膜生物反应器论文.doc

膜生物反应器在中水回用领域的应用与前景Membrane bioreactor in the field of water reuses applications and prospects摘要: 膜生物反应器(MBR)作为一种新型的污水处理工艺，在污水处理领域得到了广泛的应用。本文简述了我国中水回用的必要性，分析了膜生物反应器(MBR)特点及应用于中水回用的优势，总结了MBR在我国中水回用中的应用现状，展望了MBR工艺在中水回用领域的应用与前景。关键词: 膜生物反应器；中水回用；应用 ；前景Abstract: Membrane bioreactor is a membrane separation unit and by the biological treatment unit combining new water treatment technology. Because of its good water quality can be reused to meet the general requirements, equipment, compact, small footprint, easy operation and management features in the back with a field of more and more attention, is used widely.1.引言水污染与水资源短缺是21 世纪面临的重大国际环境问题。污水再生回用是保护环境和解决水资源短缺的重要途径之一。以生物技术和膜技术结合开发的膜生物反应器(MBR)是实现污水资源化的一项最新技术成果，并已经在生活污水处理、中水回用和高浓度有机废水处理与回用等方面得以成功应用。因其具有出水水质良好，可满足一般回用要求，设备紧凑，占地面积小，运行管理方便等特点，在回用领域越来越受到人们的重视，应用日益广泛。2.膜-生物反应器的技术原理与特点在膜-生物反应器中，由于用膜组件代替传统活性污泥工艺中的二沉池，可以进行高效的固液分离，克服了传统活性污泥工艺中出水水质不够稳定、污泥容易膨胀等不足，从而具有下列优点：(1)能高效地进行固液分离，出水水质良好且稳定，可以直接回用；(2)由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器水力停留时间（HRT）和污泥龄（SRT）的完全分离，使运行控制更加灵活稳定；(3)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，占地面积省；(4)有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留和生长，系统硝化效率得以提高。也可增长一些难降解有机物在系统中的水力停留时间，有效地将分解难降解有机物的微生物滞留在反应器内，有利于难降解有机物降解效率的提高；(5)膜-生物反应器一般都在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低，降低了污泥处理费用；(6)易于实现自动控制，操作管理方便。但膜-生物反应器也存在一些不足：(1)在运行过程中，膜易受到污染，产水量降低，给操作管理也带来不便。这是目前广大研究者致力改进的问题；(2)膜的制造成本较高。但随着膜制造技术的不断进步，其成本可望降低。2.膜-生物反应器的发展概述膜-生物反应器的最早研究可以追溯到上世纪60年代末期的美国。1969年Smith等报道采用超滤膜来替代传统活性污泥工艺中的二沉池，用于处理城市污水。在另一早期的报道中，Hardt等采用死端过滤的超滤膜与10L的好氧反应器组合处理人工配制的污水，获得了COD去除率达98%的处理效果，污泥浓度与传统活性污泥法相比，有大幅度增加。美国的Dorr-Oliver公司在1966年前后也开始了膜-生物反应器的研究，开发了MST（Membrane Sewage Treatment）的工艺。这一时期，研究的重点在于开发适合高浓度活性污泥的膜分离装置。但由于受当时的膜生产技术所限，膜的使用寿命短、通量小，加之当时对处理排放出水水质要求不严，使这项技术在相当长一段时间仅停留在实验室研究规模，未能投入实际应用。70年代末期，日本由于污水再生利用的需要，膜-生物反应器的研究工作有了较快的进展。自1983年到1987年日本有13家公司使用好氧膜-生物反应器处理大楼污水，处理水作为中水回用。1985日本建设省牵头组织了 “水综合再生利用系统90年代计划”，其内容涉及到新型膜材料的开发、膜分离装置的构造设计和膜-生物反应器运行系统的研究。通过产、学、研的结合，把膜-生物反应器的研究在处理对象、规模和深度上都大大推进了一步。这一阶段的膜-生物反应器的型式主要是分置式。另一方面，加拿大Zenon公司推出了该公司的分置式膜-生物反应器，用于生活污水的好氧处理。