MBR技术基础及其应用(黄霞)

11膜-生物反应器技术基础及其应用清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点实验室黄霞2TsinghuaUniversity讲课提纲膜-生物反应器技术基础膜-生物反应器技术基础膜-生物反应器的应用膜-生物反应器的应用Boylewoo23TsinghuaUniversity膜-生物反应器技术基础传统活性污泥工艺的特点膜-生物反应器的技术原理膜-生物反应器发展概述膜-生物反应器工艺运行条件膜-生物反应器中膜污染控制4TsinghuaUniversity曝气池二沉池进水混合液出水系统出水回流污泥剩余污泥曝气装置传统活性污泥工艺流程Boylewoo35TsinghuaUniversity6TsinghuaUniversity合成细胞～2/3好氧生物处理基本图式可生物降解有机物（CODB）能量CO2,H2O,NH3-N呼吸（氧化）～1/3CO2,H2O能量内源呼吸～80%生物残渣～20%Boylewoo47TsinghuaUniversity硝化过程（好氧过程）：亚硝酸细菌2NH4+3O2--------2NO2+2H2O+4H+硝酸细菌2NO2+O2---------2NO3反硝化过程（缺氧过程）：反硝化细菌C6H12O6+4NO3-------6CO2+6H2O+2N2生物脱氮（硝化/反硝化）8TsinghuaUniversity主要水质指标„BOD5（生化需氧量）20°C下培养5天，由于微生物分解有机物所需的氧量„COD（化学需氧量）指在一定条件下水中有机物与强氧化剂（如重铬酸钾、高锰酸钾）作用所消耗的氧量„SS（悬浮固体）Boylewoo59TsinghuaUniversity主要工艺参数的定义„混合液悬浮固体浓度（MLSS)：表示活性污泥在嚗气池中的浓度„混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS)：表示有机悬浮固体浓度处理城市污水的活性污泥：MLVSS/MLSS＝0.75-0.8510TsinghuaUniversity„污泥沉降比(SV)：污泥混合液在量筒中静置30分钟，其沉淀污泥与原混合液的体积比，以%表示。处理城市污水的活性污泥沉降比一般为20-30%„污泥容积指数(SVI–mL/g)：SVI＝SV(mL/L)/MLSS(g/L)处理城市污水的活性污泥SVI一般为50-150mL/g主要工艺参数的定义Boylewoo611TsinghuaUniversity„污泥负荷(Ns)：嚗气池内单位质量活性污泥在单位时间内承受的有机基质量0sFQSNMVX==(kg-BOD或COD/(kg-MLSSd))Q——废水量，m3/dS0——废水中有机基质浓度，BOD或COD,kg/m3X——曝气池中活性污泥浓度，kg/m3V——曝气池有效容积，m3主要工艺参数的定义12TsinghuaUniversity„容积负荷（NV）：曝气池单位容积在单位时间内承受的有机基质量„水力停留时间t(HRT):t＝V/Q(d)0VQSNV=(kg-BOD或COD/(m3d))主要工艺参数的定义Boylewoo713TsinghuaUniversity„污泥龄ts：又称生物固体平均停留时间。曝气池内的微生物全部更新一次所需要的时间。从工程上，就是曝气池内污泥总量与每日排放的剩余污泥量的比值ΔX——每日增加的污泥量sVXtX=Δ主要工艺参数的定义14TsinghuaUniversity传统活性污泥工艺的不足„受重力固液分离效果的限制，曝气池内的污泥浓度有限，致使容积负荷低，装置占地面积大；„处理水质不够理想和稳定；„管理操作复杂，有时会出现污泥膨胀；„污泥产生量大。Boylewoo815TsinghuaUniversity曝气池进水系统出水曝气装置膜－生物反应器工艺流程膜组件16TsinghuaUniversity膜－生物反应器的特点„污染物去除效率高，处理出水水质良好；„反应器内微生物浓度高，装置容积负荷大，占地省；„有利于增殖缓慢或高效微生物的截留，提高系统的硝化效果和对难降解有机物的处理能力；„剩余污泥产生量低；„易于实现自动控制，操作管理方便。Boylewoo917TsinghuaUniversitya)加压分置式MBRb)浸没一体式MBR出水出水进水进水膜组件抽吸泵空气空气生物反应器生物反应器循环泵膜-生物反应器的分类占地更为紧凑，过滤压差小，不需污泥循环泵，运行费用较低。18TsinghuaUniversity9根据生物反应器是否需氧：分为好氧膜-生物反应器和厌氧膜-生物反应器9根据使用的膜材料的类型：分为有机膜-生物反应器和无机膜-生物反应器9根据膜孔径的大小：也可分为微滤、超滤、纳滤膜-生物反应器膜-生物反应器的分类Boylewoo1019TsinghuaUniversity•固液分离膜-生物反应器（Solid-liquidseparationmembranebioreactor）•膜曝气-生物反应器（Membraneaerationbioreactor）•膜萃取-生物反应器（Extractivemembranebioreactor）膜-生物反应器大分类20TsinghuaUniversity生物膜膜组件O2进水出水生物反应器膜曝气-生物反应器溶解氧有机物NH3-N生物膜Boylewoo1121TsinghuaUniversity„氧利用效率高。传统活性污泥法的氧利用率一般只有10-20%，而膜曝气-生物反应器的氧利用率可以接近100%。„有机物去除负荷高。„占地小。适用于活性污泥浓度大，对供氧要求高的废水的处理。„但基建费用高，操作复杂，目前尚未有实际规模的应用实例。膜曝气-生物反应器的特点22TsinghuaUniversity膜萃取-生物反应器出水进水(含有机污染物)膜组件生物反应器营养物O2Boylewoo1223TsinghuaUniversity„膜萃取-生物反应器适用来萃取和处理废水中的优先污染物。„特别适用于废水酸碱度高、盐浓度高或含有毒生物难降解有机物，不宜使废水与微生物直接接触处理时的情况。