膜生物反應器在我國的研究及應用

1、膜生物反響器在我國的研究及應用摘要：膜生物反響器BR是通過膜強化生化反響的污水處理新技術(shù)。本文綜述了該技術(shù)在國內(nèi)的研究進展以及應用現(xiàn)狀；并對BR存在的問題與應用前景作了討論。關(guān)鍵詞：膜生物反響器污水處理膜技術(shù)膜生物反響器BR是一種由膜別離單元與生物處理單元相結(jié)臺的新型水處理技術(shù)，以膜組件取代二沉池在生物反響器中保持高活性污泥濃度減少污水處理設(shè)施占地，并通過保持低污泥負荷減少污泥量。與傳統(tǒng)的生化水處理技術(shù)相比，BR具有以下主要特點：處理效率高、出水水質(zhì)好；設(shè)備緊湊、占地面積?。灰讓崿F(xiàn)自動控制、運行管理簡單。80年代以來，該技術(shù)愈來愈受到重視，成為研究的熱點之一。目前膜生物反響器己應用于美國、德國

2、、法國和埃及等十多個國家，規(guī)模從63d至130003d不等。我國對BR的研究還不到十年，但進展非常迅速。1991年10月，岑運華介紹了BR在日本的研究狀況，1993年前后，許多高校與研究所參加了BR的開發(fā)研究工作，詳情見表1。為了全面理解膜生物反響器在我國的研究狀況，本文作者對國內(nèi)科研人員19912000有關(guān)BR發(fā)文情況作了統(tǒng)計發(fā)文只統(tǒng)計綜述與實驗類文章，十年共104篇，并有10位博士與10多位碩上以BR作為研究課題獲得學位。從圖1可以看出：最近四年有關(guān)BR的論文數(shù)呈持續(xù)上升的態(tài)勢。國內(nèi)對BR的研究大致可分為幾個方面：1探究不同生物處理工藝與膜別離單元的組合形式，生物反響處理工藝從活性污泥法擴

3、展到接觸氧化法、生物膜法、活性污泥與生物膜相結(jié)合的復臺式工藝、兩相厭氧工藝；2影響處理效果與膜污染的因素、機理及數(shù)學模型的研究，探求適宜的操作條件與工藝參數(shù)，盡可能減輕膜污染，進步膜組件的處理才能和運行穩(wěn)定性；3擴大BR的應用范圍，BR的研究對象從生活污水擴展到高濃度有機廢水食品廢水、啤酒廢水與難降解工業(yè)廢水石化污水、印染廢水等，但以生活污水的處理為主。據(jù)此，本文的目的在于對我國膜生物反響器在廢水處理中的開展情況進展回憶、分析與討論。表1我國BR研究狀況科研單位篇數(shù)%反響器廢水清華大淡3533.6%)別離式無機膜抽吸吞沒式生活污水同濟大學1918.3)別離式高濃度有機廢水生態(tài)環(huán)境研究中心10(

4、9.6)別離式印染，石化廢水哈爾濱建筑大學8(7.7)重力吞沒式生活污水天津大學9(8.7)重力吞沒式生活污水其它高校及科研23(22.1)別離式生活污水、啤酒廢單位抽吸吞沒式水、港口污水等1BR的憂點在BR的特點中，良好的出水水質(zhì)與較低的污泥產(chǎn)率最受關(guān)注。1.1良好的污染物去除效果BR在我國的研究始于1993年，研究者對別離式BR、抽吸吞沒式BR、重力吞沒式BR與傳統(tǒng)生物處理工藝在城市污水處理方面進展的比擬研究說明：各種BR的出水水質(zhì)均優(yōu)于傳統(tǒng)生物處理工藝表2和表3分別為BR處理生活污水的實驗參數(shù)與處理效果，經(jīng)BR處理后的生活污水，D、BD5、濁度都很低，大部分細菌、病毒被截留，出水水質(zhì)已到

