膜生物反應(yīng)器在污水處理廠中的應(yīng)用

膜生物反應(yīng)器在污水處理廠中的應(yīng)用

由于廢水水質(zhì)好，操作簡單，污泥產(chǎn)率低，占地面積小，膜生物裝置在污水處理中的應(yīng)用范圍和范圍都在不斷擴(kuò)大和增加。然而,膜污染和目前高昂的投資費(fèi)用是影響膜生物反應(yīng)器進(jìn)一步推廣應(yīng)用的主要因素。隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,膜材料和膜組件的費(fèi)用會(huì)逐步降低,但今后膜污染卻依舊是膜生物反應(yīng)器推廣應(yīng)用的主要障礙。目前膜生物反應(yīng)器在國外的研究和應(yīng)用發(fā)展很快,因此,筆者的目的是系統(tǒng)地總結(jié)最近國外膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究進(jìn)展,以便為我國膜生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用提供有益的借鑒。膜生物反應(yīng)器分為三類:膜分離生物反應(yīng)器(Membraneseparationbioreactor)(截留和分離固體);膜曝氣生物反應(yīng)器(Membraneaerationbioreactor)(無泡曝氣,用于高需氧量的廢水處理);萃取膜生物反應(yīng)器(Extractivemembranebioreactor)(用于工業(yè)廢水中優(yōu)先污染物的處理)。其中,膜分離生物反應(yīng)器是應(yīng)用最廣泛的一種膜生物反應(yīng)器類型。膜分離生物反應(yīng)器按照膜組件的放置方式可分為分體式和一體式膜生物反應(yīng)器;按照是否需氧可分為好氧和厭氧膜生物反應(yīng)器。本文以下部分所述均為膜分離生物反應(yīng)器。20世紀(jì)70年代后期,大規(guī)模好氧膜生物反應(yīng)器首先在北美應(yīng)用,然后依次是20世紀(jì)80年代早期日本(同期南非:厭氧膜生物反應(yīng)器),90年代中期歐洲,90年代末期中國。膜生物反應(yīng)器在日本得到了極大的發(fā)展,目前在日本運(yùn)行(包括在建)的膜生物反應(yīng)器占全球的66%。在膜分離生物反應(yīng)器的應(yīng)用中,98%以上是好氧膜生物反應(yīng)器,其中55%以上是一體式膜生物反應(yīng)器。膜生物反應(yīng)器在不同種類廢水中的應(yīng)用比例見表1。1國外膜生物交換的科學(xué)研究1.1好氧膜生物反應(yīng)器好氧膜生物反應(yīng)器用于城市和工業(yè)廢水的處理效果見表2。HRT(水力停留時(shí)間)、SRT(污泥齡)和污泥負(fù)荷對好氧膜生物反應(yīng)器去除城市和工業(yè)廢水的COD和BOD5影響不大,但污泥齡和污泥負(fù)荷對硝化效率有明顯的影響。好氧膜生物反應(yīng)器處理城市污水,曝氣分別占分體式和一體式MBR總能耗的20%~50%和80%~100%。好氧膜生物反應(yīng)器處理工業(yè)廢水的一個(gè)主要考慮是去除一些特別的污染物,如油脂類污染物。其中,分體式MBR占主導(dǎo)地位,但能耗是一個(gè)主要的影響因素。1.2厭氧膜生物反應(yīng)器厭氧膜生物反應(yīng)器用于高濃度有機(jī)廢水的處理效果見表3。由于缺少曝氣,目前處理高濃度有機(jī)廢水的厭氧膜生物反應(yīng)器均采用分體式。沼氣產(chǎn)量隨著負(fù)荷的增加、水力停留時(shí)間的加長和溫度的降低而減少。處理高濃度有機(jī)廢水的厭氧膜生物反應(yīng)器采用兩種操作方式:低壓和高壓。采用低壓方式,只有壓力和污泥濃度影響膜通量;采用高壓方式,膜通量與壓力無關(guān),但剪切力卻成為一個(gè)控制因素。