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第２８卷 第４期延安大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．４ ２００９年１２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｄｅｃ２００９ＭＢＲ污水处理工艺研究周亚琴（延长油田股份有限公司青化砭采油厂，陕西延安７１６００３）摘 要：生物膜污水处理工艺是近年来发展起来的一种新型油田污水处理技术，是高效膜分离技术和传统活性污泥法结合的系统。本文介绍了生物膜污水处理工艺的物点种类特点及设计方法，对该技术在国内外研究进展及应用现状进行了综述，并分析了该技术存在的问题，提出了相应的改进建议。关键词：微生物；膜；污水；水处理应用中图分类号：ＴＥ９９１．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４６０２Ｘ（２００９）０４００８３０４１ ＭＢＲ技术的国内外发展１．１ 国外发展研究现状膜生物反应器（ｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ，ＭＢＲ）是高效膜分离技术和传统活性污泥法的结合，几乎能将所有的微生物截留在生物反应器中，这使反应器中的生物污泥浓度提高，理论上污泥泥龄可以无限长，使出水的有机污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，对难降解的工业废水也非常有效。与传统生物处理工艺相比具有出水水质好，占地面积少，设备集中，模块化，并且具有升级改造的潜力，是一项很有发展前景的工艺。１９６９年，美国的Ｓｍｉｔｈ首次报道了美国Ｄｏｒｒ—Ｏｌｉｖｅｒ公司把活性污泥法和超滤工艺结合处理城市污水的方法。１９７０年，美国的Ｄｏｒｒ—Ｏｌｉｖｅｒ公司和日本的ＳａｎｋｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ有限责任公司达成协议，使得该工艺进入日本市场。目前在世界范围内，实际应用的ＭＢＲ系统已经超过５００套，同时许多工程在计划或者建设中。ＭＢＲ在日本的商业应用发展的很快，世界上约有６６％的工程在日本，其余的ＭＢＲ工程主要在北美和欧洲。１．２ 国内发展研究现状我国对膜生物反应器污水处理技术的研究较晚，但发展迅速，近年来，ＭＢＲ工艺已有实际应用实例，并保持着良好的发展势头。２００２年，膜生物反应器的研发又被列为“８６３”重大科技项目，推进膜生物反应器在污水处理及回用中的应用。刘锐等在研究膜生物反应器与传统活性污泥工艺进行比较后发现，在运行条件一致的情况下，膜生物反应器有更强的去除能力。陈卫文等研究膜生物反应器对各分子质量区间内有机物的去除规律发现，物理截留作用可完全截留粒径＞０．２２μｍ的有机物，而活性污泥的降解作用以及膜表面滤饼层和凝胶层的共同作用可去除大部分０．２２μｍ以下的有机物。张西旺等在研究一体式膜生物反应器处理高氨氮小区生活污水的中试实验中发现，通过增设泥水回流和缺氧区可将氨氮去除率从６０％提高到９５％以上。周建仁等在研究膜生物反应器处理高浓度生活污水的实验中发现，在进水ＣＯＤ为１２５０～１３５００ｍｇ／Ｌ时，去除率可高达９４．１％～９５．６％，ＢＯＤ５的去除率可达９８％以上。同时，国内的学者也开始研究膜生物反应器中运行参数的数学模型，主要为最佳水力停留时间、最佳排泥时间以及最佳反冲洗周期，并通过实验得到验证。２ ＭＢＲ工作机理及形式２．