膜生物反应器第六讲

水处理基础知识第六章膜生物反应器（MBR）一、MBR的原理膜生物反应器(英文名称为MembraneBioreactor，缩写为MBR)。MBR将生物反应器和膜分离过程相结合的一种新型工艺，其最大的特点就是采用膜组件代替传统生物处理中的二沉池。污水中的污染物首先在生物反应器中进行生物降解，同时生物反应器内的混合液在膜两侧压力差的作用下，水和小于膜孔径的小分子溶质透过膜，即为处理后出水。微生物及大分子溶质被膜截留，从而替代沉淀池完成其与处理出水的分离过程。一、MBR的原理在传统的污水生物处理技术中，泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其分离效率依赖于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分离效率越高。而污泥的沉降性取决于曝气池的运行状况，改善污泥沉降性必须严格控制曝气池的操作条件，这限制了该方法的适用范围。由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维持较高浓度，一般在1.5~3.5g/L左右，从而限制了生化反应速率。水力停留时间（HRT）与污泥龄（SRT）相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾。系统在运行过程中还产生了大量的剩余污泥，其处置费用占污水处理厂运行费用的25%～40%。传统活性污泥处理系统还容易出现污泥膨胀现象，出水中含有悬浮固体，出水水质恶化。一、MBR的原理和特点MBR工艺通过将分离工程中的膜分离技术与传统废水生物处理技术有机结合，不仅省去了二沉池的建设，而且大大提高了固液分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌(特别是优势菌群)的出现，提高了生化反应速率。同时，通过降低F/M比减少剩余污泥产生量（甚至为零），从而基本解决了传统活性污泥法存在的许多突出问题。一、MBR原理1、出水水质好在MBR中，降解时间较长的可溶性大分子化合物可以被膜截留下来并与污泥一起返回到生物反应器中，使这些化合物在生物反应器中的停留时间变长，从而有利于微生物对这些化合物的降解；同时较长的SRT可以使世代时间较长的硝化细菌能够在生物反应器中积累，提高了硝化效果。因此MBR出水有机物含量较低，且总氮和总磷的含量也远远低于传统活性污泥法。同时，由于膜单元采用微滤膜或超滤膜，因而不仅对水中悬浮物截留率高，而且可以去除细菌。MBR特点：一、MBR原理2、工艺参数易于控制在MBR中，用膜组件代替二沉池，可以同时实现较短的HRT（水力停留时间）和很长的SRT(污泥龄）。同时，MBR中由于膜对污泥的截留，可以在很大程度上消除污泥膨胀现象。污泥龄SRT是指在反应系统内，微生物从其生成到排出系统的平均停留时间，也就是反应系统内的微生物全部更新一次所需的时间。从工程上说，在稳定条件下，就是曝气池中工作着的活性污泥总量与每日排放的剩余污泥数量的比θc。MBR特点：一、MBR原理污泥龄SRT是活性污泥在曝气池中的平均停留时间，即SRT=曝气池中的活性污泥量/每天从曝气池系统排出的剩余污泥量SRT=（X*VT）/（QS*XR+Q*XE）式中SRT——污泥龄，dX——曝气池中的活性污泥浓度，即MLSS，kg/m3VT——曝气池总体积，m3QS——每天排出的剩余污泥体积，m3/dXR——剩余污泥浓度，kg/m3Q——设计污水流量，m3/d?XE——二沉池出水的悬浮固体浓度，kg/m3一般在前置反硝化工艺中，回流比取2.0。若希望进一步提高反硝化率，可继续提高回流比。但必须注意，最大回流比为4.0，且回流比较高时存在着将过多的溶解氧带入反硝化区的危险。为了减少循环回流中的溶解氧，可在曝气池末端设置隔离区域，减少该区中的曝气量。一、MBR原理水力停留时间HRT是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间（池容/进水流量就是水力停留时间）。因此，如果反应器的有效容积为V（立方米），则：HRT=V/Q(h)3、耐冲击负荷MBR中生物反应器中的微生物浓度比普通生物反应器高得多，装置处理容积负荷大，同时当进水中有机物浓度变化较大时，有机负荷率(单位质量的微生物在单位时间内承受的有机物质量)变化不大，系统去除有机物的效果变化不大。