1.3污泥和tkn膜材料及膜組件和操作條件對膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行和處理效果有不同程度的影響,其中的操作條件主要有HRT和SRT、污泥濃度、污泥負(fù)荷、操作方式(連續(xù)或間歇曝氣、恒通量或恒壓力)等。有關(guān)不同膜組件對TMP和錯(cuò)流速率關(guān)系的影響的研究較多,但直接比較不同膜材料和膜組件對膜通量的研究很少,如:一體式中空纖維膜組件與對應(yīng)的分體式管式膜組件的比膜通量大小比較見表4。污泥濃度、污泥負(fù)荷和水力停留時(shí)間對MBR的COD去除效果影響不明顯。MBR的COD容積負(fù)荷通常為1.2~3.2kg/(m3·d)。一體式膜生物反應(yīng)器的污泥(MLSS)質(zhì)量濃度為12~25g/L,HRT為5~6h,COD容積負(fù)荷為1.0~2.3kg/(m3·d),COD和TKN的去除率分別為96%和95%。在高COD容積負(fù)荷6~13kg/(m3·d),污泥(MLSS)質(zhì)量濃度10~22g/L和HRT僅為1.5h時(shí),COD去除率為95%~99%。污泥產(chǎn)率和污泥活性隨著污泥齡的降低而增加,但污泥降解污染物的能力不太受污泥齡變化的影響。然而,不同的操作條件對MBR的除磷脫氮效果卻有較大的影響。對A/O(缺氧/好氧)一體式中空纖維膜生物反應(yīng)器處理生活污水的小試研究表明:在缺氧區(qū)和好氧區(qū)不同的HRT和回流比例對BOD5和TN去除率(約99%和60%)沒有影響;如果不排污泥,則膜生物反應(yīng)器對脫磷沒有任何提高。在一段法一體式膜生物反應(yīng)器中,間歇曝氣有利于TN的去除,但卻不能同時(shí)去除TP。為此,Seo等在小試規(guī)模一體式膜生物反應(yīng)器的缺氧區(qū)/好氧區(qū)采用兩階段間歇曝氣的方法除磷脫氮,研究結(jié)果表明,TN去除率為92%,TP去除率為66%。采用不同的膜組件(板式膜、陶瓷膜、中空纖維膜),中試規(guī)模一體式膜生物反應(yīng)器處理城市污水的試驗(yàn)結(jié)果顯示,TN和TP的平均去除率分別為80%和95%。此外,根據(jù)臨界通量(Criticalflux)的概念,中試規(guī)模的分體式陶瓷膜生物反應(yīng)器污水處理試驗(yàn)表明,在低于臨界通量的情況下,恒通量操作方式優(yōu)于恒壓力操作方式。1.4膜污染的概念膜污染是影響膜生物反應(yīng)器推廣應(yīng)用的主要因素。膜污染導(dǎo)致膜通量下降,增加膜組件更換和膜清洗的頻率,則會(huì)增加膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行費(fèi)用。根據(jù)國際純粹和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC,InternationalUnionofPureandAppliedChemistry)的定義,由于懸浮物或可溶性物質(zhì)沉積在膜的表面、孔隙和孔隙內(nèi)壁,從而造成膜通量降低的過程稱為膜污染。根據(jù)該定義,膜污染可劃分為如下過程:膜孔內(nèi)壁的吸附、膜孔的堵塞、膜表面泥餅層的壓實(shí)和形成、濃差極化。1.4.1混合懸浮液生物動(dòng)力學(xué)特性分析影響膜生物反應(yīng)器膜污染的因素可劃分為3大類:膜組件(如膜材料、膜孔徑和分布、膜組件的構(gòu)造)、操作條件(如壓力、錯(cuò)流速率和紊流)、污泥混合液特性。膜生物反應(yīng)器處理污水不同于常規(guī)的膜過濾污水,因此,研究膜生物反應(yīng)器的膜污染機(jī)理,不僅需要考慮常規(guī)的膜污染過程,并且應(yīng)充分考慮到混合懸浮液的生物動(dòng)力學(xué)特性及其與膜過濾的關(guān)系。至今,膜生物反應(yīng)器的膜污染機(jī)理并沒有完全弄清楚,這需要進(jìn)一步的研究。剪切力導(dǎo)致污泥顆粒破碎(如污泥顆粒大小從95~200mm變?yōu)?