5、達或優(yōu)于建立部生活雜用水水質(zhì)標準J25.1-89，可直接作為樓房中水回用、城市園林綠化、掃除、消防等用水。并且膜的截留作用防止了硝化細菌的流失，給生物反響器內(nèi)的高濃度硝化細菌的保持創(chuàng)造了有利的條件，從而大大進步了硝化效率。汪誠文、張軍對一體式BR硝化特性的研究說明：BR對氮的去除效果高達97。但研究也說明：BR對氮的去除效果易受溫度、沖擊負荷、HRT等因素的影響。表2BR處理生活污水的實驗參數(shù)BR流程膜面積2膜材料膜孔徑膜組件膜通量L.-2.h-1TP/kPa運行天數(shù)/d別離式好氧0.04陶瓷膜300000*管式75-15040好氧+填料0.88PAN20000*平板超濾20-4515060好

6、氧+填料1.0PS30000*中空25-3510070抽吸吞沒式A/+填料1PV0.01中空超濾2.350-120140好氧2.0PE0.03中空10.40-35140好氧3.5PP0.05中空66060好氧4PV30000*中空超濾1110030好氧13.9PE0.2中空8.7-12.860160好氧32PE0.4中空11-13.860216重力吞沒式好氧0.3PE0.1中空27.710-52.630好氧1PS0.34平板3.61534好氧8PE0.4中空12.55.4-1138好氧12PVDF0.22中空16.70.8-1.3150*截留分子量在我國，BR同時應用于生活污水與工業(yè)廢水處理的

7、研究。表4和表5分別為BR處理各種工業(yè)廢水的實驗參數(shù)與處理效果。這些研究結(jié)果都說明：BR對各種高濃度有機廢水與難降解廢水的D，NH3-N.SS，濁度等都到達良好的去除效果。1993年華東理工大學環(huán)境工程研究所進展了別離式陶瓷膜BR處理人工合成污水和制藥廢水的可行性研究；1995年，樊耀波將BR用于石油化工污水凈化的研究；王連軍用無機膜一生物反響器IBR處理啤酒廢水；何義亮采用膜一厭氧生物反響器處理高濃度食品廢水：當D負荷低于2kg/3.d時，膜出水D去除率在90以上；營運濤用兩相厭氧BR處理人工配制淀粉廢水：D負荷在424kg3.d時，D去除率可達95以上；桂萍用BR處理喹啉、EDTA、聚乙二

8、醇三種難降解有機物，發(fā)現(xiàn)BR對D去除率、難降解有機物去除率、抗沖擊負荷才能都高于活性污泥法；吳志超采用BR與常規(guī)生物工藝處理巴西基酸消費廢水的比照研究也說明：BR產(chǎn)泥量少，污泥活性高，能進步大分子難降解有機物的去除率；樊耀波、鄭祥用BR處理毛紡印染廢水的小試、中試研究說明：經(jīng)BR處理后的廢水能到達中水回用標準。表3BR對生活污水的處理效果D/g.L-1NH3-N/g.L-1SS/g.L-1濁度/NTUUV/kg.-3.d-1Us/kg.kg-3.d-1HRT/h進水出水%400-850109810-402(97)300-600(100)50-801.5(98)0.7-3.40.19-0.555

9、進水出水%95-65259514-27(95)-4.0-4-7.5進水出水%72-23511-606945.816(65)371.3(97)-1.36-1.8-1.5-5進水出水%152-433309712-370.66(97)33-149018-1601-6進水出水%121-30789021.6-50.82(90)180-240-0.8-5.760.21.5-5.8進水出水%300-70060-400-8000100-50030.58-1.820.465進水出水%203-42920(93)-146.7-進水出水%130-322400.59-1.00.515-500146-18510.5-1.

10、850.33-2.023.15進水出水%94.61-0.90.101-進水出水%336-8084-3215.9-35.10-1.7-5進水出水%69618.7(97)-0.21-30.35-0.65-進水出水%161(97)-1(95)-%：去除率表4BR處理工業(yè)廢水的實驗參數(shù)廢水流程膜面積2膜材料膜孔徑膜形式膜通量L.-2.h-1膜面流速.s-1運行天數(shù)d啤酒好氧0.022陶瓷膜-管式-6.2-石化好氧0.035PAN50000*中空60-703.561食品厭氧0.64PES20000*板框式12.5-25-印染A/12PAN50000*中空35-451.3-3.6125港口接觸氧化-E0.