一、MBR原理4、污泥产生量少生物反应器中的污泥浓度很高，因此污泥负荷F/M较低，污泥产量很低。5、易于自动控制MBR系统结构简单，运行灵活稳定，容易操作和实现自动化。但MBR也存在缺点：由于存在膜污染，需要定期反冲洗和化学清洗；膜需要定期更换；能耗较一般生化处理方法要高。MBR特点：二、MBR工艺类型MBR工艺分类分类依据种类膜组件与生物反应器组合方式分置式、一体式、（一体）复合式膜组件管式、板框式、中空纤维式等膜材料有机膜、无机膜压力驱动形式外压式、抽吸式生物反应器好氧、厌氧曝气生物反应器、萃取膜生物反应器、膜分离生物反应器二、MBR工艺类型膜组件和生物反应器分开设置。生物反应器中的混合液经循环泵增压后打至膜组件的过滤端，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统处理水。膜组件置于生物反应器内部，进水进入膜-生物反应器，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在负压作用下由膜过滤出水。分置式一体式复合式形式上也属于一体式膜-生物反应器，所不同的是在生物反应器内加装填料，从而形成复合式膜-生物反应器，改变了反应器的某些性状。MBR工艺分类二、MBR工艺类型优点：(1)膜组件与生物反应器之间的相互影响小(2)单位面积膜的水通量大(3)运行稳定可靠，操作管理容易(4)易于膜的清冼、更换和增设缺点：(1)为减少污染物在膜表面的沉积，需要较高的膜面流速，因而配置的超滤循环泵需要较高的流量，能耗很高，一般为6～8Kw∙h/m3(2)循环泵内的高剪切力会引起生物絮体的破坏，导致生物活性的降低二、MBR工艺类型优点：(1)体积小，整体性强。膜组件直接置于生物反应器中，大大减少了占地面积(2)运行动力费用低。膜表面的错流是靠空气搅动产生的，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切应力，在这种剪切应力的作用下，沉积在膜表面的颗粒容易脱离膜表面，因此不需要功率较大的循环泵缺点：(1)需要定期将膜组件取出生物反应器进行化学清洗，因而管理方面上不及分置式；(2)出水不连续；(3)单位膜面积膜的产水量较低，一般仅为5-10L/m2∙h。不足：运行过程易污染、强度低、使用寿命短优点：成本相对较低，造价便宜，膜的制造工艺较为成熟，膜孔径和形式也较为多样，应用广泛.材质：聚烯烃类、聚乙烯类、聚丙烯腈、聚砜类、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等高分子有机膜材料MBR用膜介绍不足：造价昂贵、不耐碱、弹性小、膜的加工制备有一定困难优点（陶瓷膜为例）：耐酸、抗压、抗温，其通量高、能耗相对较低材质：金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料等无机膜MBR工艺用膜、膜组件MBR工艺用膜、膜组件目前MBR膜组件中使用量较大的只有聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚乙烯（PE）和聚丙稀（PP）。其中聚偏二氟乙烯（PVDF）由于其优良的物理和化学性能（强度和耐腐蚀性）在国内和国外用量均最大。MBR工艺中用膜一般为微滤膜（MF）和超滤膜（UF），大都采用0.1～0.4μm膜孔径MBR工艺用膜、膜组件微滤常用的聚合物材料有：聚碳酸酯、纤维素酯、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚酰胺等.超滤常用聚合物材料有：聚砜(PS)、聚醚砜(PES)、聚酰胺、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯、纤维素酯、聚醚醚酮、聚亚酰胺、聚醚酰胺等.MBR用膜介绍MBR工艺用膜、膜组件海绵状支撑层致密表皮层PVDF(聚偏氟乙烯)材质中空纤维膜，PVDF是一种氟化聚合物，具有300万～400万的分子量，有很强的物理强度和化学稳定性.