膜生物反应器在废水处理中地应用及研究_何静 7页

广东微量元素科学2006年GUANGDONGWEILIANGYUANSUKEXUE第13卷第9期文章编号:1006-446X(2006)09-0016-07膜生物反应器在废水处理中的应用及研究何静万新南(成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都610059)摘要:膜生物反应器是将生物反应器与膜分离技术相结合的一种高效废水处理新技术。介绍了膜生物反应器的类型、特点以及其在处理生活污水、工业废水、垃圾渗透液、粪便污水和中水回用中的研究和应用现状,提出了膜生物反应器所存在的问题及其研究进展。关键词:膜生物反应器;污水处理;膜污染中图分类号:X70311文献标识码:A近年出现的膜生物反应器组合工艺(membranebioreactor,简称MBR)是一种新型污水处理技术,它是将污水的生物处理和膜过滤技术相结合的高效废水生物处理工艺。单一的采用常规生物处理,例如以活性污泥为代表的传统好氧生物处理工艺,虽然其具有处理能力强,出水水质好等优点,但也存在负荷低,占地面积大,出水水质不够理想且不稳定,能耗高,剩余污泥产量大,管理复杂且易发生污泥膨胀及上浮等问题。随着经济的高速发展以及水环境质量的严重恶化,迫切需要适合时代发展的污水资源化技术,以缓解水资源的短缺状况。因此,这种具有高效处理废水能力的MBR在废水处理中受到了人们的重视。1MBR的分类及工艺特点111分类MBR由生物反应器与膜组件两部分组成。生物反应器多采用活性污泥法。常用于MBR工艺的膜有微滤膜(MF)和超滤膜(UF)。膜以某种形式组装在一个基本单元内,在一定的驱动力下,完成混合液中各组分的分离,这类装置称为膜组件。常用的膜组件形式有:板框式、螺旋卷式、圆管式、毛细管式和中空纤维式。膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池,利用膜组件进行固液分离,截流的污泥回流至生物反应器中,透过水外排。[1][2]按膜组件和生物反应器的相对位置,MBR分为分置式(图1a)和一体式(图1b)两种。分置式MBR是指膜组件与生物反应器分开设置,在分置式MBR中,生物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水,活性污泥、大分子物质等则被膜截留,并回到生物反应器内。其运行稳定可靠,操作管理容易,易于膜的清洗、更换及增设,但动力消耗较[3]大。一体式MBR是指膜组件安置在生物反应器的内部,压力驱动靠水头压差,或用真空泵抽吸,混合液中的水经过选择透过性膜渗入,由泵排出,和外置式相比较,能节省占地,降低运行费用。收稿日期:2006-06-26作者简介:何静(1981)),女,现为成都理工大学在读硕士研究生,研究方向是环境工程。E-mail:hejing813@ya-hoo1com1cn,maomao_813@sina1com#16#n广东微量元素科学2006年GUANGDONGWEILIANGYUANSUKEXUE第13卷第9期图1MBR工艺组成示意图112工艺特点MBR技术具有许多其他生物处理工艺无法比拟的明显优势,主要是以下几点。(1)出水水质良好。由于膜反应器能够高效地进行固液分离,分离效果远好于传统的沉淀池,出水悬浮物和浊度接近于零,可直接回用,实现了污水资源化。(2)使运行控制更加灵活稳定。由于膜的高效截流作用,使微生物完全截留在反应器内,实现了反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(STR)的完全分离。(3)反应器内的微生物浓度高,耐冲击负荷。(4)系统硝化效率较常规的生物反应器有所提高。这是由于停留时间较长,有利于增殖缓慢的硝化细菌的截留、生长和繁殖,通过运行方式的改变亦可有脱氮和除磷功能。(5)泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成分,在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间,大大提高了难降解有机物的降解效率。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行,可以实现基本无剩余污泥排放。(6)系统采用PLC控制,可实现全程自动化控制。(7)占地面积小,工艺设备集中。2MBR在污水处理中的应用[4]MBR污水处理工艺的研究始于20世纪60年代,但当时由于受膜生产技术所限,使其在投入实际应用中遇到了障碍。20世纪70年代后,日本开始重视膜分离技术在废水处理与回用中的[5-6]应用,使膜生物反应器开始实际应用。