膜生物反应器的工艺结构及其运行要素分析

1、Analysis on technical structure and operating parameters of membranebioreactor (MBR in applicationWang Wei 1,Xiang Hai 1,Wei Xiuzhen 1,Zhang Guoliang 1,Meng Qin 2,Sha Ruyi 2(1.College of Biological and Environmental Engineering ,Zhejiang University of Technology ,Hangzhou 310014,China ;2.College of

2、Material Science and Chemical Engineering ,Zhejiang University ,Hangzhou310027,China 膜生物反应器的工艺结构及其运行要素分析王玮1,项海1,魏秀珍1,张国亮1,孟琴2,沙如意2(1.浙江工业大学生物与环境工程学院,浙江杭州310014;2.浙江大学材料与化学工程学院,浙江杭州310027摘要膜生物反应器(MBR 作为一种高效环保绿色无污染的新型废水处理资源化回用技术,其将传统活性污泥法和膜分离技术有机结合起来,具有常规污水处理方法所不具有的优势,广泛应用在废水处理的各个领域。文章对膜生物反应器的各种工艺结构类型

3、及特点进行了研究,重点分析了不同MBR 工艺在实际废水处理中的运行要素,探讨了膜污染的成因及控制措施,并展望了各种新型MBR 工艺的应用前景。关键词膜生物反应器;工艺结构;运行;膜污染控制中图分类号X703.3文献标识码A文章编号1005-829X (201009-0010-06Abstract :Membrane bioreactor (MBR is an efficient technology ,combining biological treatment with membrane separation process.Being widely used in various fiel

4、ds of wastewater treatment ,MBR holds good advantages over traditional ways.The characteristics of different kinds of novel membrane bioreactors are investigated and the technological structure parameters of MBR concerning industrial application in wastewater treatment are studied.The key factors in

5、 MBR operation facing current challenges are emphatically analyzed.Furthermore ,the cause formation and controlling measures of membrane fouling are discussed.The future development of novel MBR in wastewater treatment is prospected.Key words :membrane bioreactor (MBR ;technological structure ;opera

6、tion ;membrane fouling control基金项目国家自然科学基金(50903071;浙江省自然科学基金(Y4090324污水再生回用是解决水资源短缺的重要途径,而目前广泛应用的传统活性污泥工艺采用重力沉淀作为固液分离手段,因其固液分离效率不高、处理装置容积负荷低、占地面积大、出水水质不稳定、氧传递效率低、能耗高及剩余污泥产量大,难以满足越来越严格的污水排放标准。随着膜材料科学的发展及其产品的不断开发,作为膜分离与生物技术有机结合的污水处理新工艺膜生物反应器(MBR 应运而生,在全球范围受到高度重视。膜生物反应器(MBR 技术是传统活性污泥法(CAS 和高效膜分离单元的有机结

7、合,它能独立控制污泥停留时间(SRT 和水力停留时间(HRT ,因此能维持生物反应器中高浓度生物含量。作为一种新型高效处理技术,MBR 工艺有占地少、污泥排放量低、耐冲击负荷、出水水质高等优点,主要应用范围包括市政废水、工业废水和地表水治理1-3。近年来,该工艺在废水资源化处理方面得到了广泛应用,在城市污水和工业废水处理回用上竞争力明显。1膜生物反应器的分类及特点MBR 由膜组件、泵和生物反应器三部分组成,其中生物反应器是污染物降解主要场所,膜是对混合液和特殊污染物分离和萃取的介质,而泵则提供第30卷第9期2010年9月工业水处理Industrial Water Treatment10工业水处

8、理2010-09,30(9所需动力或压力。根据膜组件在膜生物反应器中所起作用的不同,可将MBR分为分离膜生物反应器(BSMBR、无泡曝气膜生物反应器(MABR和萃取膜生物反应器(EMBR三类。膜生物反应器按各功能区域的划分情况如图1所示。在三类MBR中,目前研究和应用最广泛和深入的是分离膜生物反应器,即用膜分离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的水处理技术。根据膜组件和生物反应器的组合位置不同可分为分置式、一体式(浸没式和复合式,其优缺点对比见表1。分置式MBR一般为平板式和管式,主要应用于工业废水处理,其运行稳定可靠,易于膜的清洗、更换及增设,但动力消耗较高。1989年K.Yamamoto