膜表面放大照片膜横断面放大照片MBR用膜介绍MBR工艺用膜、膜组件MBR用膜介绍陶瓷膜主要是A12O3，Zr02，Ti02和Si02等无机材料制备的多孔膜，其孔径为0.1－50μm。具有化学稳定性好，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂:机械强度大，可反向冲洗:抗微生物能力强:耐高温:孔径分布窄，分离效率高等特点。陶瓷膜与同类的有机高分子膜相比具有许多优点：它坚硬、承受力强、耐用、不易阻寨，对具有化学侵害性液体和高温清洁液有更强的抵抗能力，其主要缺点就是价格昂贵目，制造过程复杂。MBR膜组件MBR工艺用膜、膜组件中空纤维具有高压下不变形的强度，勿需支撑材料。把大量(多达几十万根)中空纤维膜装入圆筒型耐压容器内。纤维束的开口端用环氧树脂铸成管板。外径一般为40～250μm，内径为25～42μm。在MBR中，常把组件直接放入反应器中，不需耐压容器，构成浸没式膜-生物反应器。一般为外压式膜组件。优点：装填密度高，一般可达16000－30000m2/m3；造价相对较低；寿命较长；可以采用物化性能稳定，透水率低的尼龙中空纤维膜；膜耐压性能好，不需要支撑材料。缺点：对堵塞敏感，污染和浓差极化对膜的分离性能有很大影响,压力降较大；再生清洗困难；原料的前处理成本高。MBR膜组件MBR工艺用膜、膜组件板框式是MBR工艺最早应用的一种膜组件形式，外形类似于普通的板框式压滤机。优点：优点是：制造组装简单，操作方便，易于维护、清洗、更换。缺点：密封较复杂，压力损失大，装填密度小。MBR工艺用膜、膜组件由膜和膜的支撑体构成，有内压型和外压型两种运行方式。实际中多采用内压型，即进水从管内流入，渗透液从管外流出。膜直径在6~24mm之间。管状膜被放在一个多孔的不锈钢、陶瓷或塑料管内，每个膜器中膜管数目一般为4－18根。管状膜目前主要有烧结聚乙烯微孔滤膜、陶瓷膜、多孔石墨管等，价格较高，但耐污染且易清洗。尤其对高温介质适用。优点：料液可以控制湍流流动，不易堵塞，易清洗，压力损失小。缺点：装填密度小，一般低于300m2/m3。MBR膜组件MBR工艺用膜、膜组件主要部件为多孔支撑材料，两侧是膜，三边密封，开放边与一根多孔的中心产品水收集管密封连接，在膜袋外部的原水侧垫一层网眼型间隔材料，把膜袋－隔网依次迭合，绕中心集水管紧密地卷起来，形成一个膜卷，装进圆柱形压力容器内，就制成了一个螺旋卷式膜组件。优点：膜的装填密度高；膜支撑结构简单；浓差极化小；容易调整膜面流态。缺点：中心管处易泄漏；膜与支撑材料的粘结处膜易破裂而泄漏；膜的安装和更换困难。MBR膜组件MBR工艺用膜、膜组件名称/项目中空纤维式毛细管式螺旋卷式平板式圆管式价格（元/m3）40~150150~800250~800800~2500400~1500充填密度高中中低低清洗难易中易易压力降高中中中低可否高压操作可否可较难较难膜形式限制有有无无无MBR膜组件各种膜组件特性表MBR工艺用膜、膜组件MBR膜组件中空纤维膜组件板式膜组件中空纤维膜膜丝柔性,可反冲洗支撑板式平板膜:膜片为刚性,不可反冲洗独立的清洗独立的清洗填充密度160m²/m³填充密度80m²/m³典型膜通量：15L/m²h典型膜通量：20L/m²h缠绕式纤维物质，污泥堵塞,卡在纤维间，无法通过反冲去除。沟槽式,低填充密度，堆积在板间，始于板固定处，没有反冲洗化学清洗。化学及机械清洗。中空纤维膜组件和板式膜组件的比较MBR工艺用膜、膜组件三种常见的MBR膜组件A.中空纤维帘状浸入式膜组件MBR工艺用膜、膜组件以MitsubishiRayon(Japan)公司为代表，它具有膜面积大，易于安装，清洗方便等特点MBR工艺用膜、膜组件以GE的Zenon公司为代表，它具有膜面积大，占地面积小等特点。三种常见的MBR膜组件B.中空纤维柱状浸入式膜组件MBR工艺用膜、膜组件以Kubota公司为代表，具有膜通量大，易于组装，清洗方便等特点。三种常见的MBR膜组件C.平板型帘状浸入式膜组件二、MBR工艺类型MBR处理系统实景照片二、MBR工艺类型MBR处理系统实景照片二、MBR工艺类型MBR系统中所用的膜三、MBR运行的影响因素有机负荷：在好氧MBR中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化；而在厌氧MBR中，污泥浓度升高缓慢，污泥负荷与容积负荷几乎呈正相关关