簡介： 介紹了mbr在國內(nèi)外污水處理中的研究及應(yīng)用,以及mbr技術(shù)的分類及特點。
關(guān)鍵字：膜生物反應(yīng)器 污水處理 特點
膜生物反應(yīng)器(membranebioreactor,簡稱mbr),是由膜分離和生物處理結(jié)合而成的一種新型、高效的污水處理技術(shù)。膜分離技術(shù)最早應(yīng)用于微生物發(fā)酵工業(yè),隨著膜材料和制膜技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大,已經(jīng)涉及到化工、電子、輕工、紡織、冶金、食品、石油化工和污水處理等多個領(lǐng)域。
1 mbr技術(shù)在國外污水處理中的研究及應(yīng)用
膜分離技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用開始于20世紀(jì)60年代末#1969年美國的smith等人首次將活性污泥法與超濾膜組件相結(jié)合用于處理城市污水的工藝研究,該工藝大膽地提出了用膜分離技術(shù)取代常規(guī)活性污泥法中的二沉池,利用膜具有高效截留的物理特性,使生物反應(yīng)器內(nèi)維持較高的污泥濃度,在f/m低比值下工作,這樣就可以使有機物盡可能地得到氧化降解,提高了反應(yīng)器的去除效率,這就是mbr的最初雛形。
進入20世紀(jì)70年代,有關(guān)mbr的研究進一步深入開展#1970年,hardt等人使用完全混合生物反應(yīng)器與超濾膜組合工藝處理生活污水,獲得了98%的cod去除率和100%去除細(xì)菌的結(jié)果。1971年,bemberis等人在污水處理廠進行了mbr試驗,取得了良好的試驗結(jié)果。1978年,bhattacharyya等人將超濾膜用于處理城市污水,獲得了非飲用回用水。1978年,grethlein利用厭氧消化池與膜分離進行了處理生活污水的研究,bod和tn的去除率分別為90%和75%。
在這一時期,盡管各國學(xué)者對mbr工藝做了大量的研究工作,并獲得了一定的研究成果,但是由于當(dāng)時膜組件的種類很少,制膜工藝也不是十分成熟,膜的壽命通常很短,這就限制了mbr工藝長期穩(wěn)定的運行,從而也就限制了mbr技術(shù)在實際工程中的推廣應(yīng)用。
進入20世紀(jì)80年代以后,隨著材料科學(xué)的發(fā)展與制膜水平的提高,推動了膜生物反應(yīng)器技術(shù)的向前發(fā)展,mbr工藝也隨之得到迅速發(fā)展。日本研究者根據(jù)本國國土狹小!地價高的特點對mbr技術(shù)進行了大力開發(fā)和研究,并在mbr技術(shù)的研究和開發(fā)上走在了前列,使mbr技術(shù)開始走向?qū)嶋H應(yīng)用。
20世紀(jì)90年代以后,mbr技術(shù)得到了最為迅猛的發(fā)展,人們對mbr在生活污水處理!工業(yè)廢水處理!飲用水處理等方面的應(yīng)用都進行了研究,mbr已經(jīng)進入實際應(yīng)用階段,并得到了快速的推廣。
20世紀(jì)的最后幾年,人們圍繞著膜生物反應(yīng)器的關(guān)鍵問題進行了較多的研究,并取得了一些成果。有關(guān)膜生物反應(yīng)器的研究從實驗室小試!中試規(guī)模走向了生產(chǎn)性試驗,應(yīng)用mbr的中、小型污水處理廠也逐漸見諸報道。1998年初,歐洲第一座應(yīng)用一體式膜生物反應(yīng)器的生活污水處理廠在英國的porlock建成運行,成為英國膜生物反應(yīng)器技術(shù)的里程碑。
本世紀(jì)初,人們對膜生物反應(yīng)器的研究方興未艾,使得該項技術(shù)正在逐漸趨于成熟。
2 mbr技術(shù)在國內(nèi)污水處理中的研究及應(yīng)用
我國對膜生物反應(yīng)器的研究雖然起步較晚,但發(fā)展速度很快。1991年,芩運華對膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用進行了綜述,介紹了mbr在日本的研究狀況,這是我國學(xué)者對膜生物反應(yīng)器做的較早的報道。隨后,江成璋等人進行了中空纖維超濾膜在生物技術(shù)中的應(yīng)用研究。1995年,樊耀波將mbr用于石油化工污水凈化的研究,研制出一套實驗室規(guī)模的好氧分離式mbr。