１ 机理膜生物反应器主要由池体、膜组件、鼓风曝气系统、泵及管道阀门仪表等组成，污水中的有机物经过收稿日期：２００９０６２０作者简介：周亚琴（１９７６—），男，陕西子长人，延长油田股份有限公司采油工程师。生物反应器内微生物的降解作用，使水质得到净化，而膜的作用主要是将活性污泥与大分子有机物及细菌等截留于反应器内，使出水水质达到回用水水质要求，同时保持反应器内有较高的污泥浓度，加速生化反应的进行。２．２ 形式根据膜材料的不同，膜主要分为有机膜、无机膜两大类。有机膜价格较便宜，但易污损；无机膜能在恶劣的环境下工作，使用寿命长，但价格较贵。根据膜组件在ＭＢＲ中所起作用的不同，可将ＭＢＲ分为分离ＭＢＲ、无泡曝气ＭＢＲ和萃取ＭＢＲ三种。分离ＭＢＲ中的膜组件相当于传统生物处理系统中的二沉池，ＭＢＲ由于高的截流率，并将浓缩液回流到生物反应池内，使生物反应器具有很高的微生物浓度和很长的污泥停留时间，因而使ＭＢＲ具有很高的出水水质；无泡曝气ＭＢＲ采用透气性膜对生物反应器无泡供氧，氧的利用率可达１００％，因不形成气泡，可避免水中某些挥发性的有机污染物挥发到大气中；用于提取污染物的萃取ＭＢＲ是由内装纤维束的硅管组成，这些纤维束的选择性将工业废水中的有毒污染物传递到好氧生物相中而被微生物吸附降解。根据生物反应器和膜组件结合的方式不同，膜生物反应器可分为分置式（图１）和一体式（图２）。图１ 分置式ＭＢＢ装置简图图２ 体式ＭＢＢ流程简图分置式是指膜组件与生物反应器分开设置，压力驱动靠加压泵。分置式的特点是运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、更换。但一般条件下为减少污染物在膜表面的沉积，由循环泵提供的水流流速都很高，动力消耗较高。一体式是将膜组件置于生物反应器中，通过真空泵抽吸，得到过滤液。一体式的最大特点是运行费用低，但在运行稳定性、操作管理方面和膜的清洗更换上不如分置式。３ ＭＢＲ处理工艺特点３．１ 对污染物的去除效率高ＭＢＲ对悬浮固体（ＳＳ）浓度和浊度有着非常良好的去除效果。由于膜组件的膜孔径非常小（０．０１～１μｍ），可将生物反应器内全部的悬浮物和污泥都截留下来，其固液分离效果要远远好于二沉池，ＭＢＲ对ＳＳ的去除率在９９％以上，甚至达到１００％；浊度的去除率也在９０％以上，出水浊度与自来水相近。由于膜组件的高效截留作用，将全部的活性污泥都截留在反应器内，使得反应器内的污泥浓度可达到较高水平，最高可达４０～５０ｇ／Ｌ。这样，就大大降低了生物反应器内的污泥负荷，提高了ＭＢＲ对有机物的去除效率，对生活污水ＣＯＤ的平均去除率在９４％以上，ＢＯＤ的平均去除率在９６％以上。（同时，由于膜组件的分离作用，使得生物反应器中的水力停留时间（ＨＲＴ）和污泥停留时间（ＳＲＴ）是完全分开的，这样就可以使生长缓慢、世代时间较长的微生物（如硝化细菌）也能在反应器中生存下来，保证了ＭＢＲ除具有高效降解有机物的作用外，还具有良好的硝化作用。研究表明，ＭＢＲ在处理生活污水时，对氨氮的去除率平均在９８％以上，出水氨氮浓度低于１ｍｇ／Ｌ。此外，选择合适孔径的膜组件后，ＭＢＲ对细菌和病毒也有着较好的去除效果，这样就可以省去传统处理工艺中的消毒工艺，大大简化了工艺流程。另外，在ＤＯ浓度较低时，在菌胶团内部存在缺氧或厌氧区，为反硝化创造了条件。仅采用好氧ＭＢＲ工艺，虽然对ＴＰ的去除效率不高，但如果将其与厌氧进行组合，则可大大提高ＴＰ的去除率。研究表明，采用Ａ／Ｏ复合式ＭＢＲ工艺，对ＴＰ的去除率可达７０％以上。３．２ 具有较大的灵活性和实用性在城市污水或废水处理中，传统的处理工艺（格栅＋沉砂池＋初沉池＋曝气池＋二沉池＋消毒池）流程较长，占地面积大，而出水水质又不能保４８证。