20世纪80年代以后,随着膜制造技术的发展、膜分离工艺的完善、膜清洗方法的改进及污水厂出水水质要求的提高,膜生物反应器在污水处理行业受到青睐。到今天为止,膜生物反应器系统已应用在生活污水处理及回用、食品工业及啤酒工[7-8]业等方面。膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例见表1。表1膜生物反应器在不同种类废水中的应用比例废水类型比例/%废水类型比例/%工业废水27垃圾渗滤液9生活废水27#17#n广东微量元素科学2006年GUANGDONGWEILIANGYUANSUKEXUE第13卷第9期211在处理生活污水中的应用[9]MBR应用于生活污水的处理研究得比较多,已经有了很多较成熟的经验。邢传宏等利用2无机膜-生物反应器进行处理生活污水试验。在HRT为5h,膜通量为75~150L/(m#h),膜面流速为4m/s,SRT为5、15、30d时,分别经过10、16、14d不同的工况运行,考察了MBR中整个处理过程出水水质情况。结果如表2。表2无机膜-生物反应器出水水质标准CJ2511-89第1阶段第2阶段第3阶段水质项目城市洗车最高最低平均最高最低平均最高最低平均绿化扫除值值值值值值值值值pH619~910619~910815711718815711718815711718-1Q(SS)/(mg#L)105010010010010010010010010010-1Q(COD)/(mg#L)5050301041010102210410101028102101010-1Q((NH3-N)/(mg#L)2010116015112111111111114016110浊度/b10511101911121111113111112-1n(总E#coli)/(个#L)33000000000-3-1研究表明,整个运行过程中最小体积负荷(COD)为0145kg#(m#d),与传统活性污泥法范围-3-1的较低值接近;平均体积负荷为211kg#(m#d),约是传统活性污泥法的2~5倍;最大体积负荷-3-1-3-1为10127kg#(m#d),是传统活性污泥法[014~018211kg#(m#d)]的13~27倍,但是最大-1体积负荷时相应的出水COD仅为21mg#L。这表明了MBR具有很强的耐冲击负荷能力,对COD、NH3-N和浊度的去除率分别超过96%、95%、98%,对SS和E1coli的去除率则达100%。在整个运行过程中的出水水质可以达到回用水标准(表2),说明了与传统的活性污泥法相比,MBR可以免去二沉池,且能够降低反应器的体积为原来的1/5~1/3,同时提高出水水质。212在工业废水中的应用MBR作为一种强化的生物处理工艺,在工业废水处理中也受到重视,尤其是处理高浓度易降解有机废水、有毒难降解有机废水。21211在处理高浓度易降解有机废水方面膜生物反应器对COD的去除是通过膜和活性污泥共同作用达到的。膜分离技术对不溶性有机物的截留对COD去除有一定的去除效果。并且膜生物反应器较好地解决了水力停留时间和污泥停留时间的相互制约问题,使反应系统可获得较高的污[11]泥浓度,从而使膜生物反应器比传统的废水生物处理工艺有更好的处理效果。SCOTT等采用好氧MBR处理冰激凌和奶品厂混合食品废水,在废水温度25e、进水COD质量浓度9600mg/L、BOD5质量浓度5300mg/L和氮营养缺乏的条件下运行,MBR对COD、BOD5和SS分别达到98%,99%,99%的去除率,且污泥产率很低。啤酒生产中废水间歇排放,水质水量变化较大,经常导致传统活性污泥法出水水质恶化、稳[12]定性差,故应用膜-生物反应器处理啤酒废水具有重要的意义。同帜等采用MBR处理啤酒废水,进水水质COD在413~1621mg/L,SS在74~94mg/L,NH4-N在44~76mg/L,浊度在66~69b,pH值在6~7,出水水质COD在14~50mg/L,SS在6~11mg/L,NH4-N在011~019mg/L,浊度为0b,pH值在7~8,由此可见膜生物反应器对COD有较好的去除效果。21212在处理有毒难降解有机废水方面许多工业废水中含有烃类和表面活性剂等污染物,例如炼油、冶金漂洗、压缩制冷、润滑和冷却剂加工等工业的排放废水。目前传统的污水处理法通#18#n广东微量元素科学2006年GUANGDONGWEILIANGYUANSUKEXUE第13卷第9期常不能彻底去除这种废水中稳定化状态的烃类化合物。MBR工艺可以克服这些缺点,处理这种[13][14]废水具有一定优势。SCHOLZ等采用活性污泥反应器外接管式超滤膜组件构成MBR系统处理含乳状油和表面活性剂废水,研究表明,油类污染物的去除率在9912%~9919%之间,对COD的去除率也达到了97%。