从80年代后期到90年代初，Zenon公司继续Dorr-Oliver公司的早期研究，以开发用于处理工业废水的系统并获得了成功。Zenon公司的商业化产品，ZenoGem于1982年投入使用。有关膜技术与厌氧反应器的组合使用在80年代初也受到关注。1982年Dorr-Oliver公司开发了MARS工艺（Membrane Anaerobic Reactor System）用于处理高浓度有机工业废水。同时80年代初，在英国也开发了类同的工艺。该工艺在南非进一步发展成为ADUF工艺（Anaerobic Digester Ultra filtration Process）。80年代末以后，国际上对膜-生物反应器的研究更是方兴未艾，研究内容更加全面，深度和广度不断加强。在传统分置式膜-生物反应器的基础上，提出了运行能耗低、占地更为紧凑的一体式膜-生物反应器。有关膜-生物反应器运行条件的优化和膜污染机理及其控制对策方面的研究也十分活跃。这为膜-生物反应器的广泛推广应用奠定了基础。目前，膜-生物反应器在日本、美国、法国、英国、荷兰、德国、南非、澳大利亚等国已得到相当多的应用。主要应用对象包括：生活污水的处理与回用、粪便污水处理、有机工业废水处理等。我国对膜-生物反应器的研究始于上世纪90年代初。最早开始研究的有清华大学、中国科学院生态环境研究中心、天津大学、同济大学等。近年，由于该项技术所具有的巨大吸引力和潜在的应用前景，受到了更多研究者的青睐。许多大学、研究所、环保公司也加入到了此项技术的研究开发中。从国内专业杂志发表的论文篇数来看，近几年增加很快，从1998年的9篇增加到2002年的60余篇。目前国内从事膜-生物反应器开发应用的公司也有十余家。3.中水回用传统工艺3.1传统工艺简介总体来讲，中水处理工艺可分为以下3部 分1：(1)前处理：主要包括除渣、沉砂、隔油和调节水量等；(2)主工艺：它是工艺的主体部分（主 要有生物法和物化法两大类）；(3)后处理：主要是消毒。通常中水回用需将多种处理技术合理组合，深度处理污水，以达到回用水水质要求。具体来说它会因原水水质的不同而采用不同的组合方式2。以生活污水回用为例，传统工艺主要有以下两种：物化+生化处理。其基本流程为： 原水格栅调节池混凝或气浮沉淀生 物处理沉淀过滤消毒中水；二段生化处理。其基本流程为：原水格栅调节池 一段生物处理沉淀二段生物处理沉淀 过滤消毒中水。3.2传统工艺存在的问题针对中水回用对水质，安全卫生条件，操作管理等要求，传统中水工艺在应用中存在以下问题：对水质、水量的突变不易适应，出水水质易波动；构筑物多，容积负荷低，占地面积 大；基建费用高，一次性投资大；易发生污 泥膨胀、滤料堵塞、散发臭味、影响环境卫生状 况等；对负荷、环境条件、生物量等许多因素 的影响敏感，工艺操作要求严格，运行管理较难。4.膜生物反应器工艺4.1膜生物反应器工艺概述MBR工艺是一种简洁、高效的污水处理与回用新工艺。在该工艺中，具有高效固液分离性能的膜组件取代了传统工艺中庞大的二沉池。由于膜单元的引入，系统处理效率大大提高，稳定性得到加强。其典型工艺流程如图1所示。4.2膜生物反应器工艺特点与传统工艺相比，MBR工艺克服了其出水水质不够稳定、污泥容易膨胀等不足，具有以下特点：污染物去除率高，出水水质好，稳定；同时，其出水浊度低，通常小于2NTU，细菌和病毒去除率高，基本上保证了出水的卫生安全，一般情况下可直接回用。工艺流程简单，构筑物结构紧凑，占地面积小。由于膜技术的引入，大大提高了MBR的容积负荷，同时省去了传统工艺中的二沉池，因此其占地面积较传统工艺大幅减小。剩余污泥产量少，污泥处理费用低。MBR内 的污泥浓度高，可维持在1020g/L，使得F/M值 较低，从而污泥产量低3。MBR实现了反应器HRT和SRT的完全分离，整个系统不受污泥膨胀等因素的影响4，系统运行控制灵活、稳定，易于实现自动化，操作管理方便。MBR设备布置可集中可分散，具有灵活性，可实现污水就地处理与回用。4.3膜生物反应器工艺应用于中水回用的优势由于受使用目的和城市建筑限制，一般要求回用水必须要有良好的水质，不能产生卫生、 安全上的问题，不能有视觉上或嗅觉上的不快感，同时要求处理系统简单，占地少，稳定性高， 且易于管理4。MBR工艺正是具备了这些特点，而在中水回用中有着很大的优势：出水水质明显优于传统工艺，可直接回用；抗冲击负荷能力强，出水稳定，基本不受来水水质、水量波动的影响；占地面积较传统工艺大幅减小，节省了用地；工艺简捷，基本不会产生环境卫生 问题，尤其是当回用设施位于城区或人口聚居区时，这一优势将更加明显；工艺操作要求没有传统工艺那么严格，管理方便，在环境保护专业人员紧缺的情况下，其不失为一种好的选择； 易于实现就地回用，特别是对于一些给排水管网、处理设施等还不健全，但有回用需求的地区，MBR工艺无疑是最优选择。5 膜生物反应器在我国回用领域的应用现状我国对MBR污水处理新工艺的研究始于 20世纪90年代中期。虽然起步较晚，但近年来 发展迅速。