而ＭＢＲ工艺（筛网过滤＋ＭＢＲ）则因流程短、占地面积小、处理水量灵活等特点，而呈现出明显优势。ＭＢＲ的出水量根据实际情况，只需增减膜组件的片数就可完成产水量调整，非常简单、方便。对于传统的活性污泥法工艺中出现的污泥膨胀现象，ＭＢＲ由于不用二沉池进行固液分离，可以轻松解决。这样，就大大减轻了管理操作的复杂程度，使优质！稳定的出水成为可能。同时，ＭＢＲ工艺非常易于实现自动控制，提高了污水处理的自动化水平。３．３ 解决了剩余污泥处置难的问题剩余污泥的处置问题，是污水处理厂运行好坏的关键问题之一ＭＢＲ工艺中，污泥负荷非常低，反应器内营养物质相对缺乏，微生物处在内源呼吸区，污泥产率低，因而使得剩余污泥的产生量很少，ＳＲＴ得到延长，排除的剩余污泥浓度大，可不用进行污泥浓缩，而直接进行脱水，这就大大节省了污泥处理的费用。有研究得出，在处理生活污水时，ＭＢＲ最佳的排泥时间在３５ｄ左右。４ ＭＢＲ工艺的设计该工艺最关键的技术在于微生物反应池与膜分离装置。４．１ 生物反应池设计当进水ＣＯＤ为５０～２２３４ｍｇ／Ｌ，ＳＳ为８０～１３２７ｍｇ／Ｌ，ＨＲＴ在２．０～５．０ｈ范围内时，系统运行的稳定性以及对污染物的处理效果均较好。生物反应器中微生物浓度Ｘ（即污泥浓度）的理论计算公式［２］如下：Ｘ＝０．５６×ＳＲＴ１＋０．０８×[ＳＲＴ［２４×（Ｃ３－Ｃ１）ＨＲＴ－Ｃ１－Ｃ２]ＳＲＴ×１１０００（１）式中 Ｃｉ—进水ＣＯＤ浓度，Ｃｅ—出水ＣＯＤ浓度，Ｃｓｕｐ—污泥上清液ＣＯＤ浓度。设计原则：ＢＯＤ容积负荷在２．０ｋｇ－ＢＯＤ／（ｍ３·ｄ）以下，设计缺氧池对进水ＢＯＤ的去除率为η（２０％～５０％），则流入膜生物反应池的ＢＯＤ浓度为ＣＢＯＤ×（１－２０％）；需要的膜生物反应池的容积为ＣＢＯＤ×（１－２０％）÷２以上。４．２ 膜组件设计膜组件的有效面积为：Ａ＝Ｑ／Ｆ（２）已知膜组件制造厂家给定的基本参数，可容易地计算出所需的膜组件数：Ｎ＝Ａ／Ａ０（３）式中 Ａ—膜组件的有效面积，Ａ０—单个膜组件的有效面积。Ａ截＝Ｎ×ｎ１×ｎ２×π×（ｄ／２）２（４）在运行过程中涉及反洗等操作，因此必须综合考虑水的利用率以及元件的停歇时间。４．３ 曝气装置设计曝气系统主要为膜生物反应池的微生物生长代谢提供氧气生物作用需氧量中氧的主要作用有：①将一部分有机物氧化分解；②对自身细胞的一部分物质进行自身氧化；③对原水中的氨氮进行氧化。代谢原水中有机物需氧量：其中：Ｑ－进水流量（ｍ３／ｄ）；ｙ－产率系数（典型值＝０．５）；ｆ－进水中不溶性所占的比例（典型值＝０．８）；Ｌ０－进水浓度（ｍｇ／Ｌ）；Ｌｅ－出水浓度（ｍｇ／Ｌ）；维持微生物自身活性即微生物细胞部分物质进行自身氧化需氧量：微生物自身衰减系数（典型值＝０．１ｄ－１）；生化池中生物固体浓度（ｍｇ／Ｌ．ＭＬＶＳＳ）；膜生物反应池容积（ｍ３）；氨氮硝化需要氧量：Ｇ３＝４．５７Ｃ氨氮Ｑ微生物生物作用总需氧量：Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２＋Ｇ３空气中氧气的质量百分比为２３％，设计氧气的传质溶解效率为３％，则生物作用需要的空气量为：Ｇ÷２３％÷０．０３＝１４５Ｇ。５ 结论与建议尽管膜生物反应器有许多传统工艺不具备的优点，且有了一定规模的应用，但真正要使该技术大范围的应用，还有很多问题需解决。（１）在ＭＢＲ工艺中，膜组件的费用较高，一般膜的价格为#２００～１０００元／ｍ２。在运行中膜组件的更换占总运行费的４０％～７５％。因此经济因素是影响其广泛应用的一个主要原因。建议加强低成本，高性能的新型膜材料的研发，（下转第８８页）５８ 第４期 ＭＢＲ污水处理工艺研究