整理MBR膜生物反應(yīng)器

1、水處理行業(yè)一種方法簡(jiǎn)介在污水處理，水資源再利用領(lǐng)域，MBR又稱膜生物反應(yīng)器（MembraneBio-Reactor）,是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。膜的種類繁多，按分離機(jī)理進(jìn)行分類，有反應(yīng)膜、離子交換膜、滲透膜等；按膜的性質(zhì)分類，有天然膜（生物膜）和合成膜（有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜）;按膜的結(jié)構(gòu)型式分類，有平板型、管型、螺旋型及中空纖維型等。MBR工藝的組成膜-生物反應(yīng)器主要由膜分離組件及生物反應(yīng)器兩部分組成通常提到的膜-生物反應(yīng)器實(shí)際上是三類反應(yīng)器的總稱：曝氣膜-生物反應(yīng)器（AerationMembraneBioreactor,AMBR）；萃取膜-生物反應(yīng)器（Extracti

2、veMembraneBioreactor,EMBR）；固液分離型膜-生物反應(yīng)器（Solid/LiquidSeparationMembraneBioreactor,SLSMBR,簡(jiǎn)稱MBR）。二、曝氣膜-生物反應(yīng)器圖1AMBR原理示意圖曝氣膜-生物反應(yīng)器最早見(jiàn)于Cote.P等1988年報(bào)道，采用透氣性致密膜（如硅橡膠膜）或微孔膜（如疏水性聚合膜），以板式或中空纖維式組件，在保持氣體分壓低于泡點(diǎn)（BubblePoint）情況下，可實(shí)現(xiàn)向生物反應(yīng)器的無(wú)泡曝氣。該工藝的特點(diǎn)是提高了接觸時(shí)間和傳氧效率，有利于曝氣工藝的控制，不受傳統(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時(shí)間的因素的影響。如圖1所示。三、萃取膜-生物反應(yīng)器

3、萃取膜-生物反應(yīng)器又稱為EMBR(ExtractiveMembraneBioreactor)。因?yàn)楦咚釅A度或?qū)ι镉卸疚镔|(zhì)的存在，某些工業(yè)廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理；當(dāng)廢水中含揮發(fā)性有毒物質(zhì)時(shí)，若采用傳統(tǒng)的好氧生物處理過(guò)程，污染物容易隨曝氣氣流揮發(fā)，發(fā)生氣提現(xiàn)象，不僅處理效果很不穩(wěn)定，還會(huì)造成大氣污染。為了解決這些技術(shù)難題，英國(guó)學(xué)者Livingston研究開(kāi)發(fā)了EMB。具工藝流程見(jiàn)圖2。廢水與活性污泥被膜隔開(kāi)來(lái)，廢水在膜內(nèi)流動(dòng)，而含某種專性細(xì)菌的活性污泥在膜外流動(dòng)，廢水與微生物不直接接觸，有機(jī)污染物可以選擇性透過(guò)膜被另一側(cè)的微生物降解。由于萃取膜兩側(cè)的生物反應(yīng)器單元和廢水循環(huán)單元是

4、各自獨(dú)立，各單元水流相互影響不大，生物反應(yīng)器中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物生存條件不受廢水水質(zhì)的影響，使水處理效果穩(wěn)定。系統(tǒng)的運(yùn)行條件如HRT和SRT可分別控制在最優(yōu)的范圍，維持最大的污染物降解速率。四、固液分離型膜-生物反應(yīng)器固液分離型膜-生物反應(yīng)器是在水處理領(lǐng)域中研究得最為廣泛深入的一類膜-生物反應(yīng)器，是一種用膜分離過(guò)程取代傳統(tǒng)活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術(shù)。在傳統(tǒng)的廢水生物處理技術(shù)中，泥水分離是在二沉池中靠重力作用完成的，其分離效率依賴于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分離效率越高。而污泥的沉降性取決于曝氣池的運(yùn)行狀況，改善污泥沉降性必須嚴(yán)格控制曝氣池的操作條件，這限制了該方法的適用范圍。由

5、于二沉池固液分離的要求，曝氣池的污泥不能維持較高濃度，一般在1.53.5g/L左右，從而限制了生化反應(yīng)速率。水力停留時(shí)間（HRT）與污泥齡（RT）相互依賴，提高容積負(fù)荷與降低污泥負(fù)荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的25%40%。傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)還容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，出水中含有懸浮固體，出水水質(zhì)惡化。針對(duì)上述問(wèn)題,MBR將分離工程中的膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，大大提高了固液分離效率，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌（特別是優(yōu)勢(shì)菌群）的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率同時(shí),通過(guò)降低F/M比減少剩余污泥產(chǎn)生量（甚至為