膜透过液中的油的质量浓度不超过013mg/L。2焦化废水是一种典型的有毒难降解有机废水,如果采用传统的A/O或A/O工艺,其处理效[10]果还不理想,出水COD难以达到新的排放标准(100mg/L以下)。李春杰等深入研究了一体化膜序批式生物反应器(submergedmembranesequencingbatchreactor,简称SMBR)对焦化废水的处理,一池内按照/缺氧)好氧0或/缺氧1)好氧)缺氧20的工况运行,取得了很好的处理效果。213在垃圾渗出液处理中的应用垃圾填埋渗透液含有高浓度的污染物,其CODcr质量浓度约为1000~100000mg/L,BOD5质[15]量浓度约为100~5000mg/L,pH值在4~9之间,色度一般大于800倍。与其他污水相比,[16]渗透液最重要的特征是成分复杂、水质水量波动大。通过膜生物反应器与RO技术的结合,不仅能去除SS、有机物和氨,而且能有效去除盐类与重金属。由上海荏原成套工程有限公司建成的珠海联谊公司垃圾中转站,处理垃圾渗滤液,处理量为60t/d,进水水质Q(COD)[10000[17]mg/L,出水水质可达Q(COD)[80mg/L。214在处理粪便污水中的应用粪便污水中有机物含量很高,传统的反硝化处理要求有很高的污泥浓度,固液分离不稳定,影响了三级处理的效果。MBR则在处理粪便污水上有很大的优势,处理粪便污水时污泥质量浓度高、容积负荷大,生物降解及膜分离单元的水力循环使生物反应器能维持在一定温度,一般为36e左右,这有利于生化降解效率的提高。日本崎玉县越谷市采用该工艺处理粪便污水,污水经系统处理后,出水不含固形物,COD与色度大幅度削减,反应器的污泥质量浓度可高达15000~[18]18000mg/L左右,且系统运行稳定。215在中水回用工程中的应用中水回用,在水资源严重短缺的当今社会有着重要意义。MBR中膜组件具有良好的固液分离效果,处理出水中的CODCr、BOD5、NH3-N、浊度均达到或优于城市杂用水水质标准或工业回[19]用水指标要求。鲍建国等用一体式MBR处理港口污水,系统稳定后出水Q(CODCr)<40mg/L,Q(NH3-N)<5mg/L,浊度<115NTU,Q(油)<5mg/L,出水中SS和大肠杆菌均未检测到,且无臭,无不快感,处理后的出水水质达到CJ2511-895生活杂用水水质标准6中水回用水质标准,可直接回用于港口绿化、冲洗车辆及洒水降尘。3MBR技术存在的问题及其研究进展MBR具有传统工艺所不具备的许多优点,但同时也存在膜污染、膜清洗和膜更换以及能耗高等问题,有待于对其进行深入的研究和改进。311存在的主要问题(1)膜工艺的一大缺点是膜在运行一段时间以后受到污染。膜污染是指处理料液中的微粒、胶体粒子或是溶质大分子有机分子在膜表面和膜孔内吸附、沉淀,造成膜孔径变小或阻塞,使膜通量下降的现象。膜污染取决于混合液组成特性和膜的物化性能。膜生物反应器中膜污染的物质[20-21]来源是活性污泥混合液。对活性污泥混合液这种组成复杂而又变化的体系,要认识其污染机理还需对MBR有个全面的研究。这些工作包括研究污水中污染成分,如无机物、有机物、胶#19#n广东微量元素科学2006年GUANGDONGWEILIANGYUANSUKEXUE第13卷第9期体物质等对膜过滤和膜污染过程的影响及机理;建立膜的有机和生物污染模型。膜的物化性质包括膜材质、膜孔径大小、亲/疏水性、电荷的性质和粗糙度等,这些因素也对膜污染有影响。(2)膜组件结构也是影响MBR发展和应用的重要因素。资料表明,在MBR工艺中,膜组件的费用明显高于占地和土建费用,分别占总投资的7813%和85%。在运行费用中,膜组件的更[22]换费用占总运行费用的40%~75%。(3)MBR的操作参数和工艺流程形式也是MBR急需解决的问题。由于在用于处理污水的MBR中,通常都维持较高的污泥质量浓度(8~12mg/L)。高的污泥质量浓度常导致氧传递率的降低,使得运行能耗变大。过度的曝气不仅浪费能源、增加运行费用,还可能造成膜的损伤,有一[23]个适宜的运行参数是MBR能否成功的关键。这些参数包括在各种临界操作工艺条件下的控制以及在不同活性污泥质量浓度(MLSS)条件下,保证充氧效率的措施,适宜的MLSS,水力停留时间(HRT),污泥停留时(SRT)。(4)能耗高是制约MBR推广的又一重要因素。目前,常规分离式MBR运行能耗为3~433(kW#h)/m,高于活性污泥法的013~014(kW#h)/m。MBR高能耗的原因首先是因为MBR过程必须保持一定的膜驱动压力,其次是MBR中MLSS非常高,所以MBR工艺采用加大曝气量的方式来改善水中氧的传质效果,因而造成能耗偏高。再者污染使膜通量迅速降低,必须增大流速,冲刷膜面,减轻膜污染以维持所需要的膜通量。