对 MBR 技术进行了大力开发和研究 并在 MBR技术的研究和开发上走在了前列 使 MBR技术开始走向实际应用 20 世纪 90 年代以后 MBR 技术得到了最为迅猛的发展 人们对 MBR 在 生活污水处理 工业废水处理 饮用水处理等方面的应用都进行了研究 MBR 已经进入实际应用阶段 并得到了快速的推广 20 世纪的最后几年 人们围绕着膜生物反应器的关键问题进行了较多的研 究 并取得了一些成果 有关膜生物反应器的研究从实验室小试 中试规模走 向了生产性试验 应用 MBR 的中 小型污水处理厂也逐渐见诸报道 1998 年 初 欧洲第一座应用一体式膜生物反应器的生活污水处理厂在英国的 Porlock建 成运行 成为英国膜生物反应器技术的里程碑 本世纪初 人们对膜生物反应器的研究方兴未艾 使得该项技术正在逐渐 趋于成熟 1 6 2 MBR技术在国内污水处理中的研究及应用 我国对膜生物反应器污水处理技术的研究较晚 但发展迅速 近年来 MBR 工艺已有实际应用实例 并保持着良好的发展势头 1991 年 水处理 技术 杂志首次报道了膜生物反应器在日本的应用情况 随后 一些大学和科 研机构纷纷开展了关于膜生物反应器的研究 如清华大学 中科院生态环境研 究中心 哈尔滨工业大学 天津大学 同济大学 华东理工大学等对膜生物反 应器的运行特性 膜通量的影响因素 膜污染的防治与清洗等方面做了大量细 致的研究工作 MBR 技术研究受到国家 八五 九五 十五 科技攻关项目 基金支持 取得了很大进步 2002年 膜生物反应器的研发又被列为 863 重大 科技项目 推进膜生物反应器在污水处理及回用中的应用 目前我国已有膜科 学技术研究机构上百家 膜生产企业数百家 参与 MBR 的研究机构有数十家 据 2003年统计 关于 MBR研究的论文有 500余篇 MBR的研究方面取得了很 快的进展 10 MBR技术培训资料 我国近年来的 MBR 研究有了深入发展 在已有研究的基础上 MBR 被用 于抗生素废水 中药废水 聚酯废水等难降解废水领域 处理规模已由实验室 走向中试和实际应用 涌现出很多提供 MBR 产品的公司 如天津清华德人 北京碧水源 永新 诺卫 特里高 光华 天地人等公司 杭州凯宏 浙大凯 华 天津膜天 上海 SINAP等公司 由北京碧水源科技发展有限公司等企业于 2011年提出的 膜生物法污水处 理工程技术规范 HJ 2010 2011 经中国环境保护部批准 在 2012年 1月 1 日起施行 该规范适用于膜生物反应器处理污水和污水回用的设备设计 安 装 应用及运行管理 1 7 MBR的发展前瞻 1 7 1 MBR应用的重点领域和方向 现有城市污水处理厂的更新升级 特别是出水水质难以达标或处理流量 剧增而占地面积无法扩大的水厂 无排水管网 系统的小区 如居 民点 旅游度假区 风景区等 有污水回用 需求的地区或场所 如宾馆 洗车业 客机 流动厕所等 充分发挥 MBR 占 地面积小 设备紧 凑 自动控制 灵 活方便的特点 高浓度 有 毒 难降解工业废 水处理 如造纸 制糖 酒精 皮革 合成脂肪酸等行业 是一种普遍的点源 污染 MBR 可以对这些常规处理工艺无法达标的废水进行有效的处理 并实现 11 MBR技术培训资料 回用 垃圾填埋厂渗滤液的处理及回用 小规模污水厂 站 的应用 膜技术的特点十分适合处理小规模污水 1 7 2 MBR未来的研究重点 膜污染的机理及防治 MBR工艺流程形式及运行条件的优化 MBR 污泥产率与运行条件的关系 以合理减少污泥产量 降低污泥处理 费用 MBR 生物反应器内微生物的代谢特性及其对出水水质 