新型分离技术第9章膜生物反应器技术.ppt

1、膜生物反应器技术,浙江大学材料与化工学院 张林 Email: ,2020年9月11日,1,主要内容,概述 膜与膜技术基础 膜生物反应器工艺 膜污染与防治 膜生物反应器设计 膜生物反应器的应用,2020年9月11日,2,概述膜生物反应器特点,2020年9月11日,3,重力式沉淀池处理废水的几个问题,由于沉淀池固液分效率不高,曝气池内的污泥难以维持到较高浓度； 处理装置容积负荷低，占地面积大； 处理出水水质不够理想切不稳定； 传氧效率低，能耗高； 剩余污泥产量大； 管理操作复杂。,2020年9月11日,4,膜生物反应器技术的特点,污泥停留时间（SRT）可控； 污泥浓度高； 有机物降解时间可控； 出

2、水水质好； 设备紧凑，占地少； 过程控制可自动化。,2020年9月11日,5,膜生物反应器处理废水特点,生物降解能力强，处理效果好； 出水水质好,可达到国家生活杂用水水质标准（CJ251-89)； 停留时间充分，去除效率高； 剩余污泥量少； 自控方便。,2020年9月11日,6,膜生物反应器技术来由,2020年9月11日,7,膜技术,传统的活性污泥法,膜生物反应器,近几年来膜生物反应器进展,扩大了膜生物反应器的适用范围，探求合适的工作条件和工艺参数； 提高了膜组件的性能，并从膜生物反应器的构型上尽可能为膜的稳定工作创造条件，主要是为减轻膜堵塞程度，提高膜通量和截留率； 降低处理工艺的动力损耗，

3、使其成为节能型新工艺。,2020年9月11日,8,膜与膜技术基础,2020年9月11日,9,以压力差为推动力的膜过程,膜过程 压力差(MPa) 微滤 (MF) 0.015 0.2 超滤 (UF) 0.1 0.5 纳滤 (NF) 0.5 2.0 反渗透(RO) 1.5 10.0 气体分离（GS) 1.5 10.0 渗透汽化（PV) 0.11kPa（下游侧） 蒸汽渗透(VP) 0.2 0.6,2020年9月11日,10,膜生物反应器用膜材料,2020年9月11日,11,生物反应用膜的选择原则,2020年9月11日,12,膜生物反应器组件类型,板框式（Plate-frame module） 折叠式(

4、Pleated sheet module) 中空纤维式(Hollow fiber module) 管式（tube module） 卷式(Spiral-wound module) 转盘式(circular dial module) 目前，应用于膜生物反应器系统的膜组件主要为中空纤维式和板框式二大类。,2020年9月11日,13,膜生物反应器用膜材料与结构,2020年9月11日,14,中空纤维膜组件,2020年9月11日,15,内径 40 200m, 外径 80 400m,中空纤维膜组件,2020年9月11日,16,聚丙烯中空纤维膜膜片,2020年9月11日,17,膜组件元器件,2020年9月11

5、日,18,板框式膜组件,2020年9月11日,19,1.顶板 2.填圈 3.复合膜 4.多孔板 5.板框 6.分布板 7.螺杆 8.进料口9.板框 10.渗透气出口 11.分布槽 12. 进料流,卷式膜组件,2020年9月11日,20,MTR Co. , USA,等温PVAP管式陶瓷膜组件,2020年9月11日,21,ICOM2002会议资料, 7-12 July 2002, Toulouse, France,膜生物反应器工艺,2020年9月11日,22,膜生物反应器的分类,在膜生物反应器中，酶、细胞或微生物可以三种形态存在： 溶解酶和悬浮细胞的游离态， 膜表面或膜内酶蛋白凝胶以及膜截留细胞层

6、的浓集态， 以吸附、键合或包埋方式固定在膜表面或膜腔内的酶或细胞的呈固定化态；,2020年9月11日,23,生物膜与膜生物反应器的传递形式,流动控制型,2020年9月11日,24,扩 散 型,S-底物， P-渗透物,膜生物反应器及其分类,2020年9月11日,25,按生物反应器与膜单元结合方式分： 分置式系统 一体式系统 隔离式系统,分置式与一体式膜生物反应器,2020年9月11日,26,各种膜生物反应器,2020年9月11日,27,无泡曝气MBR工艺,2020年9月11日,28,萃取MBR工艺,2020年9月11日,29,分置式与一体（内置）式膜-生物反应器工艺简图,2020年9月11日,3

