膜生物反应器

0膜生物反应器的应用研究摘要：主要介绍了膜生物反应器的定义、分类和特点及其在废水处理中的应用现状，还介绍了膜生物反应器中的膜污染及其调控措施。研究表明，使用膜生物反应器对毛纺织印染废水进行处理，出水水质基本能够达到生活杂用水水质标准。关键词：膜生物反应器；废水处理；膜污染；调控措施Abstract：Thedefinition,classificationandcharacteristicsofmembranebiologicalreactoranditsapplicationinwastewatertreatmentwaremainlyintroduced,themembranebio-reactormembranepollutionanditscontrolmeasuresalsowareintroduced.Researchshowsthat,usingmembranebiologicalreactorforwooltextileprintinganddyeingwastewatertreatment,theeffluentqualitycanachievebasicmiscellaneousdomesticwaterqualitystandard.Keywords：membranebioreactor;wastewatertreatment；membranefouling;controllingmeasures1膜生物反应器简介膜生物反应器(membranebioreactor，简称MBR)是一种高效膜分离技术与活性污泥法相结合的新型水处理技术。中空纤维膜的应用取代活性污泥法中的二沉池，进行固液分离，有效的达到了泥水分离的目的。充分利用膜的高效截留作用，能够有效地截留硝化菌，完全保留在生物反应器内，使硝化反应顺利进行，有效去除氨氮，避免污泥的流失，并且可以截留一时难于降解的大分子有机物，延长其在反应器的停留时间，使之得到最大限度的分解[1]。生物反应器是以微生物细胞或酶作为催化剂或可产生催化剂,进行生化反应和转化的装置,膜生物反应器(MBR)则是膜与生物的结合产物,以实现微生物发酵,动植物细胞培养和生物催化转化等。膜生物反应器通常在常温和常压下进行生化反应,可使产物或副产物从反应区连续地分离出来,打破反应的平衡,从而可大大地提高反应转化率,增加产率或处理能力,过程能耗低、效率高。目前,水处理中的膜生物反应器多用于污水处理(少量用于表面水),与传统的活性污泥法(CASP)比,由于膜反应器取代了二级澄清池,这可使污泥停留时间(SRT)和水力停留时间(HRT)分别控制,由于SRT大,泥龄长,污泥浓度高,抗冲击负荷能力强,降解速率高,降解充分,对难降解物质也可使之降解,占地省,污泥量少,通常对COD和NH3-N的去除率在90%以上,处理后的水可直接作为市政用水或进一步处理作各种工业用水。2MBR的分类和工作机理水处理中的膜生物反应器是由生物反应器与微滤、超滤、纳滤或反渗透膜系统组成,因而可分为微滤膜生物反应器,超滤膜生物反应器。据膜系统与生物反应器组合的方式和位置,膜生物反应器又可分为循环式(分置式)和浸没式(一体式)两种,如图1和图2所示。浸没式膜生物反应器(SMBR)中,膜组件直接浸泡于反应器中,反应器下方有曝气装置,将空压机送来的空气形成上浮的微气泡,在曝气的同时,又使膜表面产生一剪切应力,利于膜表面除污,透过液在抽1吸泵的负压下流出膜组件。MBR利用膜分离组件实现废水生物处理后污泥与水的分离，膜分离组件主要有微滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)三种，根据不同的需要可以进行相应的选择。按照膜组件在生物反应器中所起的作用，MBR可分为三类：膜分离生物反应器、膜曝气生物反应器和萃取膜生物反应器。在污水处理中，尤其是工业废水处理中主要使用的是膜分离生物反应器。