污泥活性等的影 响 从而确定适宜的微生物生长及代谢条件 MBR 工艺经济性研究 在目前国内经济发展水平 膜产品供应状况和规 范设计要求的条件下 MBR用于污水处理的最大经济流量的确定 12 MBR技术培训资料 2 MBR工艺用膜和膜组件 2 1膜的定义 膜可以看做是一种材料 这种材料能让某种物质比其他物质更容易通过 膜的这种性质奠定了膜分离的基础 当选择或者设计膜分离系统来完成污水中 的组分分离任务时 我们最关心的也正是膜的这种性质 而目前这类任务也正 越来越多 膜在很 多流程中被用来去 除水中的固体或溶 解性污染物 而允 许 纯净 的水通过 它 在一些流程中 膜被用来从污水中 萃取污染物质 如 萃取膜生物反应器 EMBR 膜在一些流程中还可以被用来传输气体 如无泡供氧膜生物反应器 MABR 2 2膜的结构和材料 2 2 1膜结构和分类 膜制造的主要目标是生产这样一种材料 具有足够的机械强度 能维持高 的膜通量 还要具有高的选择度 后两个特性的要求足互为矛盾的 因为具有 高选择度的膜通常只能具有较小的孔径 这种膜本身水力阻力就大 或者说膜 通量低 膜孔的密度增大 膜通量也增大 表明材料的孔隙率越高越好 膜的 整体阻力与其厚度成正比 还有膜孔径尺寸分布越宽 膜的选择度越差 因此 任何膜的最佳物理结构都应当是 膜材料的厚度要薄 孔径尺寸分布要窄 表 面孔隙率要高 可用作膜的材料种类繁多 它们在化学成分和物理结构上均变化较大 但 是最重要的特性是它们如何实现物质分离的 从这个基础出发可以把膜分为致 13 MBR技术培训资料 密膜和有孔膜两类 见表 2 1 致密膜的分离在某种程度是通过透过组分与膜 的膜材料之间的物理 化学反应实现的 它的选择度最高 见图 2 1 因此反渗 透 电粒的实际大小 微滤只能去除悬浮物质 通常最小颗粒的尺寸在 0 05 m 左右 MBR 中的多孔膜截留的悬浮固体物质 主要是微生物 被保留于反应 器中并产生澄清的出水 表 2 1 水处理中的致密膜和有孔膜 致密膜有孔膜 膜分离过程 反渗透 RO 又称为高滤 超滤 UF 利用溶解度的不同 水 溶剂 溶解物质 溶 利用尺寸大小的不同来进行溶解性大 质 在水中的扩散速率的不同 如在 EM 分子以及悬浮胶体颗粒的分离 BR中 而进行分离 电渗析 ED 微滤 MF 采用离子交换膜 利用溶质离子的大小 利用尺寸大小的不同从水中分离悬浮 电荷以及电荷密度的不同而进行分离固体 主要用于 MBR中来进行固体分 离以及 EMBR中进行曝气 纳滤 NF 曾经被称为 疏散型反渗透 利用电荷斥力 溶解度 扩散特性等几方面性质来 进行分离 膜材料 聚合物聚合物和无机材料 图 2 1过滤组分与滤料空隙 根据膜材料的组成对膜进行分类则更加方便实用 通常将膜分为有机膜 14 MBR技术培训资料 聚合物 和无机膜 陶瓷和金属 两类 无机膜目前主要是指陶瓷膜 是由 A12O3 ZrO2 TiO2和 SiO2等无机材料 制备的多孔膜 其孔径为 0 1 50 m 陶瓷膜与同类的有 机高分子膜相比具有许多优 点 对具有化学侵害性液体 和高温清洁液有更强的抵抗 能力 可以在 pH 0 14 压 力 P 10MPa 温度 350 的环境中使用 其通量高 能耗相对较低 在高浓度工 业废水处理中具有很大竞争力 其主要缺点就是弹性小 价格昂贵 此外膜的 加工制备有一定困难 表 2 2和表 2 3列出了膜材料的实例 膜制造厂商主要生产多孔膜的 膜的 价格不仅与膜的原材料有关 而且与膜孔径尺寸与孔径分布的制造难易程度有 关 根据膜材料的不同和膜孔径分布的精度的不同 