膜-生物反应器mbr在废水处理中的应用

膜-生物反应器mbr在废水处理中的应用

在膜生物检测器中，通常使用mf、uf或nf膜。这些膜组件由这些膜组成，并由生物装置组成。根据膜组件在生物反应器中功能作用的不同,可以将MBR分为三类,分别是膜-曝气生物反应器(MembraneAerationBioreactor,MABR)(无泡曝气,用于高需氧量的废水处理)、萃取膜生物反应器(ExtractiveMembraneBioreactor,EMBR)(用于工业废水中优先污染物的萃取)、膜分离生物反应器(BiomassSeparationMembraneBioreactor,BSMBR,简称MBR)(截留和分离固体)。其中,膜分离生物反应器是应用最广泛的一种MBR类型。膜生物反应器技术起源于20世纪60年代的美国,美国的Dorroliver公司首先将MBR用于废水处理的研究;日本1985年开始的“水综合再生利用系统90年代计划”把MBR的研究在污水处理对象与规模方面都大大推进了一步。我国对膜生物反应器污水处理工艺的研究起步较晚,1991年岑运华介绍了MBR在日本的研究现状,从此MBR在水处理方面的应用逐渐在我国开展了起来。1膜生物交换的科学研究1.1膜生物反应器mbr膜生物反应器技术起源于20世纪60年代的美国。膜生物反应器的研究与应用可分为三个阶段:第一阶段(1966年～1980年):1966年,美国的Dorroliver公司首先将MBR用于废水处理的研究;1968年,Smith等将好氧活性污泥法与超滤膜相结合的MBR用于处理城市污水;1969年Budd等的分离式MBR技术获得了美国专利。20世纪70年代初期,好氧分离式MBR处理城市污水的试验规模进一步扩大,同时,厌氧MBR研究也相继开始进行,实验室规模的研究与中试规模的研究均取得了较满意的结果。这一时期MBR的应用由于受当时膜生产技术的限制,直到20世纪70年代后期,大规模好氧膜生物反应器才开始在北美应用。第二阶段(1980年～1995年):20世纪70年代末期,日本由于国土面积小,地面水体因径流距离较短而导致其自净能力差、生态系统脆弱、易受污染。MBR由于具有占地面积小和出水水质优良的优势,使其应用有了很快的进展。自1983年到1987年,日本有13家公司使用好氧MBR处理大楼废水,经处理后的水做中水回用,处理规模达50m3/d一250m3/d。日本1985年开始的“水综合再生利用系统90年代计划”把MBR的研究在污水处理对象与规模方面都大大推进了一步。目前在日本运行(包括在建)的膜生物反应器占全球的66%。第三阶段(1995年—至今):进入20世纪90年代中后期,越来越多的欧洲国家将MBR用于生活污水和工业废水的处理。目前主要有四家大公司经营MBR,它们分别是加拿大Zenon公司,日本MitsubishiRayon公司,法国sue-LDE/IDI公司和日本Kubota公司。Zenon、MitsubishiRayon和Kubota公司生产一体式聚合物中空纤维膜组件,而Suez-LDE/IDI生产分体式管式陶瓷膜组件。加拿大的Zenon公司首先推出了超滤管式膜生物反应器,并将其应用于城市污水处理。目前,大部分应用于城市污水处理的MBR处理能力范围为不大于378.5m3/d,但处理能力高378.5m3/d-1892.5m3/d的MBR数量在逐步增加。在膜生物反应器的应用中,98%以上是好氧膜生物反应器。其中55%以上是一体式膜生物反应器。好氧膜生物反应器主要是针对城市废水及生活污水的处理,厌氧膜生物反应器主要是针对高浓度有机废水的处理。HRT(水力停留时间)、SRT(污泥龄)和污泥负荷对好氧膜生物反应器去除城市和工业废水的CODcr和BOD5影响不大,但污泥龄和污泥负荷对硝化效率有明显的影响。好氧膜生物反应器处理城市污水,曝气分别占分体式和一体式MBR总能耗的20%～50%和80%～100%。污泥浓度、污泥负荷和水力停留时间对MBR的CODcr去除效果影响不明显。