按照膜组件与生物反应器的组合位置，MBR可分为分置式MBR和一体式MBR两种，其中分置式有助于设备的清洗、更换、增设，但泵的高速旋转对某些菌种会产生失活作用；一体式不使用泵，可省掉循环用管路配置，但膜清洗较为困难，膜污染问题较难解决[2]。图1循环式膜生物反应器示意图图2浸没式膜生物反应器示意图MBR的分类具体如下表1所示。表1MBR的分类内容分类膜组件管式、板框式、中空纤维式膜材料有机膜、无机膜压力驱动形式外压式、抽吸式生物反应器好氧、厌氧膜组件与生物反应器的组合分置式、一体式(浸没式)3MBR的特点MBR利用膜的高效固液分离作用代替了传统活性污泥法中的二沉池，克服了污泥膨胀等问题，其主要工艺特点如下：（1）污染物去除率高，出水浊度很低，出水可直接回用于市政绿化、工业冷却水等，且设备占地小；（2）能将所有的微生物截留在生物反应器内，与活性污泥法相比，可使反应器中的生物浓度提高5~10倍，实现反应器水力停留时间和污泥泥龄的完全分离，可提高难降解有机物的降解效率；2（3）生物反应器中的微生物浓度高，耐冲击负荷；（4）反应器在低F/M下运行，剩余污泥量少，无污泥膨胀现象，对氮、磷等的去除效率高；（5）传质效率高,氧的转移效率高达60%左右；（6）泥龄可实现无限长，硝化能力强；（7）设备占地面积小，工艺集中，易于操作管理；（8）使用过程中存在的膜污染问题，一定程度上制约了膜生物反应器的应用[3]。4MBR在印染废水处理中的应用4.1印染废水的来源及特征纺织工业的加工对象以棉、毛、丝绸、化纤等为主，每一种加工对象都有特殊的加工工艺及相应的浆料、染料、助剂。如棉织物工业废水主要来自退浆、煮练、漂白、丝光、染色、印花等工序；而毛纺织工业废水主要来自洗毛、染色、预缩工序。因此纺织工业污水中含有棉、毛及纺织品上洗脱的油类、脂类、盐类和纤维素，以及在加工过程加入的各种浆料、染料、表面活性剂、助剂、酸、碱、盐等，这类污水的成分比较复杂，具有很高的COD（化学需氧值），对人类的健康和环境造成极大地危害。印染废水存在的主要问题是：水量大，成分复杂，生物难降解物多，脱色困难，运行费用高等。印染废水主要来自退浆、煮练、漂白、丝光、染色、印花、整理工序。正是这些决定了印染废水具有以下特点：（1）色度大、有机物含量高；（2）水质变化范围大；（3）pH值变化大；（4）水温水量变化大。4.2MBR在印染废水处理中的应用中国科学院生态环境研究中心的郑祥，刘俊新研究了厌氧反应器与好氧MBR组合工艺处理毛纺印染废水的试验[4]。试验系统主要由高位水箱、厌氧反应器、好氧反应器、膜组件单元及曝气单元组成，废水为某毛纺厂污水站经过0.5mm筛板筛虑后的毛纺印染废水，该废水组分复杂，含有染料、染化助剂、毛料漂染过程产生的各种污染物，实验结果表明：COD的去除率平均达80.3%，出水COD平均值为37mg/L，对BOD5去除率平均达95%，而采用常规生物处理工艺对COD去除率平均为42%，出水的色度一般可保持在20倍左右，色度的平均去除率达59%，在系统稳定运行期间生物反应器内污泥的VSS/SS基本无变化，说明系统内没有明显的无机物积累。西安工程大学环境与化工学院的同帜等研究了A/OMBR(一体式)系统处理印染废水[5]，试验主要对印染废水的生物处理进行改进，在核心单元氧化池中引入膜组件，组成一体式MBR系统，省去了传统生物处理依靠重力的固液分离系统，减少了基建投资，同时为提高印染废水的可生化性，利于后续MBR的处理，在好氧MBR处理单元前加入了厌氧水解酸化单元，组成了A/OMBR(一体式)处理系统，经处理后可使印染废水达到标准排放。实验表明：实验中A/OMBR(一体式)系统最佳运行条件为HRT=9-10h，DO=2-3g/L，该系统在最佳的运行条件下可使印染废水的COD≤100mg/L，最小可以达到21.80mg/L，色度=2-16倍，浊度≈0，SS≈0，pH=7-8.5；该处理系统费用低、效果好，其中A/O系统可提高印染废水的可生化性，利于后续MBR的处理，最终可使印染废水实现达标排放。34.3MBR在印染废水处理应用中的展望未来MBR工艺的应用及其在印染废水处理方面的发展，与我国印染行业的变化有很大的关系。