膜的价格变化相当大 这些材料构成的膜的物理结构根据材料的固有性质和处理工艺的不同而不 同 通常 压力驱动工艺的膜材料趋向于各向异性 它们只在某一个方向上具 有对称性 所以随着膜深度的增加 其孔径也随之变化 也只有膜的最表层具 有实际意义的渗透选择性 其余部分只是起机械支撑作用 表 2 2 膜材料的类型 膜生产过程结 构应用领域 MF 气体分离 同位 素的分离 陶瓷膜 细粉的压 烧结 孔径 0 1 10 m 对部分结晶的膜片 进行拉伸 有害物质的过滤 病毒 过滤 医疗技术 分析化学 医疗化学 消毒过滤 拉伸膜孔径 0 1 10 m 浸蚀 聚合物膜 孔径 0 5 10 m 圆柱状孔 辐射然后用酸腐蚀 在惰性聚合物基质 多孔基质中充满液 气体分离 载体间接传 质 液膜 中形成液膜体 对称微孔 膜 消毒过滤 渗析 膜蒸 馏 相转换反应孔径 0 05 5 m 整体不对 相转换反应后继蒸 膜表面孔径UF NF 气体分离全 15 MBR技术培训资料 称微孔膜 发 蒸发过程 复合不对 将薄膜加到微孔膜 膜表面孔径 称微孔膜 上 1 5nm 离子交换 多聚物材料的功能 带有正负电荷的介 1 10nm UF NF 气体分离全 蒸发过程 ED 膜化质 表 2 3 不同名称的膜材料 优 点 材料名称 氧化钛或氧化锆 醋酸纤维素膜 聚砜 缺 点 耐热性好 耐化学腐蚀 良好的 非常昂贵 仅有 MF 和 UF膜 价格低 抗氧性好 溶剂浇铸法 热稳定性差 化学稳 机械性 制造定性差 机械性能差 可蒸气消毒 耐酸碱性好 溶剂 浇铸法制造 抗碳氢化合物性能差 憎水性除非进行表面 处理 聚丙烯耐化学腐蚀 PTFE 聚四氟乙 憎水性非常强 出色的抗有机物能 价格高 对氯敏感 价格较高 烯 力 出色的化学稳定性 可以消毒 良好的化学稳定性 良好的热稳 定性 聚酰胺膜 聚 偏 氟 乙 烯 良好的化学稳定性和热稳定性 耐 PVDF 酸碱性好 可改性制作成亲水性 许多多聚物微孔膜是采用相转换法生产的 多聚物溶液被浇注成一片薄层 介质 多聚物在水中沉淀而产生膜的多孔面 这一过程常常被称为凝胶化作用 膜的选择渗透性的一面则由于高聚物溶剂的蒸发而产生 生成的表层的渗透率 很低 从而形成各向异性的膜结构 2 2 2MBR膜材料 由于较高的投资成本限制了无机膜生物反应器在我国的广泛应用 国内 MBR 系统普遍采用有机膜 常用的膜材料为聚乙烯 聚丙烯等 分离式 MBR 通常采用超滤膜组件 截留分子量一般在 2 30 万 截留分子量越大 初始膜 通量越大 但长期运行膜通量未必越大 膜长期运行的通量衰减主要是由于膜 污染引起 膜截留分子量愈大 通量衰减幅度愈大 化学清洗恢复率愈低 对于淹没式 MBR 既可用超滤膜 也可使用微滤膜 由于膜表面的凝胶层 也起到了过滤作用 在处理生活污水时 微滤膜与超滤膜的出水水质没有明显 差别 因此淹没式 MBR多采用 0 1 0 4 m孔径的微滤膜 见图 2 2 16 MBR技术培训资料 图 2 2 MBR膜孔径 微滤常用的聚合物材料有 聚碳酸酯 纤维素酯 聚偏二氟乙烯 聚砜 聚四氟乙烯 聚氯乙烯 聚醚酰亚胺 聚丙烯 聚醚醚酮 聚酰胺等 超滤常用聚合物材料有 聚砜 PS 聚醚砜 PES 聚酰胺 聚丙烯腈 PAN 聚偏氟乙烯 纤维素酯 聚醚醚酮 聚亚酰胺 聚醚酰胺等 其中使用量较大的有聚偏二氟乙烯 PVDF 聚乙烯 PE 和聚丙稀 PP 其中聚偏二氟乙烯 PVDF 由于其优良的物理和化学性能 强度和耐 腐蚀性 见图 2 3 在国内和国外用量均最大 图 2 3各种有机膜材料的化学性质 2 3膜组件 2 3 