膜生物反应器

1、精选优质文档-倾情为你奉上膜生物反应器的应用研究摘要：主要介绍了膜生物反应器的定义、分类和特点及其在废水处理中的应用现状，还介绍了膜生物反应器中的膜污染及其调控措施。研究表明，使用膜生物反应器对毛纺织印染废水进行处理，出水水质基本能够达到生活杂用水水质标准。关键词：膜生物反应器；废水处理；膜污染；调控措施Abstract： The definition, classification and characteristics of membrane biological reactor and its application in wastewater treatment ware mainly

2、 introduced, the membrane bio-reactor membrane pollution and its control measures also ware introduced . Research shows that, using membrane biological reactor for wool textile printing and dyeing wastewater treatment, the effluent quality can achieve basic miscellaneous domestic water quality stand

3、ard.Keywords： membrane bioreactor; waste water treatment；membrane fouling; controlling measures1 膜生物反应器简介膜生物反应器(membrane bioreactor，简称MBR)是一种高效膜分离技术与活性污泥法相结合的新型水处理技术。中空纤维膜的应用取代活性污泥法中的二沉池，进行固液分离，有效的达到了泥水分离的目的。充分利用膜的高效截留作用，能够有效地截留硝化菌，完全保留在生物反应器内，使硝化反应顺利进行，有效去除氨氮，避免污泥的流失，并且可以截留一时难于降解的大分子有机物，延长其在反应器的停留时

4、间，使之得到最大限度的分解1。生物反应器是以微生物细胞或酶作为催化剂或可产生催化剂, 进行生化反应和转化的装置, 膜生物反应器(MBR) 则是膜与生物的结合产物, 以实现微生物发酵, 动植物细胞培养和生物催化转化等。膜生物反应器通常在常温和常压下进行生化反应, 可使产物或副产物从反应区连续地分离出来, 打破反应的平衡, 从而可大大地提高反应转化率, 增加产率或处理能力, 过程能耗低、效率高。目前, 水处理中的膜生物反应器多用于污水处理( 少量用于表面水) , 与传统的活性污泥法(CASP) 比, 由于膜反应器取代了二级澄清池, 这可使污泥停留时间(SRT) 和水力停留时间(HRT) 分别控制,

5、 由于SRT大, 泥龄长, 污泥浓度高, 抗冲击负荷能力强, 降解速率高, 降解充分, 对难降解物质也可使之降解, 占地省, 污泥量少, 通常对COD和NH3-N的去除率在90% 以上, 处理后的水可直接作为市政用水或进一步处理作各种工业用水。2 MBR 的分类和工作机理水处理中的膜生物反应器是由生物反应器与微滤、超滤、纳滤或反渗透膜系统组成,因而可分为微滤膜生物反应器, 超滤膜生物反应器。据膜系统与生物反应器组合的方式和位置, 膜生物反应器又可分为循环式(分置式) 和浸没式(一体式)两种, 如图1 和图2 所示。浸没式膜生物反应器(SMBR)中, 膜组件直接浸泡于反应器中, 反应器下方有曝气

6、装置, 将空压机送来的空气形成上浮的微气泡, 在曝气的同时,又使膜表面产生一剪切应力, 利于膜表面除污, 透过液在抽吸泵的负压下流出膜组件。MBR 利用膜分离组件实现废水生物处理后污泥与水的分离，膜分离组件主要有微滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)三种，根据不同的需要可以进行相应的选择。按照膜组件在生物反应器中所起的作用，MBR 可分为三类：膜分离生物反应器、膜曝气生物反应器和萃取膜生物反应器。在污水处理中，尤其是工业废水处理中主要使用的是膜分离生物反应器。按照膜组件与生物反应器的组合位置，MBR 可分为分置式MBR 和一体式MBR 两种，其中分置式有助于设备的清洗、更换、增设，但泵的高速