從1995年以來,我國對膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)的研究工作開始全面展開,多家科研院所進行了此方面的研究,清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、天津大學(xué)、同濟大學(xué)等對膜生物反應(yīng)器的運行特性、膜通量的影響因素、膜污染的防止與清洗等方面做了大量細(xì)致的研究工作。2000年,顧平采用國產(chǎn)中空纖維膜對生活污水做了中試規(guī)模的mbr研究,結(jié)果表明：mbr工藝出水懸浮物為零,細(xì)菌總數(shù)優(yōu)于飲用水標(biāo)準(zhǔn),cod和氨氮的去除率都高于95%,出水可直接回用。2001年,張立秋等對一體式mbr處理生活污水的主要設(shè)計參數(shù)hrt、srt等進行了理論推導(dǎo),為實際工程設(shè)計提供了參考,并對膜堵塞機理進行了深入研究探討,提出了膜內(nèi)部生物堵塞的存在。
雖然,我國在mbr技術(shù)的研究探討方面取得了顯著的成績,但是同日本、英國、美國等國家相比,我國的研究試驗水平還比較落后,由于國產(chǎn)膜組件的種類較少,膜質(zhì)量較差,壽命通常較短,因此在實際應(yīng)用中存在一定的問題。雖然在我國膜生物反應(yīng)器用于處理生活污水已有應(yīng)用,但到目前為止,設(shè)計完善、運行良好的應(yīng)用膜生物反應(yīng)器的生活污水處理廠還未見報道。
3 mbr工藝的分類
膜生物反應(yīng)器主要是由膜組件和生物反應(yīng)器兩部分組成#根據(jù)膜組件與生物反應(yīng)器的組合方式可將膜生物反應(yīng)器分為以下三種類型:分置式膜生物反應(yīng)器、一體式膜生物反應(yīng)器和復(fù)合式膜生物反應(yīng)器。
3.1 分置式膜生物反應(yīng)器
分置式膜生物反應(yīng)器是指膜組件與生物反應(yīng)器分開設(shè)置,相對獨立,膜組件與生物反應(yīng)器通過泵與管路相連接#分置式膜生物反應(yīng)器的工藝流程如圖1所示。
該工藝膜組件和生物反應(yīng)器各自分開,獨立運行,因而相互干擾較小,易于調(diào)節(jié)控制,而且,膜組件置于生物反應(yīng)器之外,更易于清洗更換#但其動力消耗較大,加壓泵提供較高的壓力,造成膜表面高速錯流,延緩膜污染,這是其動力費用大的原因,每噸出水的能耗為2~10kwh,約是傳統(tǒng)活性污泥法能耗的10~20倍,因此能耗較低的一體式膜生物反應(yīng)器的研究逐漸得到了人們的重視。
3.2 一體式膜生物反應(yīng)器
一體式膜生物反應(yīng)器起源于日本,主要用于處理生活污水,近年來,歐洲一些國家也熱衷于它的研究和應(yīng)用#一體式膜生物反應(yīng)器是將膜組件直接安置在生物反應(yīng)器內(nèi)部,有時又稱為淹沒式膜生物反應(yīng)器(smbr),依靠重力或水泵抽吸產(chǎn)生的負(fù)壓或真空泵作為出水動力#一體式膜生物反應(yīng)器工藝流程如圖2所示。該工藝由于膜組件置于生物反應(yīng)器之中,減少了處理系統(tǒng)的占地面積,而且該工藝用抽吸泵或真空泵抽吸出水,動力消耗費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分置式膜生物反應(yīng)器,每噸出水的動力消耗約是分置式的1/10。如果采用重力出水,則可完全節(jié)省這部分費用。但由于膜組件浸沒在生物反應(yīng)器的混合液中,污染較快,而且清洗起來較為麻煩,需要將膜組件從反應(yīng)器中取出。
3.3 復(fù)合式膜生物反應(yīng)器
復(fù)合式膜生物反應(yīng)器也是將膜組件置于生物反應(yīng)器之中,通過重力或負(fù)壓出水,但生物反應(yīng)器
的型式不同#復(fù)合式mbr,是在生物反應(yīng)器中安裝填料,形成復(fù)合式處理系統(tǒng),其工藝流程如圖3所示。
在復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中安裝填料的目的有兩個：一是提高處理系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷,保證系統(tǒng)的處理效果;二是降低反應(yīng)器中懸浮性活性污泥濃度,減小膜污染的程度,保證較高的膜通量。