1膜组件分类 膜的几何形状是决定整个工艺性能的关键 另外需要实际考虑的是单片膜 本身组成膜组件的方式 单片膜的最佳几何形状 或者说是其构型 应具有以 17 MBR技术培训资料 下特点 膜面积与膜组件的容积比高 进料侧具有高的湍流度以促进传质效果 单位产水量能耗低 单位膜面积价格低 方便清洗的设计 设计上允许模块组装 这些特点中有些是互相矛盾的 例如提高湍流度就会引起能耗增加 还有 只有在相对膜面积低的情况下直接对膜的机械清洗才有可能 因为单元容积内 的膜能够接近到才行 生产一种狭窄流道的组件从而得到高的膜面积与膜组件 的容积比是可能的 但是这样也会影响清洗方式和湍流度的提高 目前在膜工 艺中主要有以下几种各具优缺点的膜组件形式 见表 2 4 构型或采用平板形 式 或者采用圆柱形式 它们包括 板框式膜组件 板框式是 MBR 工艺最早应用的一种膜组件形式 外形 类似于普通的板框式压滤机 优点是 制造组装简单 操作方便 易于维护 清洗 更换 缺点 密封较复杂 压力损失大 装填密度小 中空纤维式膜组件 中空纤维具有高压下不变形的强度 勿需支撑材料 把大量 多达几十万根 中空纤维膜装入圆筒型耐压容器内 纤维束的开口端 用环氧树脂铸成管板 外径一般为 40 250 m 内径为 25 42 m 在 MBR 中 常把组件直接放入反应器中 不需耐压容器 构成浸没式膜 生物反 应器 一般为外压式膜组件 18 MBR技术培训资料 图 2 4中空纤维膜组件 优点 装填密度高 一般可达 16000 30000 m2 m3 造价相对较低 寿命 较长 可以采用物化性能稳定 透水率低的尼龙中空纤维膜 膜耐压性能好 不需要支撑材料 缺点 对堵塞敏感 污染和浓差极化对膜的分离性能有很大影响 压力降较 大 再生清洗困难 原料的前处理成本高 管式膜组件 由膜和膜的支撑体构成 有内压型和外压型两种运行方式 实际中多采用内压型 即进水从管内流入 渗透液从管外流出 膜直径在 6 24mm 之间 管状膜被放在一个多孔的不锈钢 陶瓷或塑料管内 每个膜器 中膜管数目一般为 4 18 根 管状膜目前主要有烧结聚乙烯微孔滤膜 陶瓷膜 多孔石墨管等 价格较高 但耐污染且易清洗 尤其对高温介质适用 图 2 5管式膜组件 优点 料液可以控制湍流流动 不易堵塞 易清洗 压力损失小 缺点 装填密度小 一般低于 300m2 m3 螺旋卷式膜组件 主要部件为多孔支撑材料 两侧是膜 三边密封 开 19 MBR技术培训资料 放边与一根多孔的中心产品水收集管密封连接 在膜袋外部的原水侧垫一层网 眼型间隔材料 把膜袋 隔网依次迭合 绕中心集水管紧密地卷起来 形成一 个膜卷 装进圆柱形压力容器内 就制成了一个螺旋卷式膜组件 图 2 6卷式膜组件 优点 膜的装填密度高 膜支撑结构简单 浓差极化小 容易调整膜面流 态 缺点 中心管处易泄漏 膜与支撑材料的粘结处膜易破裂而泄漏 膜的安 装和更换困难 表 2 4各种膜组件比较 管式 高 中空纤维式 低 板式 最高 卷式 低 单位膜面积的成 本 更换膜费用 通量 低低最高高 较高中等最高 较高较高 单位体积膜面积 3 很好 1 6万 3差 20 30 一般 400 600 好 800 1000 2 万 m m 保留体积 能耗 大 高 低 低 差 中等 中等 好 一般 中等 中等 好 一般 抗污染性很好 2 3 2MBR膜组件 目前 MBR一般采用的是平板式和中空纤维式两种膜组件 其各种特点如下 20 MBR技术培训资料 表 2 5 平板膜和中空纤维膜组件比较 中空纤维膜组件平板膜组件 中空纤维膜膜丝柔性 可反冲洗 独立的清洗 