9、等4首次提出将中空式纤维膜组件直接放置于曝气池中,开创了浸没式MBR的先河。其优点是运行能耗低、结构紧凑、体积小,但单位膜处理能力小,膜污染较重,透水率较低。与分置式MBR相比5,它可大规模应用于废水处理厂,这也是浸没式膜组件得以更广泛应用的原因,目前世界上55%以上的MBR 工艺采用浸没式。近年来,新型复合式MBR越来越受到研究学者重视,其在形式上也属于一体式MBR,不同之处是在生物反应器内加装填料,从而改变反应器的性状,形成复合式MBR。复合式MBR 运行稳定,在脱氮除磷方面具有优势6。其装置流程如图2所示。2膜生物反应器的应用和工业化MBR工艺最早应用于生物化工行业的连续发酵,直到196

10、6年,美国Dorr-liver公司首先把活性污泥法和超滤结合处理城市污水,开辟了MBR应用于废水处理的先河。我国对MBR研究起步较晚,但发展迅速,相关研究主要集中于MBR构型、膜材料类型和新型膜工艺的开发以及膜污染形成机理和污染防治措施等。2.1膜生物反应器的工艺与应用好氧MBR因其出水水质高、适于回用、操作简单和占地面积小等优点在国内外得到广泛应用,世界上约98%以上工程是膜分离工艺与好氧生物反应器相结合的。Jianjun Qin等7-8采用膜孔0.4m的浸没平板式聚氯乙烯膜和聚偏氟乙烯膜MBR进行中试试验,分别处理石化废水和60%工业废水、40%生活废水的混合污水,连续运行23个月,在水力

11、停留时间1315h,流量12.517L/(m2·h时,NH4+-N 和COD去除率高于传统活性污泥法(CAS工艺。这表明MBR可应用在石化废水治理领域,但对高浓度石化含油废水的处理还有待实验验证。由于膜的截留作用和较长的SRT能使活性污泥更好地吸附难降解物质,所以把MBR工艺应用在医药废水的处理上时,77%难降解残留药物能降解充分9。同样无机膜联合好氧MBR也取得了较好的效果, H.Dhaouadi等10采用分置式无机膜MBR处理橄榄压榨厂废水(OMW,膜通量保持在92L/(m2·h,发现在提高氧传质速率时COD去除率较高,实验中未发现膜污染现象。MBR可作为处理OMW废水

12、的一种预处理工艺,对废水中含有的酚类物质可以进一步用专一性微生物降解。厌氧MBR作为特种废水或难降解废水的前处理过程,结合好氧MBR、纳滤和反渗透过程,可使出水达标排放。Daijun Zhang等11研究在反应器内采表1三种不同形式膜生物反应器优缺点对比反应器优点缺点分置式独立运行,易调节;膜通量大;膜表面高速错流,延缓膜污染动力消耗大;高速剪切力使微生物丧失活性;占地面积大一体式抽吸或真空泵,动力费低;占地面积小;避免微生物受剪切力失活膜污染较严重,清洗烦琐;膜通量低于分置式复合式提高处理系统抗冲击负荷;保证较高的膜通量,延缓膜污染填料不易微生物挂膜生 长,耗时长王玮,等:膜生物反应器的工艺

13、结构及其运行要素分析11工业水处理2010-09,30(9用阶段性厌氧和浸没式好氧MBR处理高氨氮和COD的合成废水,利用厌氧区产生的大量甲烷,通过好氧区时作为反硝化的碳源,同时发生硝化反硝化反应,降低能耗并提高了污染物去除效果, COD去除率>99%,氨氮去除率84%94%,达到了经济高效的目的。同时厌氧的组合工艺如浸没式MBR和厌氧升流床过滤反应器(AUBF-MBR将厌氧和缺氧集中于同一个特殊设计的反应器内,其在处理含高浓度有机物和氮的养猪场污水时,借助水中生成有机酸促成并强化硝化反应,COD 去除率和硝化率分别达到91%和99%,总氮去除率达60%12。AUBF-MBR的工艺流程见

14、图3。除以上厌氧MBR外,近年来还出现针对高浓度中医药废水13、农村生活污水治理的投资少、运行费用较低、COD去除率高的无动力组合式等工艺。2.2膜生物反应器新工艺技术新型MBR工艺指传统处理工艺与MBR工艺联合的改进形式,虽然单独的MBR系统已能很好降低水中污染物的浓度,若与反渗透RO装置联用还能提高对微生物的截留作用,在MBR/RO和MF/ RO联用对废水资源化回用的对比研究中,出水水质甚至能达到饮用水的标准14。B.Arrojo等15还将MBR与序批式反应器SBR耦合成膜序批式反应器(MSBR,发现使用膜过滤前的SBR系统只能部分去除埃希式大肠杆菌、粪大肠菌群,而使用膜片过滤后95%以上