尤其是随着我国污水资源化市场需 求的不断扩大，MBR在污水处理及回用中的应 用愈加广泛。其工程应用正日益增多，规模不断 扩大，回用水源也超出了传统的中水水源，已涉 及到了工业污水领域，且处理能力由每天几十吨扩大到几千吨甚至几万 吨5，如目前国内正在运行 的最大MBR废水资源化 工程-北京密云县再生水 厂回用工程（45000m3/d）、 运行中的徐州卷烟厂污水 处理及中水回用工程（2000m3/d）、巴陵石化污水处理与回用工程 （7200m3/d）、建设中的北京北小河MBR污水处 理与回用工程（60000m3/d）等。这表明我国的 MBR设计能力、工程建设能力和运行管理技术 已具备较高水平，其市场应用前景越来越广阔。6 应用工程概况（1）MBR工艺在广东某电装公司的生产废水及生活污水的中水回用工程中的应用广东某电装公司，其生产废水主要来自喷淋水，废水中含有的主要污染物CODcr、BOD5、SS、石油类等，见表1。表1 废水进水水质Tab.1 Influent wastewater quality mgL-1(pH 除外)序号 污染项目 数值 序号 污染项目 数值1 pH 611 4 BOD5 802 SS 160 5 石油类 353 CODcr 180 6 F- 8由于生产需要，对现有污水处理系统进行扩建工程，要求厂区的生产废水与厂区生活污水达到零排放，根据厂方提供的处理水量按100 m3/d 设计。工艺流程见图1。（2）膜生物反应器在小区中水回用中的应用小区污水属于生活污水范畴，其污染物浓度较低，可生化性较好，目前常用的MBR中水处理工艺流程如图1所示。MBR工艺具有出水水质好、运行稳定、节省占地面积、易于管理维护等特点。出水消毒后可直接回用，与传统的中水处理工艺(二级生物处理+混凝沉淀+过滤+消毒)相比具有明显的经济优势。其主要表现在(1)MBR工艺容积负荷高、无二沉池、基建投资省；(2)污泥产量低，后期处理投资与处理费用低；(3)出水水质好、省去了三级处理；(4)随着膜技术的发展，膜的价格会不断下降、性能会更好；(5)占地面积小、在需要征地和空间有限的情况下，更显优越；(6)因工艺简单、维护管理方便，其潜在的运行管理费用低。对一个规模为72Om3，d的居住小区污水回用工程分别采用MBR工艺f简称工艺1)-n厌氧好氧混凝沉淀 过滤消毒工艺(简称工艺2)进行初步设计，通过技术经济分析和比较，结果见表I。就出水水质而言，工艺1的出水中的ss、COD、和NHs-N均优于工艺2。（3）中国冶金设备南京有限公司污水处理和中水回用工程污水处理及回用工艺流程见图1。污水首先经格栅去除较大的漂浮物及悬浮物后进入调节池(池内设置组合填料)，调节池设计考虑较长的水力停留时间(充分考虑污水水量变化较大的特点)，污水水质、水量在此均和后经污水提升泵(液位控制、自动启闭、1用1备、自动切换)提升进入膜生物反应器(MBR)，大部分污染物在此得到降解 ，最后经自吸泵间歇抽吸(抽吸12 rain，停止3 min)出水，出水经过紫外灯杀菌器消毒后进入清水池。MBR处理生活污水及中水回用示范工程运行结果表明，系统出水浊度、BOD 、NH 一N、动植物油平均浓度分别为18 NTU、87 mgL、169 mgL、058 mgL，出水无色无味，各项水质指标均优于城市污水再生利用城市杂用水水质(GBT18920-2002)标准。 膜及膜面凝胶层在高效截留悬浮物及微生物的同时，也截留了大量被污泥吸附的有机物，从而对稳定系统的出水水质起到了决定性作用。 技术经济分析表明，MBR用于处理生活污水并实现回用，其所带来的节水效益和经济效益较为可观。7 结语结合我国目前的经济发展水平和MBR工艺的特点，其在下列领域具有推广应用的潜力： 高层建筑、大型宾馆、洗浴中心等单体建筑的中 水回用；学校、企事业单位等的集中办公区或生 活区的污水回用；住宅小区中水回用；大区域内 的生活污水或城市污水的处理与回用；原有污水处理厂或处理设施的升级改造（技术改造、规模升级、出水水质提高或进行回用等）。在中水回用已成为世界范围内大趋势的今天，MBR作为一种新型高效的污水处理与回用工艺，在水资源短缺，水体污染日益严重，环境意识不断增强的情况下蕴藏着巨大的生机。伴 随着科技的发展以及对MBR研究与应用的日 益深入，MBR的技术应用必将日趋成熟和完善， 我们有理由相信，其投资、运行费用也会大幅降 低。加之目前MBR已实现商业化生产，其市场 规模正以前所未有的速度不断扩大。因此，可以预见，膜生物反应器作为中水回用的实用技术 将越来越具有技术上、经济上的竞争优势，其应 用前景将十分广阔。参考文献：1张林妹，胡彩霞，杜鸿等.中水回用现状与发 展前景.水科学与工程技术，2008，1：1-32黄明祝，周琪，李咏梅.中水回用及展望.再 生资源研究，2003，5：19-213杨造燕，匡志花，顾平，等.膜生物反应器无 剩余污泥排放的研究.城市环境与城市生态， 19994黄霞，桂萍，范晓军，等.膜生物反应器废水 处