~10mm),同時(shí)也刺激了胞外物(EPS,Extracellularpolymericsubstance)的釋放,這導(dǎo)致了水力阻力的增加,因此,污泥混合懸浮液中的膠體和可溶性物質(zhì)是膜生物反應(yīng)器膜污染的主要影響因素。但與上述結(jié)論相反,Defrance等認(rèn)為懸浮物、膠體和可溶性物質(zhì)占膜污染的比例分別是65%,30%和5%,也就是說,懸浮物和膠體是膜污染的主要影響因素。Carroll和Booker認(rèn)為中空纖維膜污染機(jī)理和速率與中空纖維膜絲的長度和直徑有關(guān),如膜絲的軸向特征在膜污染的初始階段是關(guān)鍵影響因素,因此,他們調(diào)查了中空纖維膜絲長度對膜污染的影響,并建立了一個(gè)簡單的模型。1.4.2裝置應(yīng)用的影響膜污染控制對策有氣、水或氣/水混合反沖洗;化學(xué)清洗;膜材料改性;膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì);臨界通量控制;水動(dòng)力學(xué)控制;空氣噴射和活塞流。本文重點(diǎn)介紹膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、臨界通量控制、水動(dòng)力學(xué)控制、空氣噴射和活塞流。(1)膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮膜組件的放置方式與水力形態(tài)(錯(cuò)流、穿流和活塞流)的關(guān)系、中空纖維膜的管徑與長度的關(guān)系。中空纖維膜組件有兩類:外壓型(過濾從外→內(nèi))和內(nèi)壓型(過濾從內(nèi)→外)。目前常見的是外壓型中空纖維膜組件。外壓型可在軸流(入流與中空纖維膜絲平行)或穿流(入流與中空纖維膜絲垂直)的條件下操作。前者如加拿大Zenon公司的中空纖維膜組件在軸流條件下操作,后者如日本MitsubishiRayon公司的中空纖維膜組件。中空纖維膜在膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用越來越多,常用的方式是把膜組件浸沒在生物反應(yīng)器中,利用重力或真空抽吸獲得膜通量。為了獲得持續(xù)穩(wěn)定的膜通量,中空纖維膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得非常重要。影響中空纖維膜運(yùn)行的設(shè)計(jì)和操作條件包括如下因素:氣泡的數(shù)量和特性;采用的膜通量;膜絲的放置方向(橫向或軸向于氣泡流);膜絲直徑、長度、裝填密度和松緊度;污泥濃度等。試驗(yàn)表明(外壓型中空纖維膜):1)膜絲間氣-液兩相流時(shí)的膜過濾,曝氣能顯著提高膜通量,膜絲軸向放置優(yōu)于橫向放置;2)膜絲放置方向的影響表明,沒有曝氣時(shí)細(xì)膜絲(內(nèi)徑/外徑=0.39/0.6mm)橫向放置優(yōu)于軸向放置,且運(yùn)行對錯(cuò)流很敏感,在中等錯(cuò)流速率下,粗膜絲(內(nèi)徑/外徑=1.8/2.7mm)軸向放置優(yōu)于橫向放置。有曝氣時(shí)膜絲軸向放置優(yōu)于橫向放置,如加拿大Zenon公司的中空纖維膜生物反應(yīng)器;3)考察膜絲直徑的影響表明,在錯(cuò)流系統(tǒng)中,無論是否曝氣,細(xì)膜絲優(yōu)于粗膜絲;4)膜污染取決于采用的膜通量和軸向的流量分布。當(dāng)采用的膜通量小于臨界通量,膜運(yùn)行穩(wěn)定,當(dāng)膜絲疏松而不是繃緊時(shí),細(xì)膜絲的運(yùn)行更好;5)通過模型計(jì)算表明,當(dāng)膜絲長度為0.5~3.0m時(shí),適宜的膜絲內(nèi)徑是0.2~0.35mm。對內(nèi)壓型中空纖維膜組件來說(目前常用的中空纖維膜內(nèi)徑<3mm),為了在膜絲內(nèi)形成活塞流,可采用大管徑的中空纖維(內(nèi)徑為8.5,9.5和10mm),研究結(jié)果顯示,活塞流可有效提高膜通量。