膜生物反應(yīng)器及其應(yīng)用研究進(jìn)展

1、膜生物反應(yīng)器及其應(yīng)用研究進(jìn)展             摘要采用重力式沉淀方式作為固液分離手段的傳統(tǒng)活性污泥工藝有著不可避免的弊端。介紹了一種新的污水處理裝置膜生物反應(yīng)器，它結(jié)合了高效的膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的活性污泥工藝兩者的優(yōu)點。著重介紹了膜生物反應(yīng)器的分類及其所用的濾膜和濾膜組件，并對近幾年來膜生物反應(yīng)器的研究進(jìn)展及其在污水處理和中水回用中的應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述。 關(guān)鍵詞傳統(tǒng)活性污泥工藝 膜生物反應(yīng)器 超濾膜 微濾膜 污水處理 中水回用 1  引言傳統(tǒng)的活性污泥工藝(C

2、onventional Activated Sludge, CAS)廣泛地應(yīng)用于各種污水處理中。由于采用重力式沉淀方式作為固液分離手段，因此帶來了很多方面的問題。如固液分離效率不高、處理裝置容積負(fù)荷低、占地面積大、出水水質(zhì)不穩(wěn)定、傳氧效率低、能耗高以及剩余污泥產(chǎn)量大等等。傳統(tǒng)生物處理工藝處理后的水難以滿足越來越嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，同時，經(jīng)濟的發(fā)展所帶來的水資源的日益短缺也迫切要求開發(fā)合適的污水資源化技術(shù)，以緩解水資源的供需矛盾。在上述背景下，一種新型的水處理技術(shù)（Membrane Bioreactor,MBR）應(yīng)運而生。隨著膜分離技術(shù)和產(chǎn)品的不斷開發(fā)，(MBR)也更具有實用價值，近年來許多國家

3、都投入了大量資金用于開發(fā)此項高新技術(shù)。2  CASCAS是一種應(yīng)用最廣的廢水好氧生物處理技術(shù)。其基本流程如圖1所示，是由曝氣池、二次沉淀池、曝氣系統(tǒng)（含空氣或氧氣的加壓設(shè)備、管道系統(tǒng)和空氣擴散裝置）以及污泥回流系統(tǒng)等組成。曝氣池與二次沉淀池是活性污泥系統(tǒng)的基本處理構(gòu)筑物。由初次沉淀池流出的廢水與從二次沉淀池底部回流的活性污泥同時進(jìn)入曝氣池，其混合體稱為混合液。在曝氣的作用下，混合液得到足夠的溶解氧并使活性污泥和廢水充分接觸。廢水中的可溶性有機污染物為活性污泥所吸附并為存活在活性污泥上的微生物群體所分解，使廢水得到凈化。在二次沉淀池內(nèi)，活性污泥與已被凈化的廢水（稱為處理水）分離，處理水

4、排放，活性污泥在污泥區(qū)內(nèi)進(jìn)行濃縮，并以較高的濃度回流曝氣池。由于活性污泥不斷地增長，部分污泥作為剩余污泥從系統(tǒng)中排出，也可以送往初次沉淀池。圖1 活性污泥法基本流程3  MBR法3.1 MBR及其分類MBR是指將超、微濾膜分離技術(shù)與污水處理中的生物反應(yīng)器相結(jié)合而成的一種新的污水處理裝置。這種反應(yīng)器綜合了膜處理技術(shù)和生物處理技術(shù)帶來的優(yōu)點。超、微濾膜組件作為泥水分離單元，可以完全取代二次沉淀池。超、微濾膜截留活性污泥混合液中微生物絮體和較大分子有機物，使之停留在反應(yīng)器內(nèi)，使反應(yīng)器內(nèi)獲得高生物濃度，并延長有機固體停留時間，極大地提高了微生物對有機物的氧化率。同時，經(jīng)超、微濾膜處理后，出水

5、質(zhì)量高，可以直接用于非飲用水回用。系統(tǒng)幾乎不排剩余污泥，且具有較高的抗沖擊能力。特別是1989年Yamamoto將中空纖維膜應(yīng)用于活性污泥處理中，使工藝運行成本大大降低，實際應(yīng)用前景廣闊。因此，MBR是當(dāng)今倍受國內(nèi)外專家學(xué)者重視的一項高新水處理技術(shù)。MBR的特點一、出水水質(zhì)好由于采用膜分離技術(shù)，不必設(shè)立、過濾等其它固液分離設(shè)備。高效的固液分離將廢水中有懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)、生物單元流失的微生物菌群與已凈化的水分開，不需經(jīng)三級處理即直接可回用，具有較高的水質(zhì)安全性。二、占地面積小膜生物反應(yīng)器生物處理單元內(nèi)微生物維持高濃度，使容積負(fù)荷大大提高，膜分離的高效性使處理單元水力停留時間大大縮短，占地面積減