7、旋转对某些菌种会产生失活作用；一体式不使用泵，可省掉循环用管路配置，但膜清洗较为困难，膜污染问题较难解决2。图1循环式膜生物反应器示意图图2浸没式膜生物反应器示意图MBR 的分类具体如下表1 所示。表1 MBR 的分类内容分类膜组件管式、板框式、中空纤维式膜材料有机膜、无机膜压力驱动形式外压式、抽吸式生物反应器好氧、厌氧膜组件与生物反应器的组合分置式、一体式(浸没式)3 MBR 的特点MBR 利用膜的高效固液分离作用代替了传统活性污泥法中的二沉池，克服了污泥膨胀等问题，其主要工艺特点如下：（1） 污染物去除率高，出水浊度很低，出水可直接回用于市政绿化、工业冷却水等，且设备占地小；（2） 能将所

8、有的微生物截留在生物反应器内，与活性污泥法相比，可使反应器中的生物浓度提高510 倍，实现反应器水力停留时间和污泥泥龄的完全分离，可提高难降解有机物的降解效率；（3） 生物反应器中的微生物浓度高，耐冲击负荷；（4） 反应器在低F/M下运行，剩余污泥量少，无污泥膨胀现象，对氮、磷等的去除效率高；（5） 传质效率高,氧的转移效率高达60%左右；（6） 泥龄可实现无限长，硝化能力强；（7） 设备占地面积小，工艺集中，易于操作管理；（8） 使用过程中存在的膜污染问题，一定程度上制约了膜生物反应器的应用3。4 MBR 在印染废水处理中的应用4.1 印染废水的来源及特征纺织工业的加工对象以棉、毛、丝绸、化

9、纤等为主，每一种加工对象都有特殊的加工工艺及相应的浆料、染料、助剂。如棉织物工业废水主要来自退浆、煮练、漂白、丝光、染色、印花等工序；而毛纺织工业废水主要来自洗毛、染色、预缩工序。因此纺织工业污水中含有棉、毛及纺织品上洗脱的油类、脂类、盐类和纤维素，以及在加工过程加入的各种浆料、染料、表面活性剂、助剂、酸、碱、盐等，这类污水的成分比较复杂，具有很高的COD（化学需氧值），对人类的健康和环境造成极大地危害。印染废水存在的主要问题是：水量大，成分复杂，生物难降解物多，脱色困难，运行费用高等。印染废水主要来自退浆、煮练、漂白、丝光、染色、印花、整理工序。正是这些决定了印染废水具有以下特点：（1）色度

10、大、有机物含量高；（2）水质变化范围大；（3）pH 值变化大；（4）水温水量变化大。4.2 MBR 在印染废水处理中的应用中国科学院生态环境研究中心的郑祥，刘俊新研究了厌氧反应器与好氧MBR 组合工艺处理毛纺印染废水的试验4。试验系统主要由高位水箱、厌氧反应器、好氧反应器、膜组件单元及曝气单元组成，废水为某毛纺厂污水站经过0.5mm 筛板筛虑后的毛纺印染废水，该废水组分复杂，含有染料、染化助剂、毛料漂染过程产生的各种污染物，实验结果表明：COD 的去除率平均达80.3%，出水COD 平均值为37mg/L，对BOD5 去除率平均达95%，而采用常规生物处理工艺对COD 去除率平均为42%，出水的

11、色度一般可保持在20 倍左右，色度的平均去除率达59%，在系统稳定运行期间生物反应器内污泥的VSS/SS 基本无变化，说明系统内没有明显的无机物积累。西安工程大学环境与化工学院的同帜等研究了A/OMBR(一体式)系统处理印染废水5，试验主要对印染废水的生物处理进行改进，在核心单元氧化池中引入膜组件，组成一体式MBR系统，省去了传统生物处理依靠重力的固液分离系统，减少了基建投资，同时为提高印染废水的可生化性，利于后续MBR 的处理，在好氧MBR 处理单元前加入了厌氧水解酸化单元，组成了A/OMBR(一体式)处理系统，经处理后可使印染废水达到标准排放。实验表明：实验中A/OMBR(一体式)系统最佳