6、零），從而基本解決了傳統(tǒng)活性污泥法存在的許多突出問(wèn)題。五、MBR工藝類型以下討論的均為固液分離型膜-生物反應(yīng)器。根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合方式，可將膜-生物反應(yīng)器分為分置式、一體式以及復(fù)合式三種基本類型。分置式和一體式的MBR請(qǐng)參見(jiàn)圖3。分置式膜-生物反應(yīng)器把膜組件和生物反應(yīng)器分開(kāi)設(shè)置，如圖3所示。生物反應(yīng)器中的混合液經(jīng)循環(huán)泵增壓后打至膜組件的過(guò)濾端，在壓力作用下混合液中的液體透過(guò)膜，成為系統(tǒng)處理水；固形物、大分子物質(zhì)等則被膜截留，隨濃縮液回流到生物反應(yīng)器內(nèi)。分置式膜-生物反應(yīng)器的特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定可靠，易于膜的清洗、更換及增設(shè)；而且膜通量普遍較大。但一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積，延長(zhǎng)膜

7、的清洗周期，需要用循環(huán)泵提供較高的膜面錯(cuò)流流速，水流循環(huán)量大、動(dòng)力費(fèi)用高（Yamamoto,1989）,并且泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力會(huì)使某些微生物菌體產(chǎn)生失活現(xiàn)象（BrockmannandSeyfried,1997)一體式膜-生物反應(yīng)器是把膜組件置于生物反應(yīng)器內(nèi)部，如圖4所示。進(jìn)水進(jìn)入膜-生物反應(yīng)器，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在外壓作用下由膜過(guò)濾出水。這種形式的膜-生物反應(yīng)器由于省去了混合液循環(huán)系統(tǒng)，并且靠抽吸出水，能耗相對(duì)較低；占地較分置式更為緊湊，近年來(lái)在水處理領(lǐng)域受到了特別關(guān)注。但是一般膜通量相對(duì)較低，容易發(fā)生膜污染，膜污染后不容易清洗和更換。復(fù)合式膜-生物反應(yīng)器在形

8、式上也屬于一體式膜-生物反應(yīng)器，所不同的是在生物反應(yīng)器內(nèi)加裝填料，從而形成復(fù)合式膜-生物反應(yīng)器，改變了反應(yīng)器的某些性狀，如圖5所示：六、MBR工藝的特點(diǎn)與許多傳統(tǒng)的生物水處理工藝相比，MBR具有以下主要特點(diǎn)：一、出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定由于膜的高效分離作用，分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)沉淀池，處理出水極其清澈，懸浮物和濁度接近于零，細(xì)菌和病毒被大幅去除，出水水質(zhì)優(yōu)于建設(shè)部頒發(fā)的生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJ25.1-89),可以直接作為非飲用市政雜用水進(jìn)行回用。同時(shí)，膜分離也使微生物被完全被截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，使得系統(tǒng)內(nèi)能夠維持較高的微生物濃度，不但提高了反應(yīng)裝置對(duì)污染物的整體去除效率，保證了良好的出水水質(zhì)，同時(shí)反應(yīng)

9、器對(duì)進(jìn)水負(fù)荷（水質(zhì)及水量）的各種變化具有很好的適應(yīng)性，耐沖擊負(fù)荷，能夠穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)。二、剩余污泥產(chǎn)量少該工藝可以在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷下運(yùn)行，剩余污泥產(chǎn)量低（理論上可以實(shí)現(xiàn)零污泥排放），降低了污泥處理費(fèi)用。三、占地面積小，不受設(shè)置場(chǎng)合限制生物反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負(fù)荷高，占地面積大大節(jié)省；該工藝流程簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積省，不受設(shè)置場(chǎng)所限制，適合于任何場(chǎng)合，可做成地面式、半地下式和地下式。四、可去除氨氮及難降解有機(jī)物由于微生物被完全截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，從而有利于增殖緩慢的微生物如硝化細(xì)菌的截留生長(zhǎng)，系統(tǒng)硝化效率得以提高。同時(shí)，可增長(zhǎng)一些難降解的有機(jī)物在系統(tǒng)中