6、少。同時膜生物反應(yīng)器由于采用了膜組件，不需要沉淀池和專門的過濾車間，系統(tǒng)占地僅為傳統(tǒng)方法的60% 三、節(jié)省運行成本由于MBR高效的氧利用效率，和獨特的間歇性運行方式，大大減少了曝氣設(shè)備的運行時間和用電量，節(jié)省電耗。同時由于膜可濾除細(xì)菌、病毒等有害物質(zhì)，可顯著節(jié)省加藥消毒所帶來的長期運行費用，膜生物反應(yīng)器工藝不需加入絮凝劑，減少運行成本。膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝是膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機結(jié)合的新型廢水處理技術(shù)。它利用膜分離設(shè)備將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機物質(zhì)截留住，省掉二沉池?；钚晕勰酀舛纫虼舜蟠筇岣?，水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）可以分別控制，而難降解的物質(zhì)

7、在反應(yīng)器中不斷反應(yīng)、降解。因此，膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝通過膜分離技術(shù)大大強化了生物反應(yīng)器的功能。與傳統(tǒng)的生物處理方法相比，是目前最有前途的廢水處理新技術(shù)之一。從整體構(gòu)造上來看，MBR是由膜組件和生物反應(yīng)器兩部分組成。根據(jù)這兩部分操作單元自身的多樣性，膜生物反應(yīng)器也必然有多種類型。膜生物反應(yīng)器的一些基本分類見表1。表1 MBR的基本分類內(nèi)容分類膜組件管式、板框式、中空纖維式膜材料有機膜、無機膜壓力驅(qū)動形式外壓式、抽吸式生物反應(yīng)器好氧、厭氧膜組件與生物反應(yīng)器的組合方式分置式、一體式（浸沒式）分置式MBR是指膜組件與生物反應(yīng)器分開設(shè)置，浸沒式MBR是指膜組件安置在生物反應(yīng)器內(nèi)部。2種反應(yīng)器的流程

8、如圖2所示。圖2  MBR流程圖表2  2種反應(yīng)器的區(qū)別MBR種類壓力驅(qū)動形式動力消耗管道要求膜更換和清洗情況微生物失活情況設(shè)備占地面積分置式壓力泵加壓大需要方便有可能大一體式真空泵抽吸小不需要不方便不失活小實際應(yīng)用中，分置式MBR與一體式MBR互有優(yōu)缺點，區(qū)別見表2。3.2  MBR所用濾膜及膜組件在MBR工藝中，超、微濾膜分離的對象是活性污泥混合液?；钚晕勰嗷旌弦褐饕ɑ钚晕勰嗪捅惶幚淼奈鬯钚晕勰嗍怯筛鞣N膠體、絮狀物和微生物（絕大部分是各種細(xì)菌）組成。膜組件長期過濾活性污泥混合液時，污染物不斷地在膜表面沉積，細(xì)菌不斷地向膜內(nèi)部繁殖，使其生成的代謝產(chǎn)物在

9、膜孔中沉淀，進(jìn)而引起膜孔堵塞，使膜的通量下降，膜壽命縮短，工藝運行費用增加。一般而言，決定膜過濾效果的主要因素是膜的孔徑及孔隙率，而選擇什么樣的膜材料并不是關(guān)鍵。但是在MBR工藝中膜材料種類卻強烈地影響其耐污染性，所要解決膜污染問題的最主要的途徑是找到耐污染的膜材料或者是對膜進(jìn)行改性。所調(diào)研的近期文獻(xiàn)中有關(guān)MBR所用濾膜及組件的情況如表3所示從近期國內(nèi)外MBR研究情況來看（文獻(xiàn)的抽取有隨機性），濾膜大都為較小孔徑的微濾膜，或較大截留分子量的超濾膜，孔徑范圍為0.10.5mm；材質(zhì)主要是疏水性的聚烯烴和親水性的聚砜、纖維素等，還有一些無機膜。疏水性的聚烯烴一般做成中空纖維式膜組件，而親水性的聚砜