15、的有机物、细菌、悬浮固体都被完全去除,出水水质满足农业用水的回用标准。为满足微生物挂膜需要,Shuai Yang等16在反应器中加入表面积达900m2/m3的新型无纺布填料,研制成新型复合式移动床膜生物反应器(MBMBR处理废水中有机碳和有机氮,在进水m(CODm(TN为8.922.1之间时,COD去除率稳定在95.6% 96.2%,总氮去除率超过70%80%,相比传统方法氮的去除率有很大提高,在填料上同时发生硝化和反硝化反应对氮去除起到重要作用。2.3工业化膜生物反应器MBR的迅速发展和广泛应用也给商业膜公司带来了空前商业机遇。据报道19,目前国内外有超过2200个MBR工程正在建设和运行当

16、中,日处理量在1×104m3/d以上的污水处理厂约占7%,包括欧洲Brescia(4.2×104m3/d、Kaarst(4.5×104m3/d、北美Traverse(2.69×104m3/d、希腊Johns Greek(4×104 m3/d和中国北京(6×104m3/d等。截止2008年底,全球最大的MBR项目国外著名的MBR膜材料供应商有Zenon(加拿大、Kubota(日本、Norit(荷兰、USfilter(美国、Microdyn-Nadir(德国、Asahi Kasei(日本、Mitsubishi-Rayon(日本,国内也有天

17、津膜天、杭州洁弗等众多的商业膜公司,相比而言国内产品价格较低21,有关商家MBR及其组件性能比较如表2所示。总的来看 ,MBR在城市污水工业化应用技术比较成熟,工业废水尤其是高浓度有机废水的工业化实例还远小于城市污水的应用,这也是今后MBR 专论与综述12工业水处理2010-09,30(9表2商业化规模运行MBR 的膜组件性能和MBR 性能比较膜材料PVDF PP PVDF PP PP PP 过滤类型UF MF MF MF MF UF 组件类型中空纤维中空纤维中空纤维平板膜中空纤维中空纤维外径/mm 1.95123010158151520<151015最大处理量/(m 3·d

18、-1<1021.3<40305050出水BOD/(mg ·L -1<226 1.23520525出水NH 3/(mg ·L -1<0.3<100.8<2<5<4Zenon Mitsubishi RayonAsahi Kasei Kubota 天津膜天杭州洁弗参数技术和工程化发展的重要方向。3MBR 运行中的膜污染及研究 3.1膜污染因素分析膜污染是MBR 技术应用中面临的关键问题,它影响膜的稳定运行,决定膜的清洗周期和更换频率等22。膜过滤机理主要包括完全堵塞、标准堵塞、介质堵塞和滤饼堵塞4种,这些过滤模式均显示膜通量下降取决

19、于颗粒物尺寸与膜孔径的比值。4种堵塞的污染机理如图5所示。 浓差极化是由于膜表面和膜孔内的选择透过性造成膜面浓度高于处理液浓度的现象。在膜分离过程中,小颗粒分子可透过膜,较大溶质颗粒包括活性污泥和胶体物质被膜截留,并不断地在膜表面积累形成浓差极化边界层,从而引起渗透压增加,膜通量减少,浓差极化是一种可逆污染。膜表面的浓差极化现象如图6所示。另一个造成膜污染的主要原因则是膜孔堵塞,悬浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空间位阻,水溶性大分子在膜孔中的表面吸附、难溶性物质在膜孔中的析出都产生膜孔堵塞。在MBR 中,胞外聚合物(EPS 在膜表面相互粘结形成菌胶团,易使膜孔堵塞。浓差极化和膜孔堵塞都能引起膜

20、性能变化,是MBR 膜通量和分离性能下降的主要原因。3.2膜污染控制技术研究活性炭粉末(PAC 的吸附性可有效减缓膜污染,在MBR 中添加适量PAC 能降低胶体和EPS 对膜孔的堵塞。为了确定最佳投加量,Ying Zhao 等23在3个平行MBR 反应器中分别添加0、0.75、1.5g/L 的PAC 。其实验结果显示:不可恢复膜污染阻力并非随PAC 投加量增加而降低,在PAC 投加质量浓度为0.75g/L 时其对有机物去除效率和膜通量最大。O.Sagbo 等24也研究了MBR 中添加PAC 对微污染水源的影响,并建立了关于混合液有机物的积累系数、膜截留系数和有机物去除效率的平衡模型,发现添加P