(2)在采用酵母細(xì)胞懸浮液進(jìn)行微濾的試驗(yàn)研究中,Field等在1995年提出臨界通量的概念。目前沒有一個(gè)統(tǒng)一的臨界通量定義,有三種定義分別是基于顆粒質(zhì)量平衡、膜操作壓力增加和顯微直接觀測(DOTM,Directobservationthroughmicroscope),但它們的本質(zhì)是膜組件在臨界通量下操作,膜污染不會(huì)(顯著)發(fā)生。錯(cuò)流微濾試驗(yàn)表明,根據(jù)顆粒質(zhì)量平衡和膜操作壓力增加確定的臨界通量,其隨著顆粒的大小增加而增加,隨著進(jìn)水濃度的升高而減少,但不隨著膜孔徑的大小而變化;但根據(jù)DOTM確定的臨界通量小于其他兩者;長期試驗(yàn)表明根據(jù)顆粒質(zhì)量平衡確定臨界通量更具現(xiàn)實(shí)性。中試規(guī)模的分體式陶瓷膜生物反應(yīng)器處理污水試驗(yàn)表明,當(dāng)膜通量設(shè)定在臨界通量下,膜操作壓力維持穩(wěn)定,并且膜污染是可逆的;當(dāng)膜通量超過臨界通量,那么,膜操作壓力不僅增加迅速,而且不穩(wěn)定。(3)在水動(dòng)力學(xué)控制方面,分體式膜生物反應(yīng)器(管式陶瓷超濾膜)的小試規(guī)模試驗(yàn)表明:采用恒通量操作方式,在低膜面流速下(0.5m/s;Re≈1200),污泥顆粒沉積在膜表面上形成泥餅層,導(dǎo)致水力阻力迅速增加(>109m-1·s-1);在常規(guī)膜面流速下(4m/s;Re≈9000),膜表面上沒有污泥顆粒沉積,水力阻力的增加主要由膠體和可溶性物質(zhì)引起。通過分體式陶瓷膜生物反應(yīng)器處理污水的小試研究,Tardieu等建立了兩個(gè)膜污染速率的模型。這兩個(gè)模型說明了在給定的生物學(xué)條件下水動(dòng)力學(xué)條件對膜污染速率的影響。一體式中空纖維膜生物反應(yīng)器的試驗(yàn)表明,曝氣是影響膜通量和膜污染的一個(gè)主要因素,但只對膜外部污染(顆粒沉積和濃差極化)有效,而對膜內(nèi)部污染沒有效果。不過,提高曝氣速率[從1.2m3/(m2·h)提高到3.6m3/(m2·h)],可大幅降低膜的水力阻力,從而增加膜通量。在給定的曝氣條件下,定期反沖洗可大大減輕膜污染。(4)空氣噴射和活塞流。在一定液體流速的情況下,根據(jù)氣流速率的不同(小→大),垂直管道中的氣液兩相流可依次分為不同的5種流態(tài):氣泡流(Bubbleflow)、活塞流(Slugflow)、渦流(Churnflow)、環(huán)形流(Annularflow)和霧狀流(Mistflow)。在內(nèi)壓型中空纖維膜內(nèi)形成活塞流的空氣噴射方式有兩種:氣噴(Air-jet)和氣升(Air-lift)。最近的研究表明,空氣噴射可有效控制一體式中空纖維膜生物反應(yīng)器的膜污染(提高膜通量),但需要進(jìn)一步的研究,如優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作。分體式和一體式膜生物反應(yīng)器的試驗(yàn)表明,通過曝氣在中空纖維膜內(nèi)形成活塞流,可大大減輕膜污染,從而可提高膜通量2~4倍。1.5好氧混凝土膜對污泥特性和微生物群落的影響由于膜的截留和因曝氣而在膜表面產(chǎn)生的剪切力,好氧膜生物反應(yīng)器中的污泥特性、微生物群落及其生物動(dòng)力學(xué)特性不同于常規(guī)活性污泥法。1.5.1污泥顆粒小、活性低污泥特性是指顆粒大小、脫水和沉降性能。同常規(guī)活性污泥法中的污泥相比,好氧膜生物反應(yīng)器中的污泥顆粒小,粘度高,泡沫多,結(jié)構(gòu)疏松,活性低,并且污泥的沉降和脫水性能差。