10、、纖維素膜一般做成平板式膜組件。表3  近期文獻(xiàn)中MBR所用濾膜及組件形式應(yīng)用試驗單位濾膜孔徑或切割分子量濾膜材質(zhì)組件類型膜面積（m2）使用形式供應(yīng)商清華大學(xué)0.1mm聚丙烯中空纖維0.4浸沒式浙江大學(xué)清華大學(xué)0.45mmZrO2管式0.28分置式法TECH-SET清華大學(xué)0.1mm聚乙烯中空纖維4.0浸沒式日本三菱公司同濟大學(xué)0.065mm聚丙烯中空纖維2.0浸沒式百事德公司大連理工大學(xué)MW30000聚丙烯中空纖維4.0浸沒式 哈爾濱建筑大學(xué)0.34mm聚砜中空纖維1.0浸沒式 蘭州鐵道學(xué)院超濾膜PAN/PS外壓管式0.0173分置式自制南京建筑學(xué)院0.01mm

11、聚丙烯中空纖維1.0浸沒式          4  MBR研究進(jìn)展目前，MBR的研究主要集中在以下幾個方面：（1）降低膜污染，提高膜通量；（2）探求合適的工作條件和工藝參數(shù)；（3）降低處理工藝的運行成本。張少輝, 鄭平, 華玉妹1用反硝化生物膜啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器的研究等選取不同截留分子量的聚醚砜膜（PES），采用板框式膜組件構(gòu)成的厭氧MBR對高濃度食品廢水進(jìn)行處理，考察了截留分子量對膜通量和出水效果的影響。王榮昌,文湘華,錢易2 分析了生物膜反應(yīng)器中好氧顆粒污泥形成機理，研究了MBR運行條件對

12、膜過濾特性的影響。楊玉旺3研究了移動床生物膜反應(yīng)器處理污水的研究應(yīng)用進(jìn)展。邢傳紅等進(jìn)行了管式MBR（分置式）處理城市污水的工藝設(shè)計，認(rèn)為運行成本主要由電費、藥劑費和人工費等3部分組成。其中電費是最主要的，電耗為2.3kW·h/m3。魯敏，曾慶福，張躍武4對一種新型生物膜反應(yīng)器處理污水的研究發(fā)生了濃厚興趣。王亞娥等分析了影響超濾膜通量和過濾阻力的主要因素。楊磊等對MBR運行過程中的膜污染和清洗進(jìn)行了較詳盡的試驗。李軍, 彭永臻, 楊秀山 ,王寶貞 ,楊海燕5著重研究了序批式生物膜法反硝化除磷特性及其機理。姜蘇等6研究了一體化/生物膜法處理生活污水。白宇等7研究分析了污水深度處理生物濾層

13、中菌群的時空分布特征。陳壁波等8對移動床生物膜反應(yīng)器及對造紙廢水處理的意義進(jìn)行了卓有成效的研究論證。Cote P 研究了浸沒式膜系統(tǒng)的電耗，包括抽吸泵及曝氣2部分。每立方米產(chǎn)水僅耗電0.30.6 kW·h，而電耗是運行費用的主要部分。榮宏偉等9在實驗室條件下對序批式生物膜法生物除磷進(jìn)行了試驗研究，得出了令人期待的結(jié)論。Wang L-Choo Ho等比較了浸沒式和分置式MBR工藝運行時的電耗，結(jié)果是，在通量為18L/(m2·h)的情況下，前者電耗僅為0.20.4 kW·h /m3,而后者電耗為210 kW·h /m3。鮑立寧等10在電極生物膜脫氮工藝中反硝

14、化菌相分析方面進(jìn)行了研究。MBR因自身特殊的工藝也要求了不同于一般的超、微濾膜材料，但制備針對于MBR所用的膜材料的研究還很少。顯然選擇合適的膜材料是降低膜污染的一個重要方法，這還有待于進(jìn)一步研究。5  MBR應(yīng)用實例隨著研究的深入，國內(nèi)外已有了MBR應(yīng)用的實例。實踐表明，膜污染嚴(yán)重、水通量低，是限制MBR推廣應(yīng)用最主要的原因。加拿大Cote P等 報道了北美洲在20世紀(jì)90年代MBR發(fā)展的概況。其中ZENON環(huán)保公司在1996年推出了組件膜面積為46m2、體積密度為63m2/m3的ZW-500型膜生物反應(yīng)器，該設(shè)備已成功地應(yīng)用于市政污水處理。目前以小規(guī)模裝置為主，處理能力為1020