312研究进展(1)开发高性能、耐污染膜及单位面积处理能力,能从根本上改善膜污染的问题。目前已经[24]研制出了聚酰胺系列、聚丙酰胺系列等有机膜及耐高温高压的无机膜,同时高产水量、高强度、低成本和耐污染的聚乙烯(PE)、聚偏氟乙烯(PVDE)膜材料也在研究中。现在还有将多种材[25]料结合制膜的趋势,如陶瓷聚合物膜。另外最近研究表明,仿生膜能很好地解决传统膜许多难以克服的缺点,具有极好的传递性、分离性、选择性和生物兼容性,人们也开始着手于仿生膜的制备研究。在膜材料确定的情况下,为了尽可能的减少膜污染,对于膜表面结构与性能(亲水性、荷电性、生物活性等),流体力学性能与膜污染性能之间的定性定量关系也在研究中。(2)膜组件的安装设计以及清洗方法对其使用效果也有很大的影响。如果从膜丝的装填密度、装填方式、装填长度上有一个优化设计,将大大提高膜组件的使用效果,将延长膜组件的使用寿命。另外,各种膜(中空纤维膜、平板膜、管式复合膜)组件的结构形式及其生物反应器的优化组合也是研究的内容,目前已从圆柱形的膜组件,已发展到最新型的膜丝敞开帘式膜块型。膜组件清洗手段和频率的试验和探讨也在研究,常规的清洗方法包括:空气反吹冲洗、水反冲洗、空曝气清洗、化学清洗,而近来研究发展较快的清洗方法有超声波清洗,该清洗法对于一般常规清洗方法难以达到要求、几何形状比较复杂的被清洗物,效果尤为明显。(3)为了降低MBR能耗较高的问题,各国学者做了很多研究。研究表明,通过改进膜组件的形式和工艺条件可降低能耗,例如一体式MBR的出现为解决能耗问题前进了一大步,其运行3[26]能耗为012~016(kW#h)/m。TRIQUA等对穿流式MBR进行中试实验,发现其能耗仅为011~3015(kW#h)/m,能耗仅为分离式MBR的1/10,但国内没有更多这方面的报道。(4)在现有工艺基础上开发出了一些新的工艺。在膜生物反应器研究的早期,生物反应器基本上都是采用活性污泥法,膜组件也多采用加压式平板膜。随着膜材料的发展、生物反应器新工艺的开发和研究工作的不断深入,近年出现了一些新型的膜生物反应器,废水研究对象也不断扩大。旋转流生物反应器即是近几年提出的一种新型工艺。它将水力旋流工作原理引入膜技术,通#20#n广东微量元素科学2006年GUANGDONGWEILIANGYUANSUKEXUE第13卷第9期过改进膜器结构和流方式以降低膜污染,增大过滤通量。旋流器内气泡受旋转流的剪切,因聚合、破裂而形成强烈的波动,从而增强了膜面和流体间的相对运动,阻止颗粒向膜面沉积,减少浓差极化和膜孔堵塞。4结语膜生物反应器在污水处理中的研究和应用涉及到生物学、水力学、材料学、经济学和工程学等众多学科,MBR的发展需要每个学科的进一步探索和各个学科之间的相互渗透。虽然膜污染和高能耗问题尚未得到彻底解决,但是由于这项技术有着传统工艺无法比拟的优势,尤其是近20年来有机高分子材料科学的飞速发展,使得膜生物反应器在城市污水和工业污水处理领域中得到了更多的应用。可以相信,随着膜技术发展的日益成熟,MBR技术必然会在我国成为一种实用技术而被广泛采纳。参考文献:[1]夏明芳,吴志超,姜伟立.废水膜生物处理技术研究进展[J].污染防治技术,2002,15(2):16-20.[2]YAMANNOTOK,HIASAM,MAHNOODT,etal.Directsolid-liquidseparationusinghollowfibermembraneinanac-tivatedsludgetank[J].WaterScienceandTechnology,1989,21:4-5.[3]CHIEMCHAISRIC.Organicstablizationandnitrogenremovalinmembraneseparationbioreactorfordomesticwastewatertreatment[J].WatSciTech,1992,25(10):231-240.[4]岑运华.膜生物反应器在污水处理中的应用[J].水处理技术,1991,17(5):319-323.[5]杨磊,王栋,张静姝,等.超滤膜生物反应器处理生活污水的试验研究[J].膜科学与技术,1999,19(3):29-31.[6]孙秀云,王连军,田爱军.MBR在污水处理中的应用[J].污染防治技术,2003,16(4):39-41.[7]BAILEYAD,hANSFORDBS,DOLDPL.Theuseofcrossflowmicrofiltrationtoenhancetheperformanceofanactivatedsludgereactor[J].WatRes,1994,28(2):297-301.