11、1中空-制藥好氧-PP0.2中空-印染A/44PE0.1中空9.1-12-160*截留分子量表5BR對工業(yè)廢水的處理效果廢水D/g,L-1NH3-N/g.L-1SS/g.L-1UV*/kg.-3.d-1Us*/kg.kg-1.d-1HRT/hSRT/d石化進水54258.51180.800.5813.99.5出水26.77.34.6去除率%918693印染進水256.51.05-0.83-2.450.6-1.85.4-9.4出水20.20.56-去除率%92.447-食品進水2000-15000-600-10002-50.33-0.6360出水-去除率%70-90-100啤酒進水413-162

12、144-7574-943.5-6.3-3.5-5出水400.12-0.846-10去除率%969990港口進水120-15010-30200-4501.5-2.2-出水205去除率%-巴西基酸進水3000-12000-1.2-4.80.15-0.1712-485-50出水139-160-去除率%-*Uv=容積負荷，Us=污泥負荷1.2污泥產(chǎn)率低活性污泥法是城市污水和工業(yè)廢水處理應用最廣泛的生物處理方法，它把廢水中的有機污染物轉(zhuǎn)化為生物體、2和H2的同時，產(chǎn)生大量的剩余污泥。目前剩余污泥的處理與處置己成為污水處理廠能否正常運行的制約因素之一，它的費用占到污水處理廠總運行費用的2540，甚至高達6

13、0。因此，從源頭減少污泥的產(chǎn)生量就顯得非常必要和關(guān)鍵，這些因素推動和促進了具有剩余污泥少特點的BR技術(shù)的開發(fā)及研究。理論上講，膜生物反響器能將污泥完全截留在生物反響器內(nèi)，實現(xiàn)不排泥操作污泥零排放。1991年，在BR處理生活污水的小試中，haize和Huyard首次研究了BR對污泥產(chǎn)率的影響，在SRT為50d和100d時，污泥產(chǎn)量大大減少，他們認為這是低F比例和較長污泥齡的結(jié)果。uller在處理生活污水的中試研究發(fā)現(xiàn)：當污泥濃度LSS高達4060gL-1和污泥完全截留SRT時，幾乎不產(chǎn)生污泥。桂萍在不同SRT580d條件下，用一體式BR處理生活污水發(fā)現(xiàn)：理論產(chǎn)率系數(shù)YG與衰減系數(shù)b值隨SRT的延

14、長而下降。劉銳用一體式BR處理生活污水，在280天的未排泥的條件下運行，發(fā)現(xiàn)表觀產(chǎn)率系數(shù)Yb隨運行時間的延長呈明顯的降低趨勢，Yb從運行初期的0.248kgVSSKgD下降為0.038kgVSS/KgD。張紹園應用食物鏈中能量遞減的原理，在兩段式BR中引入后生動物一蠕蟲r，發(fā)現(xiàn)有蠕蟲存在時，其污泥產(chǎn)率低于常規(guī)活性污泥法污水處理系統(tǒng)；當蠕蟲濃度保持100個/l以上時，污泥產(chǎn)率為0.1kgSS/(kg去除D，污泥產(chǎn)率為0.1kgSSkg去除D，約為常規(guī)活性污泥法的14。但該方法還有待進一步的研究，如維持蠕蟲在系統(tǒng)內(nèi)最正確數(shù)量，使污泥產(chǎn)率趨向于零，到達不排放污泥的目的。表6BR的污泥產(chǎn)率SRTdYb