污泥的沉降和脫水性能對后續(xù)的污泥處理與處置有較大的影響,因此,在實(shí)際應(yīng)用中,不僅需要考慮好氧膜生物反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn),如優(yōu)異的污水處理效果,也要考慮其中的污泥特性帶來的負(fù)面影響。1.5.2為什么會(huì)出現(xiàn)這現(xiàn)象微生物群落決定污泥特性。然而,目前有關(guān)好氧膜生物反應(yīng)器中的微生物群落及其生物動(dòng)力學(xué)特性卻知之甚少。同常規(guī)活性污泥法相比,膜生物反應(yīng)器的污泥齡長且污泥負(fù)荷低。雖然在常規(guī)活性污泥法中較長的污泥齡有助于高一級微型動(dòng)物(原生和后生動(dòng)物)的產(chǎn)生,但現(xiàn)有的研究表明,當(dāng)膜生物反應(yīng)器長時(shí)間不排泥時(shí),污泥中很少或沒有原后生動(dòng)物出現(xiàn)[41,43,44,45,46,47],遺憾的是至今并不清楚為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。因?yàn)槟ど锓磻?yīng)器中微生物群落的多樣性和復(fù)雜性,以及現(xiàn)有的常規(guī)研究方法和分析手段的局限,所以,非常有必要研究和開發(fā)新的方法和手段,以便全面揭示膜生物反應(yīng)器中的微生物群落及其生物動(dòng)力學(xué)特性?，F(xiàn)代新型分析技術(shù)(如分子生物技術(shù))為我們進(jìn)一步了解膜生物反應(yīng)器中的微生物群落提供了可能。例如,采用熒光原位雜交(FISH,Fluorescentinsituhybridization)對膜生物反應(yīng)器中的污泥進(jìn)行分析,結(jié)果表明:膜生物反應(yīng)器中微生物群落含有的細(xì)菌細(xì)胞遠(yuǎn)少于常規(guī)活性污泥法,并且膜生物反應(yīng)器的低污泥產(chǎn)率來自于微生物的內(nèi)源呼吸而不是生物捕食。此外,FISH和DGGE(Denaturinggradientgelelectrophoresis)的分析結(jié)果也表明:MBR中的微生物群落和其多樣性不同于常規(guī)活性污泥法;MBR適宜于氨氧化菌的生長;MBR中的硝化菌通常為不同形狀(如卵形、圓形)的串狀,小顆粒污泥中的硝化菌含量高于其在大顆粒污泥的含量。2有利于聚合物材料的合成目前主要有四家大公司經(jīng)營MBR,它們分別是加拿大Zenon公司,日本MitsubishiRayon公司,法國Suez-LDE/IDI公司和日本Kubota公司。Zenon、MitsubishiRayon和Kubota公司生產(chǎn)一體式聚合物中空纖維膜組件,而Suez-LDE/IDI生產(chǎn)分體式管式陶瓷膜組件。目前,大部分應(yīng)用于城市污水處理的MBR處理能力范圍≤378.5m3/d,但處理能力高達(dá)3785~18925m3/d的MBR數(shù)量在逐步增加。2.1zenogemue217膜生物反應(yīng)器sbr美國科羅拉多州Arapahoe縣LoneTree城市污水處理廠進(jìn)行更新改造,原有2個(gè)序批式反應(yīng)器(SBR),需擴(kuò)大處理能力3000m3/d。因此,將其中一個(gè)SBR改造成一個(gè)ZenoGemue617膜生物反應(yīng)器。該膜生物反應(yīng)器在1998年8月至1999年4月的運(yùn)行情況見表5。2.2k膜生物反應(yīng)器k熱法一體式膜生物反應(yīng)器的投資和運(yùn)行費(fèi)用將會(huì)大幅降低,這主要得益于如下因素:(1)設(shè)計(jì)膜通量提高了數(shù)倍(如采用重力流),這降低了膜組件的使用規(guī)模和能耗,減少了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用;(2)膜組件壽命延長,如Kubota公司的膜組件從3a增加到8a,這減少了膜組件的更換費(fèi)用;(3)大規(guī)模生