10、的水力停留時(shí)間，有利于難降解有機(jī)物降解效率的提高。五、操作管理方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制該工藝實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間（HRT）與污泥停留時(shí)間（SRT）的完全分離，運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中容易實(shí)現(xiàn)裝備化的新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)控制，從而使操作管理更為方便。六、易于從傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改造該工藝可以作為傳統(tǒng)污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級(jí)污水處理廠出水深度處理（從而實(shí)現(xiàn)城市污水的大量回用）等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。膜-生物反應(yīng)器也存在一些不足。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：o膜造價(jià)高，使膜-生物反應(yīng)器的基建投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝；o膜污染容易出現(xiàn)，給操作管理帶來(lái)不便；o能耗高：首先MBR泥水分離過(guò)程

11、必須保持一定的膜驅(qū)動(dòng)壓力，其次是MBR池中MLSS濃度非常高，要保持足夠的傳氧速率，必須加大曝氣強(qiáng)度，還有為了加大膜通量、減輕膜污染，必須增大流速，沖刷膜表面，造成MBR的能耗要比傳統(tǒng)的生物處理工藝高。七、MBR工藝用膜膜可以由很多種材料制備，可以是液相、固相甚至是氣相的。目前使用的分離膜絕大多數(shù)是固相膜。根據(jù)孔徑不同可分為：微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜；根據(jù)材料不同，可分為無(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜，無(wú)機(jī)膜主要是微濾級(jí)別膜。膜可以是均質(zhì)或非均質(zhì)的，可以是荷電的或電中性的。廣泛用于廢水處理的膜主要是由有機(jī)高分子材料制備的周相非對(duì)稱膜。膜的分類依據(jù)及分類：一、MBR膜材質(zhì)1、高分子有機(jī)膜材料：聚烯爛類、

12、聚乙烯類、聚丙烯月青、聚碉類、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。有機(jī)膜成本相對(duì)較低，造價(jià)便宜，膜的制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式也較為多樣，應(yīng)用廣泛，但運(yùn)行過(guò)程易污染、強(qiáng)度低、使用壽命短。2、無(wú)機(jī)膜：是固態(tài)膜的一種，是由無(wú)機(jī)材料，如金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無(wú)機(jī)高分子材料等制成的半透膜。目前在MBR中使用的無(wú)機(jī)膜多為陶瓷膜，優(yōu)點(diǎn)是：它可以在PH0-14、壓力P<10MPa、溫度<350C的環(huán)境中使用，具通量高、能耗相對(duì)較低，在高濃度工業(yè)廢水處理中具有很大競(jìng)爭(zhēng)力；缺點(diǎn)是：造價(jià)昂貴、不耐堿、彈性小、膜的加工制備有一定困難。二、MBR膜孔徑MBR工藝中用膜一般為微濾膜（MF）和超

13、濾膜（UF）,大都采用0.10.4mm膜孔徑，這對(duì)于固液分離型的膜反應(yīng)器來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。微濾膜常用的聚合物材料有：聚碳酸酯、纖維素酯、聚偏二氟乙烯、聚碉、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醴酰亞胺、聚丙烯、聚醴醴酮、聚酰胺等。超濾常用聚合物材料有：聚碉、聚醴碉、聚酰胺、聚丙烯月青（PAN）、聚偏氟乙烯、纖維素酯、聚醴醴酮、聚亞酰胺、聚醴酰胺等。三、MBR膜組件Module)為了便于工業(yè)化生產(chǎn)和安裝，提高膜的工作效率，在單位體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的膜面積，通常將膜以某種形式組裝在一個(gè)基本單元設(shè)備內(nèi)，在一定的驅(qū)動(dòng)力下，完成混合液中各組分的分離，這類裝置稱為膜組件（工業(yè)上常用的膜組件形式有五種:板框式(Plateand

14、FrameModule)、螺旋卷式(SpiralWoundModule)、圓管式(TubularModule)、中空纖維式(HollowFiberModule)和毛細(xì)管式(CapillaryModule)。前兩種使用平板膜，后三者使用管式膜。圓管式膜直徑>10mm;毛細(xì)管式0.510.0mm；中空纖維式<0.5mm>。表：各種膜組件特性名稱/項(xiàng)目中空纖維式毛細(xì)管式螺旋卷式平板式圓管式價(jià)格(元/m3)4015015080025080080025004001500沖填密度高中中低低清洗難易中易易壓力降高中中中低可杳局壓操作可否可較難較難膜形式限制有有無(wú)無(wú)無(wú)MBR工藝中常用的膜組件