膜片为刚性 不可反冲洗 独立的清洗 填充密度 160m m 典型膜通量 15L m h 填充密度 80m m 典型膜通量 20L m h 缠绕式纤维物质 污泥堵塞 卡在 沟槽式 低填充密度 堆积在板间 始 纤维间 无法通过反冲去除 于板固定处 没有反冲洗 化学及机械清洗 价格较高 化学清洗 价格较低 膜丝容易断裂 寿命 3 5年使用寿命较长 5 8年 图 2 7 中空纤维帘状膜组件 图 2 8 中空纤维膜膜丝 21 MBR技术培训资料 图 2 8 浸没式平板膜组件 截止 2006 年 据不完全统计在世界范围内运行的 MBR 达 2259 套 其中平板膜生 物反应器的比例占到了 68 然而 在中国平板膜生物反应器的工程化应用程度还很低 明显滞后于中空纤维膜生物反应器 平板 MBR 与中空纤维 MBR 相比又具有以下明显优势 1 更好的抗污染性能 相比中空纤维膜生物反应器 平板膜生物反应器可以在更高的活性污泥浓度下保持 高通量 通量即膜的产水量 的稳定运行 在实际使用的过程中 尽管预处理设施中会 有格栅 除毛机等设备 但曝气池中还难免进入一些诸如毛发之类的物体 而我们知道 在曝气的状态下膜丝始终处于一个抖动的状态 于是这些毛发很容易使膜丝缠绕在一起 当污泥浓度达到一定程度 就会出现泥坨 使越来越多的膜丝缠绕在一起 大大减少了 中空纤维丝的有效膜面积 引起膜通量的急剧下降 而且此类问题也很难修复 通常只 能更换 平板膜生物反应器的适用活性污泥浓度 MLSS 范围在 10000 15000mg L 远 远高于中空纤维膜生反应器 平板膜的结构 可以实现膜片之间间隙可控 便于气液混 流对膜面进行在线清洗 抗污染性能优越 此外 平板膜生物反应器可以通过调节组件 底部的曝气强度 通过气水混合物在膜片表面的冲刷作用 很好的清除膜表面的附着物 即便是由于某种不可知因素在膜表面产生了淤积的情况 也可以将膜片取出 通过低压 水枪冲洗的方法去除 使得膜能长期有效的运行 而中空纤维则不可能通过这种方法清 洗 2 良好的机械稳定性 无断丝现象 在实际使用过程中 中空纤维膜组件不可避免的会发生断丝现象 其中包括两种原 22 MBR技术培训资料 因 一是由于纺丝过程中的缺陷导致的壁厚不均匀 当然这种情况比较少发生 且可以 通过购买优质产品等手段进一步避免 二是纺丝材料疲劳引起的根部断裂 我们知道中 空纤维丝在两端连接组件的地方需要用环氧树脂进行密封 由于纤维丝本身的毛细现象 肯定会在根部吸上一小段 由于曝气的原因 中空纤维在工作状态下始终会处于幅度较 大的振动现象 长此以往会在其根部引起材料的疲劳 而环氧树脂本身是一种脆性材料 这种材料疲劳所导致的断丝一旦发生 往往是规模性的 而这对于膜生物反应器来说 伤害是致命的 不但会严重影响出水水质 还会导致整个组件的报废 与此不同的是平 板膜的内部有无纺布作为支撑层 因此强度比中空纤维高出许多 根本不会出现类似的 现象 能完全保证优质的出水水质 3 清洗方法更加便捷 清洗周期更长 平板膜生物反应器可通过控制组件底部的曝气系统的曝气量 对膜片表面进行有效 的水力冲刷 防止在抽吸过程中污泥在膜表面过度淤积 在运行过程中就对膜表面的污 染起到控制作用 而平板膜组件的化学清洗 在线清洗 也更加简单 只需要把调配好 的药剂从抽吸口回灌入膜片中 浸泡一段时间即可 不像中空纤维膜组件 需频繁地将 膜组件取出进行反冲洗 同时 相对于中空纤维 膜生物反应器 平板膜生物反应器的清 洗周期更长 清洗周期可达 3 个月以上 且如果工作压力始终处于比较低的状态 甚至 可以不清洗 