15、0m3/d，主要在辦公樓、購物中心、學(xué)校、醫(yī)院和療養(yǎng)地推廣使用。裝置的水力停留時間(HRT)為24h，SRT為12年。濾出液經(jīng)過紫外線消毒或活性炭吸附后，用作廁所沖洗水。在安大略省建成的日處理污水3 800m3的MBR裝置，安裝了ZW-500型膜組件144個，總膜面積6624m2。曝氣池體積440m3，正常HRT為3.8h；厭氧反應(yīng)池體積為380m3，HRT為2.4h。運行期間的MLSS濃度為12 00020 000mg/L，MLVSS濃度僅為MLSS的55%70%。運行9個月以來出水BOD和有機磷的去除率都接近100%。日本自1998年以來，著重推廣了中水道系統(tǒng)的開發(fā)利用。其目的主要是將以廚

16、房排水、洗臉及洗澡后的排水為主體的樓房排水進(jìn)行處理，然后作為廁所沖洗水再利用。比如，日立工廠建設(shè)公司用高濃度活性污泥法和旋轉(zhuǎn)平板超濾膜裝置組合而成的系統(tǒng)作為大樓中水道的回用系統(tǒng)。因為膜板旋轉(zhuǎn)，使膜表面的污泥被攪拌，從而可控制膜面污染。天津清華德人環(huán)境公司和天津大學(xué)共同研制的MBR已有了一些的應(yīng)用實例。以處理天津某寫字樓排放的污水為例，該寫字樓的建筑面積約為17 000m2,采用了日處理能力為25m3 的裝置，設(shè)備本體占地3.2m2,投資10余萬元，能耗為0.8kW·h/m3。處理出水可用作沖廁、綠化及洗車等。鄭斐等11研制出生物膜法的新工藝無泡曝氣膜生物反應(yīng)器。呂曉輝等12對移動床生

17、物膜反應(yīng)器脫氮除磷技術(shù)情有獨衷，使脫氮除磷效率又有了較大的發(fā)展。6  結(jié)語6.1  MBR綜合了膜分離技術(shù)和生物處理技術(shù)的優(yōu)點，超、微濾膜組件能替代CAS中的二沉池，更有效地進(jìn)行泥水分離，并延長SRT，提高微生物對污水中有機物的處理能力。經(jīng)超、微濾膜處理后出水水質(zhì)好可以直接用于非飲用水回用。系統(tǒng)占地面積小，幾乎不排剩余污泥，具有較高的抗沖擊能力。6.2  MBR具有一定的實用性，但膜污染仍是制約MBR推廣應(yīng)用的最主要因素。因為MBR中膜材料既要面臨活性污泥、污水中固體顆粒的污染，又要面臨活性污泥中微生物的侵蝕。雖可以通過控制抽停時間、曝氣量等工藝參數(shù)以及采用適當(dāng)?shù)?/p>

18、清洗技術(shù)來減少膜面的污染，但最有效、最根本的方法是研制出一種抗污染、耐微生物侵蝕的新的膜材料及對膜進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男浴?.3  在應(yīng)用MBR技術(shù)處理市政、生活污水并實現(xiàn)中水回用時，還要考慮另外一個關(guān)鍵因素，即運行成本。因此，在研究中要始終將運行成本。作為考慮試驗方案和確定試驗結(jié)果的主要出發(fā)點。7  參考文獻(xiàn)1張少輝, 鄭平, 華玉妹. 反硝化生物膜啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器的研究. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2004,24(2):2202242王榮昌,文湘華,錢易. 生物膜反應(yīng)器中好氧顆粒污泥形成機理. 中國給水排水，2004，20（3）：58.3楊玉旺.移動床生物膜反應(yīng)器處理污水的研究應(yīng)用進(jìn)展. 工業(yè)水處理，2004，24（2）：1215.4 魯  敏，曾慶福，張躍武. 一種新型生物膜反應(yīng)器處理污水的研究. 中國給水排水，2004，17（4）：58.5 李  軍, 彭永臻, 楊秀山 ,王寶貞 ,楊海燕. 序批式生物膜法反硝化除磷特性及其機理. 中國環(huán)境科學(xué) 2004,24(2)：219223。6 姜蘇, 周集體, 郭海燕, 張志勇. 一體化/生物膜法處理生活污水. 中國給水排水，2004，20（5）：5658.7 白宇, 張杰, 閆立龍, 陳淑芳, 郜玉楠.  污水深度處理生物濾層中菌群的時空分布特征. 城市環(huán)境與城市，2004，17