15、(kgVSS/KgD)b(l/d)SRT(d)Yb(kgVSS/kgD)b(l/d)50.140.3250.380.08100.140.17100.26-0.300.08200.0760.18150.16-0.170.08400.0720.0950.260.05800.0560.05100.230.0513150.038-0.2480.023200.190.05-0.04-0.12500.0980.052膜生物反響器運行的影響因素膜生物反響器由膜別離單元與生物處理單元組成，因此影響B(tài)R穩(wěn)定運行的因素不僅包括常規(guī)生物動力學參數(shù)：容積負荷、污泥濃度、污泥負荷等，還包括膜別離的參數(shù)：膜的固有性質(zhì)膜材

16、料、膜孔徑、荷電性等、濾液的性質(zhì)、操作方式、反響器的水力學條件等。其中生物動力學參數(shù)主要影響B(tài)R的處理效果，膜別離說明：好氧BR出水受容積負荷與水力停留時間HRT的影響較小，而厭氧BR出水受沖擊負荷與HRT的影響較大。李紅兵用BR處理生活污水，在水力停留時間為1.5、5.8h，D或負荷在高負荷5.76Kg/(3.d)與穩(wěn)態(tài)運行新下0.8-1kg/(3.d)處理效果根本一樣，系統(tǒng)對D去除率都到達90以上。吳志超采用好氧BR處理巴西基酸消費廢水發(fā)現(xiàn)：容積負荷分別為1.2、2.4、3.6、4.8kg3.d)，出水D濃度變化不大；且HRT對出水水質(zhì)無明顯的影響。而何義亮用厭氧BR處理高濃度食品廢水卻發(fā)

17、現(xiàn)：當容積負荷從2kg3.d升高到4.5kg(3.d，D去除率從90下降至70；且HRT對處理效果有重要影響。對這些研究的比擬發(fā)現(xiàn)：在好氧BR中，污泥濃度隨容積負荷的增加迅速升高，有機物去除速率加快，污泥負荷根本保持不變，從而抑制出水水質(zhì)的惡化；而在厭氧BR中，污泥濃度升高緩慢，污泥負荷與容積負荷幾乎呈正相關(guān)關(guān)系，因此厭氧BR出水水質(zhì)易受容積負荷的影響。李紅兵、顧平對BR處理生活污水的研究說明：沖擊負荷對有機物的去除沒有顯著的影響，但NH3N受沖擊負荷影響明顯，出水NH3-N的惡化程度與沖擊負荷的大小成正比。這一現(xiàn)象可能是由于膜的攔截作用對NH3N的去除并無奉獻，因此BR對氮的去除效果易受生物

18、反響器處理效果影響。顧平的研究還發(fā)現(xiàn)：在沖擊負荷條件下，膜通量衰減幅度是正常D負荷的數(shù)十倍。通過分析沖擊負荷期間進水D和LSS間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)反響器內(nèi)LSS的變化規(guī)律與最大膜通量的降低有類似之處，D沖擊負荷使反響器內(nèi)活性污泥濃度迅速增加，混合液的粘度增加，從而使液-固別離說明污泥濃度與溶解性微生物產(chǎn)物是影響膜通量的重要參數(shù)。表7為LSS對膜通量、過濾阻力的影響，這些研究成果說明：一定條件下污泥濃度越高，膜通量愈低。顧平在一體式BR處理生活污水的研究卻發(fā)現(xiàn)：當曝氣強度足夠大時氣水比近似100：1，LSS由10gL變化到35g/L時，LSS與膜通量沒有明顯的相夫性；但假如降低暖氣強度，LSS對膜通量

19、可能產(chǎn)生一定的影響。污泥濃度對膜通量的影響程度與曝氣強度，膜面循環(huán)流速，水力學條件等親密相關(guān)。桂萍應用正交試驗的方法對一體式BR中膜污染速度與污泥濃度、曝氣量和膜通量的關(guān)系進展考察，研究結(jié)果說明：不同污泥濃度均存在一個污泥在膜外表根底上，采用均勻設(shè)計法，擴大各變量的取值范圍，以膜過濾阻力上升速率K作為膜污染開展速度的表征指數(shù)，建立了膜污染開展表7LSS對膜通量、膜阻力的影響膜材料膜型式LSS/g.L-1溶解性D/g.L-1LSS對膜通量、過濾阻力影響LSS/g.L-1,LSS*/g.l-1,Jv/3.-2.d-1,J/L.-2.h-1PS/PAN別離式-Jv=-1.82lg(LSS*)+8.6