„适用于废水含有挥发性物质，采用传统的生物处理工艺易随曝气气流挥发的情况。膜萃取-生物反应器的特点24TsinghuaUniversity用于膜-生物反应器的膜种类10-5110-110-210-310-4102101反渗透超滤微滤常规过滤颗粒大小（um）纳滤Boylewoo1325TsinghuaUniversity膜-生物反应器中常用术语„膜通量J：单位膜面积单位时间的出水量（L/(m2h)、m3/(m2d)）„膜过滤压差（Trans-membranepressure,TMP)△P:施加在膜过滤两侧的压力。26TsinghuaUniversity膜-生物反应器中常用术语„膜通量、阻力和过滤压差之间的关系：)(1gcbcpmRRRRRPRPdtdVAJ++++Δ=Δ==μμR：过滤总阻力Rm：膜固有阻力Rcp：浓差极化阻力Rb：膜孔堵塞及内部污染阻力Rc：泥饼层阻力Rg：凝胶层阻力。Boylewoo1427TsinghuaUniversity„恒通量运行模式：过滤过程中通量保持不变„恒压力运行模式：过滤过程中过滤压差保持不变膜-生物反应器中常用术语28TsinghuaUniversity9昀初用于生物发酵工业960年代：开始用于废水处理•美国Dorr-Oliver公司在1967年，建设了3,600gpd的小型污水处理设施。•Smith1969首次报道用超滤膜代替活性污泥工艺中的二沉池。•受膜制造技术的限制，对水质要求不高，主要停留在实验室规模。国际上MBR发展概述Boylewoo1529TsinghuaUniversity970年代～80年代：•日本开始大力研究，建设省的大型研究计划“AuqaRenaissance’90project”推动了MBR进步。自1983年～1987年有13家公司使用MBR处理大楼废水。•加拿大Zenon公司商业化产品—ZenoGem于1982年投入使用。•厌氧生物反应器与膜技术的组合研究在80年代初受到重视。30TsinghuaUniversity980年代末以后，研究更是方兴未艾。•一体式MBR的推出（1989）•运行条件的优化•膜污染机理研究的深入•处理废水对象的多样化：生活污水、粪便废水、有机工业废水等。•推广应用更为广泛：日本、英国、荷兰、德国、美国、法国、南非、澳大利亚等国已得到很多应用。Boylewoo1631TsinghuaUniversityMBR型式第一代MBR——加压（分置）（60年代～80年代）：膜成本高，运行费用大，应用受到限制。曝气池进水系统出水曝气装置膜组件•板式超滤膜（聚丙烯睛）•管式超滤膜（有机、无机膜）32TsinghuaUniversity第二代MBR——浸没式（一体式）（80年代末以后）：Boylewoo1733TsinghuaUniversity久保田公司平板膜：久保田日立plantToray34TsinghuaUniversity中空纤维膜组件日本三菱公司Boylewoo1835TsinghuaUniversity加拿大Zenon公司旭化成（PVDF)36TsinghuaUniversity•陶瓷膜（日本久保田）•圆盘式浸没式MBR的特点：•浸没放置•低压（抽吸或重力）出水•气液两相流扰动•间歇运行•稳定运行时间长•运行能耗低Boylewoo1937TsinghuaUniversity国内MBR发展概述9我国MBR研究始于90年代初。华东化工大学首次报道。9昀早开始研究的单位：清华大学、中国科学院生态环境研究中心、天津大学、浙江大学、同济大学等。9近年，很多研究所、大专院校、环保公司也加入到MBR的研究开发中。9国家863项目于2002年底启动：清华大学、浙江大学、天津大学38TsinghuaUniversity国内杂志发表论文数的增加情况论文数02040608010012014016018020019911993199519971999200120032005综述论文研究论文Boylewoo2039TsinghuaUniversity研究机构数的增加情况机构数01020304050607019911993199519971999200120032005清华大学中科院生态中心同济大学哈尔滨工业大学天津大学大连理工大学浙江大学…清华大学中科院生态中心同济大学哈尔滨工业大学天津大学大连理工大学浙江大学…40TsinghuaUniversity使用的膜材料与膜组件•聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚丙烯睛等陶瓷膜•微滤～超滤（0.4μm～数万截留分子量）•膜组件型式：中空纤维（天津膜天膜公司、杭州浙大凯华膜技术有限公司、中科院生态环境研究中心等）平板（上海原子核研究所、浙江大学等）Boylewoo2141TsinghuaUniversity应用于MBR的膜材料与组件DomesticFrance40-80**0.2TubularInorganicJapan10-200.2PlatesheetMetalDomestic10-2020k-100k*PlatesheetPVDF,PAN,PESJapan10-300.08PlatesheetPVDFDomestic5-100.01HollowfiberPVCCanadaJapanDomestic10-3010-3010-300.030.1,0.40.22HollowfiberPVDFDomestic5-100.1-0.2HollowfiberPPJapan,Korea8-150.1-0.4HollowfiberPECompanyFlux(LMH)Poresize(μm)ModuleMaterial*MWCO;**PressurizedsidestreamMBR42TsinghuaUniversityPVDFPP国产中空纤维膜组件Boylewoo2243TsinghuaUniversity工艺操作条件生物反应工艺条件膜分离运行条件•HRT，SRT•污泥浓度•污泥负荷•容积负荷•膜材料、膜组件•操作模式•膜面