污泥产率和污泥活性随着污泥龄的降低而增加,但污泥降解污染物的能力不太受污泥龄变化的影响。同常规活性污泥法中的污泥相比,好氧膜生物反应器中的污泥颗粒小,粘度高,泡沫多,结构疏松,活性低,并且污泥的沉降和脱水性能差,在常规活性污泥法中较长的污泥龄有助于高一级微型动物(原生和后生动物)的产生,但现有的研究表明,当膜生物反应器长时间不排泥时,污泥中很少或没有原后生动物出现,遗憾的是至今并不清楚为什么会出现这种现象。采用荧光原位杂交(FISH,Fluorescentinsituhybridization)对膜生物反应器中的污泥进行分析,结果表明:膜生物反应器中微生物群落含有的细菌细胞远少于常规活性污泥法,并且膜生物反应器的低污泥产率来自于微生物的内源呼吸而不是生物捕食[6,7,8,9,10,11,12,13]。1.2膜生物反应器在生活污水深度处理中的应用研究我国对膜生物反应器污水处理工艺的研究起步较晚,对MBR的研究仅有十年,但发展十分迅速。1991年岑运华介绍了MBR在日本的研究现状,从此MBR在水处理方面的应用逐渐在我国开展了起来。天津大学是国内较早对MBR进行研究的单位,1992年开展了用中空纤维膜进行泥水分离技术的科学研究,杨造燕于1994年对MBR处理污水及回用进行了研究,重点研究了MBR工艺设备,较好地解决了膜堵塞的问题,通过处理油墨废水,检验了MBR的性质,取得了可喜的成果。1993年我国多位学者证明了MBR处理生活污水并回用在技术上和经济上都是可行的。在这些研究的基础上,MBR在我国开始应用并呈现良好的前景。清华大学邢传宏、汪诚文等(1990一1997)进行了平板超滤膜、管状膜与活性污泥结合的膜生物反应器处理生活污水和模拟废水性能的研究。1997年中国科学院生态环境科学研究中心开始了穿流式MBR的研究工作,清华大学、同济大学、天津大学等高校开展了分离式和一体式MBR的研究;MBR的研究对象从生活污水扩展到石化污水、高浓度有机废水、食品废水、啤酒废水、港口污水、印染废水;生物反应器从活性污泥扩展到接触氧化法、生物膜法等工艺:生物处理流程从好氧发展到厌氧,并且对不同污水的处理效果、系统的稳定运行、操作条件的优化进行了研究。目前多处于实验室的研究阶段,工程应用仍较少。研究主要集中在城市废水及生活污水的回用,同时也开始涉及工业废水处理研究,其中主要是高浓度有机废水及难降解废水韵研究,主要是采用膜生物反应器处理巴西基酸生产废水、造纸废水、石抽化工污水、调味品厂高浓度有机废水、中药废水。我国膜生物反应器对城市废水及生活污水的研究主要是探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式,生物处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化法、生物膜法、活性污泥法和生物膜相结合的复合式工艺。刘锐等在研究膜生物反应器与传统活性污泥工艺进行比较后发现,在运行条件一致的情况下,膜生物反应器有更强的去除能力。陈卫文等研究膜生物反应器对各分子质量区间内有机物的去除规律发现,物理截留作用可完全截留粒径>0.22μm的有机物,而活性污泥的降解作用以及膜表面滤饼层和凝胶层的共同作用可去除大部分0.22μm以下的有机物。张西旺等在研究一体式膜生物反应器处理高氨氮小区生活污水的中试实验中发现,通过增设泥水回流和缺氧区可将氨氮去除率从60%提高到95%以上。周建仁等在研究膜生物反应器处理高浓度.生活污水的实验中发现,在进水CODcr为1250～13500mg/L时,去除率可高达94.1%—95.6%,BOD5的去除率可达98%以上。同时,国内的学者也开始研究膜生物反应器中运行参数的数学模型,主要为最佳水力停留时间、最佳排泥时间以及最佳反冲洗周期,并通过实验得到验证。2r-m2.1膜浓缩处理工艺-分置式mbr分置式膜生物反应器如图1所示,生物反应器的混合液由泵增压后进入膜组件,在压力作用下膜过滤液成为系统处理出水,活性污泥、大分子物质等被膜截留,并回流到生物反应器内。