15、形式有：板框式、圓管式、中空纖維式。板框式：是MBR工藝最早應(yīng)用的一種膜組件形式，外形類似于普通的板框式壓濾機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是：制造組裝簡(jiǎn)單，操作方便，易于維護(hù)、清洗、更換。缺點(diǎn)是：密封較復(fù)雜，壓力損失大，裝填密度小。圓管式：是由膜和膜的支撐體構(gòu)成，有內(nèi)壓型和外壓型兩種運(yùn)行方式。實(shí)際中多采用內(nèi)壓型，即進(jìn)水從管內(nèi)流入，滲透液從管外流出。膜直徑在624mm之間。圓管式膜優(yōu)點(diǎn)是：料液可以控制湍流流動(dòng)，不易堵塞，易清洗，壓力損失小。缺點(diǎn)是：裝填密度小。中空纖維式:組裝形式如下圖所示:圖柱形中空纖維膜外徑一般為40250pm,內(nèi)徑為2542仙m。優(yōu)點(diǎn)是：耐壓強(qiáng)度高，不易變形。在MBR中，常把組件直接放入反應(yīng)器中

16、，不需耐壓容器，構(gòu)成浸沒(méi)式膜-生物反應(yīng)器。一般為外壓式膜組件。優(yōu)點(diǎn)是：裝填密度高；造價(jià)相對(duì)較低；壽命較長(zhǎng)，可以采用物化性能穩(wěn)定，透水率低的尼龍中空纖維膜；膜耐壓性能好，不需支撐材料。缺點(diǎn)是：對(duì)堵塞敏感，污染和濃差極化對(duì)膜的分離性能有很大影響。MBR膜組件設(shè)計(jì)的一般要求：o對(duì)膜提供足夠的機(jī)械支撐，流道通暢，沒(méi)有流動(dòng)死角和靜水區(qū)；o能耗較低，盡量減少濃差極化，提高分離效率，減輕膜污染；o盡可能高的裝填密度，安裝，清洗、更換方便;o具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性。膜組件的選用要綜合考慮其成本，裝填密度、應(yīng)用場(chǎng)合、系統(tǒng)流程、膜污染及清洗、使用壽命等。八、MBR的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)入90年代中后期，膜-生物

17、反應(yīng)器在國(guó)外已進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。加拿大Zenon公司首先推出了超濾管式膜-生物反應(yīng)器，并將其應(yīng)用于城市污水處理。為了節(jié)約能耗，該公司又開(kāi)發(fā)了浸入式中空纖維膜組件，具開(kāi)發(fā)出的膜生物反應(yīng)器已應(yīng)用于美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和埃及等十多個(gè)地方，規(guī)模從380m3/d至7600m3/d。日本三菱人造絲公司也是世界上浸入式中空纖維膜的知名提供商，其在MBR的應(yīng)用方面也積累了多年的經(jīng)驗(yàn)，在日本以及其他國(guó)家建有多項(xiàng)實(shí)際MBR工程。日本Kubota公司是另一個(gè)在膜-生物反應(yīng)器實(shí)際應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)力的公司，它所生產(chǎn)的板式膜具有流通量大、耐污染和工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)一些研究者及企業(yè)也在MBR實(shí)用化方面進(jìn)行著嘗試?，F(xiàn)在，膜-生

18、物反應(yīng)器已應(yīng)用于以下領(lǐng)域：、城市污水處理及建筑中水回用1967年第一個(gè)采用MBR工藝的廢水處理廠由美國(guó)的Dorr-Oliver公司建成，這個(gè)處理廠處理14m3/d廢水。1977年，一套污水回用系統(tǒng)在日本的一幢高層建筑中得到實(shí)際應(yīng)用。1980年，日本建成了兩座處理能力分別為10m3/d和50m3/d的MBR處理廠。90年代中期，日本就有39座這樣的廠在運(yùn)行，最大處理能力可達(dá)500m3/d,并且有100多處的高樓采用MBR將污水處理后回用于中水道。1997年，英國(guó)Wessex公司在英國(guó)Porlock建立了當(dāng)時(shí)世界上最大的MBR系統(tǒng)，日處理量達(dá)2,000m3,1999年又在Dorset的Swanag