[8]CHIEMCHAISRC,YAMAMOTOK.Performanceofmembraneseparationbioreactoratvarioustemperaturesfordomesticwastewatertreatment[J].JMemSci,1994,87:119-129.[9]邢传宏.无机膜-生物反应器处理生活污水试验研究[J].环境科学,1997,18(3):1-4.[10]李春杰.焦化废水的一体化膜序批式生物反应器处理研究[J].上海环境科学,2001,20(1):24-27.[11]SCOTTJA,SMITHKL.Abioreactorcoupledtoamembraneprovideaerationandfiltrationinice-creamfactorywastewaterremediation[J].WatRes,1997,31(1):69-74.[12]同帜,程刚.废水处理中膜生物反应器的应用[J].西北纺织工学院学报,2000,14(3):309-324.[13]顾国维,何义亮.膜生物反应器)))在污水处理中的研究和应用[M].北京:化学工业出版社,2002:132-133.[14]SCHOLZW.Treatmentofoilcontaminatedwastewaterinamembranebioreactor[J].WaterRes,2000,34(14):3621-3629.[15]褚衍洋,徐迪民.垃圾填埋场渗滤液污染控制研究[J].安全与环境工程,2004,11(3):2-3.[16]张兰英.垃圾渗滤液中有机污染物的污染及去除[J].中国环境科学,1998,18(2):184-188.[17]顾国维,何义亮.膜生物反应器)))在污水处理中的研究和应用[M].北京:化学工业出版社,2002:55.[18]赵世杰.膜生物反应器的工艺特点与应用[J].市政技术,2003,21(1):53-55.[19]鲍建国,卢学实.一体式膜生物反应器处理港口污水及回用[J].中国给水排水,2002,18(9):37-38.[20]CHOOKH.Membranefoulingmechanismsinmembrane-coupledanaerobicbioreactor[J].WatSciTech,1996,30#21#n广东微量元素科学2006年GUANGDONGWEILIANGYUANSUKEXUE第13卷第9期(8):1771-1780.[21]TARDIEUE.HydrodynamiccontrolofbioparticledepositioninaMBRappliedtowastewatertreatment[J].JournalofMembraneScience,1998,147:1-12.[22]WallisC,BamardJL.MBRapplicationwillgaininpopularity[J].H2OMBRSpecial,2001(1):62-64.[23]李静,杜启云,戴海平.污水处理中膜生物反应器的研究进展[J].天津工业大学学报,2003,22(6):18-21.[24]陈殿英.膜生物反应器废水处理新工艺[J].化工环保,2002,20(3):75-77.[25]邵刚.膜法水处理技术[M].北京:冶金工业出版社,2000.[26]郑祥.膜生物反应器在水处理中的研究及应用[J].环境污染治理技术与设备,2002,1(5):12-18.ApplicationandDevelopmentofMembraneBioreactorinWastewaterTreatmentHEJing,WANXinnan(CollegeofEnvironmentandCivilEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)Abstract:Membranebioreactor(MBR)isanewwastewatertreatmenttechniquewhichcombinedbiologicaltreatmentwithmembraneseparationprocess.Areviewwith26referencesisgivenonthestructureandcharac-teristicsofMBR.AndMBRisappliedinmunicipalwastewaters,industrialwastewaters,garbageeffusion,fe-calsewageandintermediatewaterreuse.FinallyexitingproblemsanddevelopingforegroundinMBRweredis-cussed.Keywords:MBR;wastewatertreatment;membranefouling#22#