最早使用的分置式MBR是双泵循环系统,如Cyde-Let工艺,而Zenon和GeneralMotors共同开发的zenoGem工艺则是单泵循环体系。分置式MBR通过料液循环错流运行,其特点是:运行稳定可靠,操作管理容易,易于膜的清洗、更换及增设。但为了减少污染物在膜面的沉积,由循环泵提高的料液流速很高,为此动力消耗较高。且循环泵产生的剪切力会造成微生物的活性受损。2.2膜不含水剂的mbr生物反应器一体式膜生物反应器如图2所示,根据生物处理的工艺要求,有多种组合形式,常见的有两种组成形式:第一种有两个生物反应器,其中一个为硝化池,另一个为反硝化池。膜组件浸没于硝化反应器中,两池之间通过泵来更新要过滤的混合液。该组合的特点是:①可以提高配套(整装)的膜和设备,便于旧系统的更新改造;②将膜浸没池作为好氧区,而生物反应池作为缺氧区,以实现硝化反硝化的目的;③便于将膜隔离进行清洗。第二种组合非常简单,直接将膜组件置于生物反应器内,通过泵抽吸,得到过滤液。为减少膜面污染,延长运行周期,一般泵的抽吸采取间断运行。一体式MBR在运行时利用曝气引起的气液向上的剪切力来实现膜面的错流效果,也有采用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件自身的旋转(如转盘式膜组件)来实现膜面错流效应。与分置式相比,一体式最大特点是运行能耗低,但是在运行稳定性、操作管理方面和清洗更换上不及分置式。2.3复合式膜生物反应器mbr工艺复合式膜生物反应器如图3所示,在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,从而改变了膜生物反应器的某些性状,形成复合式膜生物反应器。复合式膜生物反应器运行稳定,在脱氮除磷方面具有优势。常用于MBR工艺的膜有微滤膜(MF)和超滤膜(UF)。目前,大多数的MBR工艺都采用0.1～0.4μm没的膜孔径,这对于以截留微生物絮体为主的活性污泥来说,完全可以达到目的。3.3膜生物反应器mbr的研究重点随着膜制备技术的进步,MBR专用膜品种的开发,膜质量的提高和膜制造成本的降低,MBR的设备投资也会随之降低,因此,MBR在水处理中的应用范围必将越来越广。膜生物反应器水处理技术的发展和广泛应用将成为生化水处理技术发展史上的又一次飞跃,在未来的水工业技术领域占有重要的位置。今后MBR应用可能获得迅速发展的重点领域和方向如下:(1)应用于高浓度、有毒、难降解工业污水的处理。如高浓度有机废水是一种较普遍的点源污染,全国造纸、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行业每年高浓度有机物水的排放量很大,这类污水采用常规活性污泥法处理尽管有一定作用,但是出水水质难以达到排放标准的要求。而MBR在技术上的优势,决定了它可以对常规方法难以处理的污水进行有效的处理,并且出水可以回用。(2)现有的城市污水处理厂的更新升级。特别是出水难以达标或处理流量剧增而占地面积无法扩大的情况。(3)应用于有污水回用需求的地区和场所,如洗车业、宾馆、流动公厕等充分发挥膜生物反应器占地面积小、设备紧凑、自动控制、灵活方便的特点。(4)垃圾填埋渗滤液的处理及回用。(5)在小规模的污水处理厂的应用,这由膜的价格所决定。(6)应用于无排水管网系统的地区,如小居民点、度假区、旅游风景区等。膜生物反应器未来的研究重点如下:(1)膜污染的机理及控制。如:污水中污染物成份(无机物、有机物、胶体物质等)对膜过滤过程的影响;膜污染机理;膜的有机和生物污染模型的建立和研究;膜污染控制手段的试验和探讨。(2)性能优越的新型分离膜,尤其是耐污染膜的开发研制:新型膜组件的开发研制。(3)膜生物反应器工艺流程形式及运行条件的优化。如:加强反硝化作用以提高氮的去除率;同时硝化反硝化和短程硝化现象及控制因素的研究;能耗的降低措施