19、e建成了13,000m3/d的MBR工廠14。1998年5月，清華大學(xué)進(jìn)行的一體式膜-生物反應(yīng)器中試系統(tǒng)通過(guò)了國(guó)家鑒定。2000年初，清華大學(xué)在北京市海淀鄉(xiāng)醫(yī)院建起了一套實(shí)用的MBR系統(tǒng)，用以處理醫(yī)院廢水，該工程于2000年6月建成并投入使用，目前運(yùn)轉(zhuǎn)正常。2000年9月，天津大學(xué)楊造燕教授及其領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在天津新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)普辰大廈建成了一個(gè)MBR示范工程，該系統(tǒng)日處理污水25噸，處理后的污水全部用于衛(wèi)生間的沖洗及綠地澆灑，占地面積為10平方米，處理每噸污水的能耗為0.7kWh。二、工業(yè)廢水處理90年代以來(lái)，MBR的處理對(duì)象不斷拓寬，除中水回用、糞便污水處理以外，MBR在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)

20、用也得到了廣泛關(guān)注，如處理食品工業(yè)廢水、水產(chǎn)加工廢水、養(yǎng)殖廢水、化妝品生產(chǎn)廢水、染料廢水、石油化工廢水，均獲得了良好的處理效果。90年代初，美國(guó)在Ohio建造了一套用于處理某汽車制造廠的工業(yè)廢水的MBR系統(tǒng)，處理規(guī)模為151m3/d,該系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷達(dá)6.3kgCOD/m3d,COD去除率為94%,絕大部分的油與油脂被降解。在荷蘭，一脂肪提取加工廠采用傳統(tǒng)的氧化溝污水處理技術(shù)處理其生產(chǎn)廢水，由于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，結(jié)果導(dǎo)致污泥膨脹，污泥難以分離，最后采用Zenon的膜組件代替沉淀池，運(yùn)行效果良好。三、微污染飲用水凈化隨著氮肥與殺蟲(chóng)劑在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，飲用水也不同程度受到污染。Lyonnaised

21、esEaux公司在90年代中期開(kāi)發(fā)出同時(shí)具有生物脫氮、吸附殺蟲(chóng)劑、去除濁度功能的MBR工藝，1995年該公司在法國(guó)的Douchy建成了日產(chǎn)飲用水400m3的工廠。出水中氮濃度低于0.1mgNO2/L,殺蟲(chóng)劑濃度低于0.02g/L。四、糞便污水處理糞便污水中有機(jī)物含量很高，傳統(tǒng)的反硝化處理方法要求有很高污泥濃度，固液分離不穩(wěn)定，影響了三級(jí)處理效果。MBR的出現(xiàn)很好地解決了這一問(wèn)題，并且使糞便污水不經(jīng)稀釋而直接處理成為可能。日本已開(kāi)發(fā)出被稱之為NS系統(tǒng)的屎尿處理技術(shù)，最核心部分是平板膜裝置與好氧高濃度活性污泥生物反應(yīng)器組合的系統(tǒng)。NS系統(tǒng)于1985年在日本琦玉縣越谷市建成，生產(chǎn)規(guī)模為10kL/d,

22、1989年又先后在長(zhǎng)崎縣、熊本縣建成新的屎尿處理設(shè)施。NS系統(tǒng)中的平板膜每組約0.4m2共幾十組并列安裝，做成能自動(dòng)打開(kāi)的框架裝置，并能自動(dòng)沖洗。膜材料為截流分子量20000的聚碉超濾膜。反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度保持在1500018000mg/L范圍內(nèi)。到1994年,日本已有1200多套MBR系統(tǒng)用于處理4000多萬(wàn)人的糞便污水。五、土地填埋場(chǎng)/堆肥滲濾液處理土地填埋場(chǎng)/堆肥滲濾液含有高濃度的污染物，其水質(zhì)和水量隨氣候條件與操作運(yùn)行條件的變化而變化。MBR技術(shù)在1994年前就被多家污水處理廠用于該種污水的處理。通過(guò)MBR與RO技術(shù)的結(jié)合，不僅能去除SS、有機(jī)物和氮，而且能有效去除鹽類與重金屬。最近美國(guó)Envirogen公司開(kāi)發(fā)出一種MBR用于土地填埋場(chǎng)滲濾液的處理，并在新澤西建成一個(gè)日處理能力為40萬(wàn)加侖（約1500m3/d）的裝置，在2000年底投入運(yùn)行。該種MBR使用一種自然存在的混