21、AC 后能增强MBR 中微生物活性,提高有机物去除效率,减轻膜污染。据报道,在MBR 中添加某些酸性物质产生絮凝效果能减轻膜污染,Jing Ji 等25添加了硫酸铝、聚合硫酸铁(PFS 、壳聚糖3种酸性物质,并分别对膜孔阻塞、凝胶层、滤饼层作了分析。在通量为20L/(m 2·h 时,其减轻作用为PFS>壳聚糖>硫酸铝>常规王玮,等:膜生物反应器的工艺结构及其运行要素分析13工业水处理2010-09,30(9MBR。通过傅里叶红外光谱(FTIR观察发现,添加酸性物质能有效减轻膜孔堵塞;凝胶色谱(GPC分析发现,附着在表面的高分子浓度和相对分子质量分布都在凝胶层起重要作

22、用,酸性物质能降低高分子浓度和相对分子质量,减轻膜污染。与传统膜污染控制方法相比,超声波具有不使用化学药剂、不中断系统连续运行和无二次污染等优点,同时超声能改善微生物细胞传质速度,提高污泥活性SOUR值,超声产生的机械振动作用增加了胞外聚合物松散程度,能有效降低膜污染。刘昕等26开发了一种在线超声膜生物反应器(US-MBR,其在常规MBR膜组件旁放置超声发射器,间歇发射超声波,通过测定活性污泥混合液絮体粒径、EPS含量、上清液有机物浓度、污泥浓度和黏度变化,探讨对US-MBR中活性污泥混合液性质的影响。结果表明:在线超声使污泥絮体破碎,其平均粒径与常规系统相比降低约20m;污泥EPS含量降低(

23、28±5 mg/g,使混合液上清液TOC增加;但同时超声可降低污泥浓度和混合液黏度,使混合液膜过滤性改善,减轻膜污染。为减轻膜的可逆污染,恢复部分膜通量,通常要对运行周期内的膜表面进行法。常用清洗方法包括物理法、化学法及物理-化学法,应针对不同废水和膜的污染状况采取不同清洗方法。刘德涛等27研究了在线和离线时不同清洗方法的清洗效果,发现在线清洗时高浓度NaClO溶液反洗效果优于空曝气清洗、清水反洗、盐酸溶液(pH=1反洗和NaOH溶液(pH= 12反洗;离线清洗时依次以NaClO和盐酸溶液(pH=1浸泡后的清洗效果较好。近年来包括本课题组在内的研究中采用了一些新颖的膜清洗方法,如脉冲

24、电场膜清洗法、生物清洗法以及在分离中加入生物表面活性剂鼠李糖酯等均可有效减轻膜污染28-29。膜的亲水性对于抗污染十分重要,除选择亲水性好的膜组件外,对膜表面亲水改性也将大大减缓膜污染的影响。通过等离子体发射H2O气体对聚丙烯微孔膜表面亲水性改性30,发现经改性膜表面接触角变小,纯水通量显著提高,在浸没式MBR中连续运行68h,经物理化学清洗后膜通量最大恢复提高22%,但经等离子体改性后膜机械强度有所下降,这可能和等离子体撞击时对膜面分子的破坏有关。4结论与展望随着近10年来MBR在国内外的研究和大规模的工业化应用,在MBR组件设计、运行条件以及膜污染控制等方面积累了宝贵经验,使MBR应用范围

25、越来越广,不仅大规模应用于微污染水和生活污水,而且在工业废水的各个领域都有新的研究和尝试。就我国而言,MBR技术依然面临着大规模应用的瓶颈,如膜材料价格较高、MBR构造如何标准化、运行操作条件是否优化以及如何克服膜污染和使用寿命的限制、能否用现代分子生物技术分析MBR 中微生物群落及其生物动力学特性等,如果能研究开发出具有自主知识产权的高效、廉价、抗污染的新型膜材料,MBR在世界范围内,特别是发展中国家和经济欠发达地区将毋庸置疑地成为一种高效环保的废水处理技术,从而解决全球所面临的严重缺水的困境。参考文献1Melin T,Jefferson B,Bixio D,et al.Membrane b

26、ioreactor technolo-gy for wastewater treatment and reuseJ.Desalination,2006,187 (1/2/3:271-282.2Yang W enbo,Cicek N,Ilg J.State-of-the-art of membrane bioreac-3McAdam E J,Judd S J.A review of membrane bioreactor potentialfor nitrate removal from drinking waterJ.Desalination,2006,196 (1/2/3:135-148.4Yamamoto K,Hiasa M,Mahmood M,et al.Direct solid-liqu