当前及未来较长一段时间内，我国印染行业的行业规模越来越大，废水产量也将随之增大；废水中新型助剂、染料等大量存在，可能会导致难降解有毒有机物组分的含量也越来越多。因而MBR技术的研究将集中在：（1）膜污染机理的研究和预防，保持膜通量的基础上降低运行和维护成本；（2）新型膜材料的研究和开发；（3）自动化程度的进一步提高等。膜技术作为21世纪最有前景的水处理技术，将有着更加广泛的发展前景，未来MBR处理印染废水的研究将呈现以下几种趋势：（1）由于MBR技术对印染废水处理有较强的适用性，MBR工艺处理印染废水的研究和应用将越来越多。（2）多样化的组合工艺与MBR工艺组合处理印染废水，可弥补MBR技术不足，充分发挥其作用。单独采用MBR工艺处理印染废水也将会是未来研究的一个新方向。（3）MBR技术处理印染废水将会更多地应用到实际工程中，小处理量的成型MBR设备将会出现，并被推广应用于小型分散型印染企业。（4）深入研究MBR处理印染废水过程中的污染情况，预防和降低膜污染，促进MBR在印染废水处理中的应用。（5）更多的社会科研机构和个人将会参与MBR技术处理印染废水的研究。MBR作为一种较新的印染废水处理系统，由于其诸多优点而得到广泛的研究和应用。印染废水的特点与MBR工艺有着良好的切合点，随着MBR技术研究的发展和印染行业清洁生产的倡导，采用MBR技术处理印染废水将会有良好的应用前景，其对印染行业清洁生产的实现也将作出重要贡献。5生物膜反应器处理农村生活污水应用集中式污水处理系统是通过庞大的排水管网系统，将污水输送到城市污水处理厂进行处理；但这种方式在农村难以实施，因农村村落集镇较为分散，将污水收集后输往污水处理厂存在一定难度。人工湿地污水处理系统占地面积大，适用于有大量土地可以利用的地区。在我国经济发达地区的农村及其城乡结合部，目前已无大量土地资源用作人工湿地进行污水处理。因此农村村落集镇的污水处理，需要走小型化、就地化、分散式处理的道路［6］。膜生物反应器具有出水水质好、占地面积小、可实现自动控制等特点。该技术通过膜的高效分离作用，可提高泥水分离效率；同时，该工艺能减少剩余污泥的产量，从而基本解决了传统生物方法存在的问题；其可以集约制作成一体化柜箱式的外形，实现小型化、自动化，可使得农村生活污水得以就地处理。6膜生物反应器中的膜污染及其调控措施随着水污染的日益加剧，污水排放标准越来越严格，人们对污水回用的要求也有所提高。近年来，膜生物反应器（MBR）由于具有出水水质优异、操作运行简单、污泥产率低、占地面积小等优点［7］，在污水处理的应用范围和规模不断4扩大，关于MBR研究的广度和深度也不断加强，但MBR的膜污染问题，严重影响该工艺的稳定运行，决定了膜的使用寿命，限制了MBR的推广和应用，被认为是影响MBR工艺实际应用的关键因素［8］。有关膜污染的机理和防止措施成为研究的热点和难点，因此采取有效、合理的调控措施控制膜污染，是MBR工艺走向成熟的关键。6.1膜污染根据国际纯粹和应用化学协会（IUPAC）的定义，膜污染是指由于悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔隙和孔隙内壁，从而造成膜通量降低的过程。广义的膜污染不仅包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的污染（不可逆污染），而且包括由于可逆的浓差极化导致凝胶层的形成（可逆污染），二者共同造成运行过程中膜通量的衰减，其中浓差极化作用和微生物的滋生是使膜分离过程的运行阻力增加、通量降低的主要原因。根据膜污染形成的位置可以分为外部堵塞（污染物吸附沉积在膜的表面，增加了水流过膜的阻力）和内部堵塞（污染物在膜孔内吸附沉积，减小了膜孔径，从而降低了膜通量）；根据造成污染的物质不同，可分为无机污染、有机污染、生物污染和浓差极化。6.2膜污染的影响因素膜污染的影响因素比较复杂，主要有：膜的性质、操作条件和活性污泥混合液性质。6.2.1膜性质的影响膜的性质主要有：膜材质、膜孔径大小、