7、0,旋转流膜分离器,2020年9月11日,31,旋转流和一体式膜生物反应器透水量比较,2020年9月11日,32,气升循环分体式膜生物反应器,2020年9月11日,33,逆向渗透式膜生物反应器,2020年9月11日,34,旋转式膜生物反应器,2020年9月11日,35,浸入式中空纤维膜反应器,2020年9月11日,36,膜污染,2020年9月11日,37,膜污染的防治,造成膜污染的主要原因： 污染物质在膜表面或孔内的吸附、或微粒在膜孔内的不可逆堵塞； 膜表面的浓差极化。,2020年9月11日,38,膜污染的影响因素,2020年9月11日,39,膜污染的防治,优化反应器结构 进行膜清洗 物理清洗

8、 化学清洗,2020年9月11日,40,膜污染的防治,预处理 物理处理：原水经格栅处理后，原水中的悬浮颗粒物可以除去近一半，并可去除少量COD，减轻膜污染； 化学处理：通过加入一些化学试剂，改变pH值等，出去离子沉淀。,2020年9月11日,41,膜污染的物理清洗,膜的反冲洗 指在膜工作了一段时间后，在膜的透出水面施加一个反冲洗压力Pb，在Pb驱动下，清洗水反向穿过膜，将膜孔中的堵塞物洗脱，并使膜表面的滤层悬浮起来，然后被水冲走。反冲洗具有防止与疏通膜纤维堵塞、减小膜阻力，提高透水率及透水率稳定性的作用。,2020年9月11日,42,防治膜污染的主要途径,污染后的膜需要采用适当的方法恢复其通量

9、。目前，回复通量的方法有物理清洗和化学清洗两种。采用化学清洗时，由于使用的化学试剂容易造成二次污染，不便于工程上的运行，因此，在实际过程中应用较少。当前，物理清洗是消除膜污染的主要方法。,2020年9月11日,43,膜过滤的影响因素,膜性质 料液性质 膜分离的操作条件,2020年9月11日,44,膜生物反应器设计,2020年9月11日,45,2020年9月11日,46,膜生物反应器设计的技术参数,曝气池容积与膜面积比 污泥负荷率 污泥浓度 膜通量,污泥负荷率,污泥负荷率 N = QS0/VX 式中： N：污泥负荷率kg（BOD5）/kg（MLSS）d； V：曝气池的容积（m3）； X：曝气池污

10、泥浓度（mg/L）； S0：曝气池进水BOD5（mg/L）； Q：进水流量（m3/d）。,2020年9月11日,47,污泥浓度计算,2020年9月11日,48,根据膜过滤凝胶极化模型，当过滤达到稳态时，膜界面污泥浓度达到临界值而不再变化， J=klog（Xg/X） 式中， Xg：膜界面污泥浓度（mg/L）； X：混合液污泥浓度（mg/L）； K;传质系数（m3/m2d）。,曝气池容积与膜面积比,曝气池容积与膜面积比 V/A=（JS0）/（NX） 其与同污泥负荷率、膜稳态通量、污泥浓度、进水有机物浓度有关,2020年9月11日,49,膜通量计算,膜通量 J = Q/A 式中， J：膜稳态通量（m

11、3/m2d）； A：膜面积（m2）； Q：膜透过水量（m3/d）。,2020年9月11日,50,水力停留时间(HRT),当膜面积一定时，膜生物反应器水力停留时间代表了其处理能力。随着膜生物反应器的运行，膜通量的变化实际上是一个动态平衡过程，决定了水力停留时间在一定范围内的变化。,2020年9月11日,51,泥龄（c),细胞的平均停留时间，是微生物在爆气池中的平均培养时间。 在间歇过程中 cHRT 在连续处理过程中 cHRT 在膜生物反应器中 c 进一步提高（可调）,2020年9月11日,52,污泥停留时间,膜分离延长了生物反应器的活性污泥的停留时间，降低了污泥产率，提高了容积硝化及有机物去除能

12、力。但是活性污泥相对活菌数减少，细菌比活性降低。较低的多糖比也说明污泥相对老化。SRT愈长，细菌被循环次数愈多，失活的可能性愈大。显然，从维持生物活性的角度出发，对膜生物反应器系统宜定期适量排泥，以提高污泥活性。,2020年9月11日,53,污泥指数（SVI）,污泥指数又称污泥溶剂指数，指曝气池混合液经30分钟沉淀后，1克污泥所占有得沉淀污泥容积得毫升数，可用下式计算 式中： SV 为污泥沉降比：指体定量地嚗气池混合液静置30分钟后，沉淀污泥与原混合液之体积比，通常曝气池混合液地沉降比范围为1530。,2020年9月11日,54,不同形式膜生物反应器的技术参数,2020年9月11日,55,HR