20、8PAN.PS別離式5-15-Jv=-1.57lg(LSS*)+7.8-一體式-Jv=-0.42lg(LSS*)+1.68PAN別離式2-20-J=-4.2062lss+126.38PE一體式1-1070PS-500-730Jv=4890(LSS)-2.66PS/PAN別離式3.6-9136-203PE一體式2-30-2.2膜別離本錢限制了無機膜在我國的廣泛應用，國內(nèi)BR曾遍采用有機膜，常用的膜材料為聚乙烯、聚丙烯等。別離式BR通常采用超濾膜組件，截留分子量一般在230萬。截留分子量越大，初始膜通量越大，但長期運行膜通量未必越大。張洪宇進展無機膜的通量衰減實驗說明外表的凝膠層也起到了過濾作用，

21、在處理生活污水時，微濾膜與超濾膜的出水水質(zhì)沒有明顯差異別離式BR穩(wěn)定運行的重要操作，樊耀波通過數(shù)學推導，得出膜的最正確反沖洗周期測定公式ft)=(QfQb)/(tb+tf，該方法防止通過試探性實驗確定反沖洗周期的作法，為BR系統(tǒng)自動化控制的實現(xiàn)提供了一個重要途徑。針對抽吸吞沒式BR，Yat提出間歇式抽吸方式可有效減緩膜污染。桂萍通過研究進一步指出：縮短抽吸時間或延長停吸時間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染，抽吸時間對膜阻力的上升影響最大，曝氣量其次。不僅污泥濃度、混合液粘度等影響膜通量，混合液本身的過濾性能，如活性污泥性狀、生物相也影響膜通量的衰減。有研究說明：粉末活性炭PA與絮凝劑的參加有助于

22、改善泥水別離性能，形成體積更大、粘性更小的污泥絮體，減少了膜堵塞的時機。但絮凝劑的過量加人會造成污泥活性受到限制，影響反響說明：污泥過膜流態(tài)為層流遠比紊流的易于堵塞，因此從理論上確定不同污泥濃度下紊流發(fā)生的最小膜面流速Vin有重要意義。邢傳宏、彭躍蓮研究均發(fā)現(xiàn)：最小膜面流速與污泥濃度之間呈良好的線性夫系。但他們對臨界膜面流速的計算值可能偏高，因為污泥沿流道流動的過程中，水同時透過膜流出，增加了流體在垂直方向的紊動，從而在一定程度上降低了下臨界雷諾數(shù)Rek。何義亮的發(fā)現(xiàn)證實了這一推論：平板膜組件由紊流到層流的Rek為1083，外壓管式膜組件的Rek為966，均小于一般牛頓流體的下臨界雷諾數(shù)200

23、0。別離式BR中，一般均采用錯流過濾的方式；而一體式BR本質(zhì)上是一種死端過濾方式。與死端過濾相比，錯流過濾更有助于防止膜面沉積污染。因此設(shè)計合理的流道構(gòu)造，進步膜間液體上升流速，使較大的暖氣量起到了沖刷膜外表的錯流過濾效果對于吞沒式BR顯得尤為重要，劉銳通過均勻設(shè)計試驗，得到合適活性污泥流體的膜間液體上升模型，提出反響器構(gòu)造對液體上升流速的影響：在同樣的暖氣強度下，反響器越高，上升流通道越窄，下降流通道與底部通道越寬，那么越能獲得較大的膜間錯流流速。該模型為一體式BR反響器構(gòu)造的設(shè)計提供了理論根據(jù)，但有待理論的驗證。2.3能耗能耗是污水處理工藝的一個重要的評價指標，直接夫系到處理方法的可行性。