平板膜组件还可以通过物理清洗的方法使膜通量得到恢复 而这对于中空 纤维膜几乎是不可能的 4 寿命长 运行费用低 据不完全统计 现在市场上的中空纤维膜平均寿命为 2 年左右 意味着 2 年就会有 很大的膜更换率 而市场上平板膜的平均寿命都在 5 7 年 不需频繁的更换膜片 相对 来说运行费用大大降低 且保证了良好的运行状况 平板膜具有高强度的支撑体 膜损 伤程度低 更换率低 同时平板膜可以实现单张更换 更换成本也相对降低 5 膜片更换过程简单 由于平板膜组件独特的设计 使得在膜片损坏更换过程中 膜片可单张更换 无需 更换支架 而中间纤维膜丝断丝达到一定数量 整个组件就报废 需更换整个膜组件 费用就将大大增加 关于浸没式平板膜组件的使用运行介绍 请详见第 4章 23 MBR技术培训资料 2 4MBR膜组件厂家 目前 MBR膜组件的代表厂家有 平板膜 代表性制造商 日本久保田 日本东丽 上海 SINAP 中空纤维 代表制造商 美国 GE 日本三菱 日本旭化成 德国西门子 北京碧水源 天 津膜天 无机膜 代表制造商 江苏久吾 法国 Orelis 美国 poll 24 MBR技术培训资料 3 MBR的设计与运行管理 3 1进水要求 膜生物反应池进水宜符合下列限值 化学需氧量 COD 小于 500mg L 五日生化需氧量 BOD5 小于 300mg L 悬浮物 TSS 小于 150mg L 氨氮小于 50mg L 动植物油 n Hex 小于 30mg L且矿物油 n Hex 小于 3mg L pH 6 9 对不符合以上水质要求的污水 应进行预处理 3 2总体要求 膜生物法污水处理工程应遵循以下规定 a 厂址选择和总体布置应符合 室外排水设计规范 GB50014 2011 的 有关规定 总图设计应符合 工业企业总平面设计设计规范 GB50187 2012 的有关规定 b 防洪标准不应低于城镇防洪标准 且有良好的排水条件 c 建筑物的防火设计应符合 建筑设计防火规范 GB50016 2010 的规 定 d 污泥堆放场的设计应符合 一般工业固体废物贮存 处置场污染控制标 准 GB18599 2001 的规定 e 运行过程中产生的废气 恶臭 废水 废渣及其它污染物的治理与排放 应执行国家环境保护法规和标准的有关规定 防止二次污染 f 噪声和振动控制设计应符合 工业企业噪声控制设计规范 GBJ87 85 和 动力机器基础设计规范 GB50040 96 的规定 机房噪声应符合 声环境质量标准 GB3096 2008 的规定 厂界噪声应符合 工业企业厂 界环境噪声排放标准 GB12348 2008 的规定 g 建设 运行过程中应重视职业卫生和劳动安全 严格执行 工业企业卫 生设计标准 GBZ1 2010 工作场所有害因素职业接触限值 第 1 部分 25 MBR技术培训资料 化学有害因素 GBZ 2 1 2007 工作场所有害因素职业接触限值 第 2 部 分 物理因素 GBZ 2 2 2007 和 生产过程安全卫生要求总则 GB12801 2008 的规定 污水处理工程建成运行的同时 安全和卫生设施应 同时建成运行 并制定相应的操作规程 膜生物法污水处理工程应按照 城镇污水处理厂污染物排放标准 GB18918 2002 的相关规定安装在线监测系统 在线监测系统的安装 验收 和运行应符合 水污染源在线监测系统安装技术规范 HJ T353 2007 水污染源在线监测系统验收技术规范 HJ T354 2007 和 水污染源在线 监测系统运行与考核技术规范 HJ T355 2007 的相关规定 3 3工艺设计 3 3 1一般规定 