復(fù)合式膜生物反應(yīng)器中,由于填料上附著生長著大量微生物,能夠保證系統(tǒng)具有較高的處理效果并有抵抗沖擊負(fù)荷的能力,同時又不會使反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥濃度過高,影響膜通量。
4 mbr工藝的特點
4.1 對污染物的去除效率高
mbr對懸浮固體(ss)濃度和濁度有著非常良好的去除效果。由于膜組件的膜孔徑非常小(0.01~1µm),可將生物反應(yīng)器內(nèi)全部的懸浮物和污泥都截留下來,其固液分離效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于二沉池,mbr對ss的去除率在99%以上,甚至達到100%;濁度的去除率也在90%以上,出水濁度與自來水相近。
由于膜組件的高效截留作用,將全部的活性污泥都截留在反應(yīng)器內(nèi),使得反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度可達到較高水平,最高可達40~50g/l。這樣,就大大降低了生物反應(yīng)器內(nèi)的污泥負(fù)荷,提高了mbr對有機物的去除效率,對生活污水cod的平均去除率在94%以上,bod的平均去除率在96%以上。
同時,由于膜組件的分離作用,使得生物反應(yīng)器中的水力停留時間(hrt)和污泥停留時間(srt)是完全分開的,這樣就可以使生長緩慢、世代時間較長的微生物(如硝化細(xì)菌)也能在反應(yīng)器中生存下來,保證了mbr除具有高效降解有機物的作用外,還具有良好的硝化作用。研究表明,mbr在處理生活污水時,對氨氮的去除率平均在98%以上,出水氨氮濃度低于1mg/l。
此外,選擇合適孔徑的膜組件后,mbr對細(xì)菌和病毒也有著較好的去除效果,這樣就可以省去傳統(tǒng)處理工藝中的消毒工藝,大大簡化了工藝流程。
另外,在do濃度較低時,在菌膠團內(nèi)部存在缺氧或厭氧區(qū),為反硝化創(chuàng)造了條件。僅采用好氧mbr工藝,雖然對tp的去除效率不高,但如果將其與厭氧進行組合,則可大大提高tp的去除率。研究表明,采用a/o復(fù)合式mbr工藝,對tp的去除率可達70%以上。
4.2 具有較大的靈活性和實用性
在城市污水或工業(yè)廢水處理中,傳統(tǒng)的處理工藝(格柵+沉砂池+初沉池+曝氣池+二沉池+消毒池)流程較長,占地面積大,而出水水質(zhì)又不能保證。而mbr工藝(篩網(wǎng)過濾+mbr)則因流程短、占地面積小!處理水量靈活等特點,而呈現(xiàn)出明顯優(yōu)勢#mbr的出水量根據(jù)實際情況,只需增減膜組件的片數(shù)就可完成產(chǎn)水量調(diào)整,非常簡單、方便。
對于傳統(tǒng)的活性污泥法工藝中出現(xiàn)的污泥膨脹現(xiàn)象,mbr由于不用二沉池進行固液分離,可以輕松解決。這樣,就大大減輕了管理操作的復(fù)雜程度,使優(yōu)質(zhì)!穩(wěn)定的出水成為可能。
同時,mbr工藝非常易于實現(xiàn)自動控制,提高了污水處理的自動化水平。
4.3 解決了剩余污泥處置難的問題
剩余污泥的處置問題,是污水處理廠運行好壞的關(guān)鍵問題之一#mbr工藝中,污泥負(fù)荷非常低,反應(yīng)器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)相對缺乏,微生物處在內(nèi)源呼吸區(qū),污泥產(chǎn)率低,因而使得剩余污泥的產(chǎn)生量很少,srt得到延長,排除的剩余污泥濃度大,可不用進行污泥濃縮,而直接進行脫水,這就大大節(jié)省了污泥處理的費用。有研究得出,在處理生活污水時,mbr最佳的排泥時間在35d左右。
由上述可知,mbr工藝所具有的優(yōu)越性,是目前其他處理工藝無法比擬的#該工藝在城市污水或生活污水處理!高濃度有機廢水、難降解有機廢水以及中水回用等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。
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