24、目前，常規(guī)別離式BR運行能耗為34kh/3，吞沒式BR運行能耗為2kh/3，遠高于活性污泥法0.3-0.4kh/3，較高的運行費用是BR推廣應用中遇到主要問題。許多研究結(jié)果說明：能耗是造成BR運行費用高的主要原因。張紹園分析了別離式BR的能耗組成：泵的熱能損失、曝氣能耗、管道阻力能耗、膜組件能耗和回流污泥水頭損失能耗，其耗能大小依次為：膜組件泵曝氣管道回流污泥，膜組件能耗占總能耗的4050，真中80用于膜過濾的能量以熱能的方式散發(fā)。顧平對抽吸吞沒式BR的能耗分析說明：曝氣的能耗占總能耗96以上。通常研究者都認為能耗的降低與膜污染的控制是BR研究領(lǐng)域兩個獨立的課題，而張紹國、鄭祥采用穿流式、錯流

25、式膜組件進展別離式BR研究發(fā)現(xiàn)：能耗隨運行時間的延長、膜污染的增加呈上升趨勢，從運行初期的缺乏0.5kh/3增加到3kh/3。這說明：別離式膜生物反響器的能耗問題本質(zhì)是膜污染問題。為了進一步降低能耗，顧平應用位差驅(qū)動出水和低水頭連續(xù)工作的重力吞沒式BR，較好克制了膜的污染與阻塞，使膜長時間保持較大的膜通量，并且省去復雜的氣水反沖洗設(shè)備、降低曝氣量，使BR處理生活污水的能耗可下降到1.0kh3。3膜生物反響器在污水處理中的應用3.1BR在中水回用中的經(jīng)濟分析應用于中水回用系統(tǒng)的BR工藝規(guī)模為251003/d的一次性投資為35004000元/3，膜組件的費用占25左右，以十年計的設(shè)備折舊本錢上建與

26、設(shè)備材料費用，不含膜組件為0.680.83元3，膜的更換費用以兩年計為1.0元/3，運行費為0.3-0.5元/3，其總運行費為2.0-2.3元/3由于膜價格還有相當大的降價空間，據(jù)有關(guān)專家估算，在將來的35年內(nèi)，膜價格有望降為目前的2550，那將大大降低BR的一次性投資與膜的更換費用。隨著膜價格的降低與使用壽命的延長，新型高效低能耗BR的開發(fā)，BR的運行總費用有望降低到1.5元/3。以膜生物反響器工藝的處理費用為例得出中水的產(chǎn)出效益：中水回用相當于節(jié)約等量新穎水而創(chuàng)造的直接經(jīng)濟效益。以北京市2000年居民為供水價1.8元3計，而賓館、洗車、洗浴等行業(yè)供水價為3.05.0元3，高于一般城市居民的

27、自來水用水價格，而膜生物反響器總運行本錢為2.3元3，單純從經(jīng)濟利益上考慮目前對某些行業(yè)來說也是經(jīng)濟的。在現(xiàn)有自來水價偏低的情況下，自來水供水費及排污費仍有增加的趨勢，因此可以預見，膜生物反響器作為污水回用技術(shù)將會愈來愈具有經(jīng)濟、技術(shù)上的競爭優(yōu)勢。3.2BR的應用實例及前景近一兩年，膜生物反響器在國內(nèi)已進入了實際應用階段。1998年，大連大器公司設(shè)計的2022/d的中水回用裝置就己在大連投入運行；天津德人公司首先開發(fā)了重力吞沒式BR，該技術(shù)在2000年己應用于天津普辰大廈的中水回用系統(tǒng)，處理規(guī)模為253d，該裝置占地僅2.82，處理本錢為1.05元3；上海荏原公司研究開發(fā)的P系統(tǒng)己成功地應用于數(shù)十個行業(yè)的高濃度有機廢水處理，規(guī)模從53d至7003d不等；杭州華濾、哈爾濱鷺濱等公司在BR開發(fā)應用方面都具有一定的競爭力。表8列舉了一些BR在我國的應用實例及處理效果。在南方地區(qū)，BR目前主要應用于高濃度有機