簡介： 介紹了mbr在國內外污水處理中的研究及應用,以及mbr技術的分類及特點。
關鍵字：膜生物反應器 污水處理 特點
膜生物反應器(membranebioreactor,簡稱mbr),是由膜分離和生物處理結合而成的一種新型、高效的污水處理技術。膜分離技術最早應用于微生物發酵工業,隨著膜材料和制膜技術的發展,其應用領域不斷擴大,已經涉及到化工、電子、輕工、紡織、冶金、食品、石油化工和污水處理等多個領域。
1 mbr技術在國外污水處理中的研究及應用
膜分離技術在污水處理中的應用開始于20世紀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取代常規活性污泥法中的二沉池,利用膜具有高效截留的物理特性,使生物反應器內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,提高了反應器的去除效率,這就是mbr的最初雛形。
進入20世紀70年代,有關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%去除細菌的結果。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工藝長期穩定的運行,從而也就限制了mbr技術在實際工程中的推廣應用。
進入20世紀80年代以后,隨著材料科學的發展與制膜水平的提高,推動了膜生物反應器技術的向前發展,mbr工藝也隨之得到迅速發展。日本研究者根據本國國土狹小!地價高的特點對mbr技術進行了大力開發和研究,并在mbr技術的研究和開發上走在了前列,使mbr技術開始走向實際應用。
20世紀90年代以后,mbr技術得到了最為迅猛的發展,人們對mbr在生活污水處理!工業廢水處理!飲用水處理等方面的應用都進行了研究,mbr已經進入實際應用階段,并得到了快速的推廣。
20世紀的最后幾年,人們圍繞著膜生物反應器的關鍵問題進行了較多的研究,并取得了一些成果。有關膜生物反應器的研究從實驗室小試!中試規模走向了生產性試驗,應用mbr的中、小型污水處理廠也逐漸見諸報道。1998年初,歐洲第一座應用一體式膜生物反應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器技術的里程碑。
本世紀初,人們對膜生物反應器的研究方興未艾,使得該項技術正在逐漸趨于成熟。
2 mbr技術在國內污水處理中的研究及應用
我國對膜生物反應器的研究雖然起步較晚,但發展速度很快。1991年,芩運華對膜生物反應器的應用進行了綜述,介紹了mbr在日本的研究狀況,這是我國學者對膜生物反應器做的較早的報道。隨后,江成璋等人進行了中空纖維超濾膜在生物技術中的應用研究。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模的好氧分離式mbr。
從1995年以來,我國對膜生物反應器污水處理技術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、哈爾濱工業大學、中國科學院生態環境研究中心、天津大學、同濟大學等對膜生物反應器的運行特性、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致的研究工作。2000年,顧平采用國產中空纖維膜對生活污水做了中試規模的mbr研究,結果表明：mbr工藝出水懸浮物為零,細菌總數優于飲用水標準,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計參數hrt、srt等進行了理論推導,為實際工程設計提供了參考,并對膜堵塞機理進行了深入研究探討,提出了膜內部生物堵塞的存在。
雖然,我國在mbr技術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,由于國產膜組件的種類較少,膜質量較差,壽命通常較短,因此在實際應用中存在一定的問題。雖然在我國膜生物反應器用于處理生活污水已有應用,但到目前為止,設計完善、運行良好的應用膜生物反應器的生活污水處理廠還未見報道。
3 mbr工藝的分類
膜生物反應器主要是由膜組件和生物反應器兩部分組成#根據膜組件與生物反應器的組合方式可將膜生物反應器分為以下三種類型:分置式膜生物反應器、一體式膜生物反應器和復合式膜生物反應器。
3.1 分置式膜生物反應器
分置式膜生物反應器是指膜組件與生物反應器分開設置,相對獨立,膜組件與生物反應器通過泵與管路相連接#分置式膜生物反應器的工藝流程如圖1所示。
該工藝膜組件和生物反應器各自分開,獨立運行,因而相互干擾較小,易于調節控制,而且,膜組件置于生物反應器之外,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器的研究逐漸得到了人們的重視。
3.2 一體式膜生物反應器
一體式膜生物反應器起源于日本,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用#一體式膜生物反應器是將膜組件直接安置在生物反應器內部,有時又稱為淹沒式膜生物反應器(smbr),依靠重力或水泵抽吸產生的負壓或真空泵作為出水動力#一體式膜生物反應器工藝流程如圖2所示。該工藝由于膜組件置于生物反應器之中,減少了處理系統的占地面積,而且該工藝用抽吸泵或真空泵抽吸出水,動力消耗費用遠遠低于分置式膜生物反應器,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,則可完全節省這部分費用。但由于膜組件浸沒在生物反應器的混合液中,污染較快,而且清洗起來較為麻煩,需要將膜組件從反應器中取出。
3.3 復合式膜生物反應器
復合式膜生物反應器也是將膜組件置于生物反應器之中,通過重力或負壓出水,但生物反應器
的型式不同#復合式mbr,是在生物反應器中安裝填料,形成復合式處理系統,其工藝流程如圖3所示。
在復合式膜生物反應器中安裝填料的目的有兩個：一是提高處理系統的抗沖擊負荷,保證系統的處理效果;二是降低反應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。
復合式膜生物反應器中,由于填料上附著生長著大量微生物,能夠保證系統具有較高的處理效果并有抵抗沖擊負荷的能力,同時又不會使反應器內懸浮污泥濃度過高,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),可將生物反應器內全部的懸浮物和污泥都截留下來,其固液分離效果要遠遠好于二沉池,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器內,使得反應器內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器內的污泥負荷,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(如硝化細菌)也能在反應器中生存下來,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對細菌和病毒也有著較好的去除效果,這樣就可以省去傳統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,在菌膠團內部存在缺氧或厭氧區,為反硝化創造了條件。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
在城市污水或工業廢水處理中,傳統的處理工藝(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,而出水水質又不能保證。而mbr工藝(篩網過濾+mbr)則因流程短、占地面積小!處理水量靈活等特點,而呈現出明顯優勢#mbr的出水量根據實際情況,只需增減膜組件的片數就可完成產水量調整,非常簡單、方便。
對于傳統的活性污泥法工藝中出現的污泥膨脹現象,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雜程度,使優質!穩定的出水成為可能。
同時,mbr工藝非常易于實現自動控制,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鍵問題之一#mbr工藝中,污泥負荷非常低,反應器內營養物質相對缺乏,微生物處在內源呼吸區,污泥產率低,因而使得剩余污泥的產生量很少,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用前景。
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