膜生物法污水处理工程出水水质应符合国家和地方的排放标准及回用水 相关标准 应按污水的性质和污染物浓度 选择膜生物法的工艺类型 对易于产生 膜污堵的污水 宜采用 外置式膜生物法处理系统 水质和 或 水量变化大的污水处理工程 宜设置调节水质和 或 水 量的设施 应按出水磷排放的要求 选择设置化学除磷装置 进水泵房 格栅 沉砂池和初沉池的设计应符合 室外排水设计规范 GB50014 2011 的规定 膜生物法处理系统对 COD BOD5 SS 氨氮的去除效率应分别在 90 95 99 90 以上 3 3 2预处理和前处理 膜生物处理系统宜设置超细格栅 污水中含有毛发 织物纤维较多时 宜设置毛发收集器 污水的BOD5 COD小于0 3 时 宜采用提高污水可生化性的措施 污水进入膜生物反应池之前 须去除尖锐颗粒等硬物 26 MBR技术培训资料 3 3 3工艺设计 浸没式膜生物法污水处理系统 A 工艺流程 针对生活污水的 MBR工艺流程 见图 3 1 图 3 1生活污水的 MBR工艺流程 针对工业废水的 MBR工艺流程 见图 3 2 图 3 2工业废水的 MBR工艺流程 针对以氨氮去除为主的 MBR工艺流程 见图 3 3 27 MBR技术培训资料 图 3 3去除氨氮为主的 MBR工艺流程 B 设计参数 浸没式膜生物反应池污泥负荷与污泥浓度等设计参数应由试验确定 在无 试验数据时 可按表 3 1选取 表 3 1浸没式膜生物法污水处理的设计参数 污泥负荷 kgBOD5 kgMLSS d 混合液悬浮固体 mg L 过膜压差 kPa 膜型式 中空纤维膜 平板膜 0 05 0 15 0 05 0 15 6000 12000 6000 20000 0 60 0 20 浸没式膜生物反应池的超高宜为 0 5m 1 0m 生物反应池的设计水温宜为 12 38 北方地区冬季采取保温或增温措施应符合 室外排水设计规范 GB50014 2011 的规定 C 曝气系统 浸没式膜生物反应池曝气系统设计应符合下列规定 a 膜生物反应池所需空气由鼓风机提供 通过进气管将空气输入池内曝气 管网 b 膜生物反应池宜采用射流曝气与穿孔曝气相结合的曝气方式 也可采用 穿孔曝气与微孔曝气相结合的曝气方式 c 曝气管网应均匀布置在膜组器的下方 曝气管应密封连接 管路内无杂 物 d 膜表面清洗所需的空气量 应由试验确定 同时脱氮除磷的浸没式缺氧 膜生物污水处理系统 工艺参数应符合下列 要求 a 厌氧池污泥浓度宜为20g L 25g L 溶解氧浓度应不大于0 2mg L b 膜生物反应池污泥浓度宜为 6g L 12g L 膜箱内溶解氧浓度宜为 2 0mg L 膜箱外溶解氧浓度宜为0 5mg L c 污泥回流比100 500 外置式膜生物法污水处理系统 外置式生物反应池容积 水力停留时间 HRT 污泥负荷与污泥浓度 曝气 28 MBR技术培训资料 系统等设计参数可参照浸没式膜生物法工程设计 超高宜为 0 3m 0 5m 膜系 统设计宜参照下列参数 a 过滤方式 错流式过滤 b 膜系统正常运行回收率 10 15 c 膜面流速为 3m s 5m s d 膜通量为 40L m2 h 150L m2 h e 操作压力为 0 2MPa 0 4MPa f 污泥浓度为 10g L 40g L 外置式膜生物法循环浓缩池 应符合下列规定 a 容积应能贮存膜系统 正常运行 15 分钟所必须的水量 b 污泥沉淀区 深度应有 0 5m 1 5m 底部 设有排泥管 c 进水管和浓水回流管设在上部 d 大流量循环泵进水口应设 在池顶 1m 2m处 外置式膜生物法污水处理系统 宜