13、T对BOD5去除率的影响,2020年9月11日,56,从上表中可看出，HRT的变化虽然使出水水质有所波动，但BOD5去除率都在95%以上。这是由于曝气池内污泥浓度较高，有较强的抗冲击负荷的能力；另外，膜及其表面形成的凝胶层也可截留大分子有机物，保证出水水质。,膜生物反应器的设计概述,对于膜生物反应器设计，其技术参数涉及生物反应器与膜组件两部分。 对生物反应器部分，其控制参数包括：温度、pH、水力停留时间（HRT）、污泥停留时间（SRT）、污泥浓度（MLSS）和污泥负荷等； 对膜组件，则涉及膜材料、膜孔径及结构、膜组件形式等的选择，操作压力、膜面流速、透水率、反清洗时间和反洗周期等操作参数。,2

14、020年9月11日,57,膜生物反应器的应用,2020年9月11日,58,膜生物反应器的应用,高浓度有机废水 养殖屠宰废水 生活污水处理,2020年9月11日,59,膜生物反应器处理废水,2020年9月11日,60,膜生物反应器其他应用,中空纤维膜用于（动物、植物）细胞培养 酶膜生物反应器用于蛋白质的水解 酶膜生物反应器用于产物的合成 酶膜生物反应器用于手性物拆分 酶与微生物膜反应器用于有机废气的生物转化,2020年9月11日,61,哑铃型中空纤维膜组件,2020年9月11日,62,中空纤维膜组件用于细胞培养,2020年9月11日,63,中空纤维及平板式膜组件,2020年9月11日,64,微生

15、物膜反应器,2020年9月11日,65,膜生物反应器处理各种废水过程,2020年9月11日,66,酶膜生物反应器用于蛋白质的水解,2020年9月11日,67,酶膜生物反应器用于产物的合成,2020年9月11日,68,酶膜生物反应器用于手性物拆分,2020年9月11日,69,植物细胞培养,2020年9月11日,70,动物细胞培养,2020年9月11日,71,膜生物反应器的某些中试应用,2020年9月11日,72,膜生物反应器处理废水应用实例,城市污水的处理 工业有机废水的处理,2020年9月11日,73,城市污水的处理,生活污水回用中的应用 由于应用于此中场合的污水处理系统除要求回用的处理水必须

16、有良好的水质，同时还要求污水处理系统流程简单，占地小，稳定性高，管理方便。要达到上述回用水的水质要求，通常必须进行三级处理。然而三级处理的费用相当贵，以至于无法被广泛采用。而膜生物反应器则以低的多费用就能达到这一要求。我国有人采用无机膜生物反应器处理生活污水，出水水质优于生活杂用水质标准。,2020年9月11日,74,城市污水的处理,在粪便污水处理中的应用 粪便污水的特点是有机含量很高，因此，目前对其处理普遍采用传统的反硝化处理方法，但是，由于MLSS浓度很高，固液分离过程不稳定，其处理效果不佳。用超滤膜过滤（UMF）设计的膜生物反应器能很好地解决这一问题。通常，这样的MBR系统由三部分组成，

17、包括接收单元、高效脱氮生物反应器和深度处理单元（包括消毒）。,2020年9月11日,75,工业有机废水的处理,有机物废水的主要污染指标是悬浮固体量SS和生化需氧量BOD5（以5天计算的BOD的含量）两项，但不同种类工业废水浓度相互间却相差悬殊。除SS和BOD5外，与普通城市生活污水不同，工业有机废水中往往含有毒性污染物和酸碱污染物等，如焦化厂废水在含氰化物3040mg/L和酚类物质4050mg/L；电镀废水中的六价铬可高达100mg/L。,2020年9月11日,76,工业有机废水处理工艺的选择,2020年9月11日,77,膜生物反应器的优势与不足,各类膜生物反应器的共同特点是： 污泥浓度高、固

18、体停留时间长、有机物去除率高、硝化效果好。 而水通量低，动力消耗大则是当前膜生物反应器需要加以解决的主要问题,2020年9月11日,78,1.膜的价格与膜的更换频率；2.功率或能耗；3.料液对膜的污染程度。其中，膜污染和能耗是MBR推广应用的共同问题。,2020年9月11日,79,膜生物反应器存在的问题,膜生物反应器应用设计例,小区污水回用,2020年9月11日,80,膜生物反应器应用设计例,2020年9月11日,81,膜生物反应器工艺出水水质,2020年9月11日,82,住宅小区中水系统经济分析,2020年9月11日,83,住宅小区中水系统经济分析,假设小区日洗浴、盥洗用水量为： 8003(60+3