12、运行条件为HRT=9- 10h，DO=2- 3g/L，该系统在最佳的运行条件下可使印染废水的COD100mg/L，最小可以达到21.80mg/L，色度=2- 16 倍，浊度0，SS0，pH=7- 8.5；该处理系统费用低、效果好，其中A/O 系统可提高印染废水的可生化性，利于后续MBR的处理，最终可使印染废水实现达标排放。4.3 MBR 在印染废水处理应用中的展望未来MBR 工艺的应用及其在印染废水处理方面的发展，与我国印染行业的变化有很大的关系。当前及未来较长一段时间内，我国印染行业的行业规模越来越大，废水产量也将随之增大；废水中新型助剂、染料等大量存在，可能会导致难降解有毒有机物组分的含量

13、也越来越多。因而MBR 技术的研究将集中在：（1）膜污染机理的研究和预防，保持膜通量的基础上降低运行和维护成本；（2）新型膜材料的研究和开发；（3）自动化程度的进一步提高等。膜技术作为21 世纪最有前景的水处理技术，将有着更加广泛的发展前景，未来MBR 处理印染废水的研究将呈现以下几种趋势：（1） 由于MBR 技术对印染废水处理有较强的适用性，MBR 工艺处理印染废水的研究和应用将越来越多。（2） 多样化的组合工艺与MBR 工艺组合处理印染废水，可弥补MBR技术不足，充分发挥其作用。单独采用MBR 工艺处理印染废水也将会是未来研究的一个新方向。（3） MBR 技术处理印染废水将会更多地应用到实

14、际工程中，小处理量的成型MBR 设备将会出现，并被推广应用于小型分散型印染企业。（4） 深入研究MBR 处理印染废水过程中的污染情况，预防和降低膜污染，促进MBR 在印染废水处理中的应用。（5）更多的社会科研机构和个人将会参与MBR 技术处理印染废水的研究。MBR 作为一种较新的印染废水处理系统，由于其诸多优点而得到广泛的研究和应用。印染废水的特点与MBR 工艺有着良好的切合点，随着MBR 技术研究的发展和印染行业清洁生产的倡导，采用MBR 技术处理印染废水将会有良好的应用前景，其对印染行业清洁生产的实现也将作出重要贡献。5 生物膜反应器处理农村生活污水应用集中式污水处理系统是通过庞大的排水管

15、网系统， 将污水输送到城市污水处理厂进行处理；但这种方式在农村难以实施，因农村村落集镇较为分散， 将污水收集后输往污水处理厂存在一定难度。人工湿地污水处理系统占地面积大，适用于有大量土地可以利用的地区。在我国经济发达地区的农村及其城乡结合部，目前已无大量土地资源用作人工湿地进行污水处理。因此农村村落集镇的污水处理，需要走小型化、就地化、分散式处理的道路6。膜生物反应器具有出水水质好、占地面积小、可实现自动控制等特点。该技术通过膜的高效分离作用，可提高泥水分离效率；同时，该工艺能减少剩余污泥的产量，从而基本解决了传统生物方法存在的问题；其可以集约制作成一体化柜箱式的外形，实现小型化、自动化，可使

16、得农村生活污水得以就地处理。6 膜生物反应器中的膜污染及其调控措施随着水污染的日益加剧， 污水排放标准越来越严格， 人们对污水回用的要求也有所提高。近年来，膜生物反应器（MBR）由于具有出水水质优异、操作运行简单、污泥产率低、占地面积小等优点7，在污水处理的应用范围和规模不断扩大， 关于MBR 研究的广度和深度也不断加强， 但MBR 的膜污染问题， 严重影响该工艺的稳定运行， 决定了膜的使用寿命， 限制了MBR 的推广和应用， 被认为是影响MBR 工艺实际应用的关键因素8。有关膜污染的机理和防止措施成为研究的热点和难点， 因此采取有效、合理的调控措施控制膜污染， 是MBR 工艺走向成熟的关键。

17、6.1 膜污染根据国际纯粹和应用化学协会（IUPAC）的定义， 膜污染是指由于悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔隙和孔隙内壁， 从而造成膜通量降低的过程。广义的膜污染不仅包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的污染（不可逆污染）， 而且包括由于可逆的浓差极化导致凝胶层的形成（可逆污染）， 二者共同造成运行过程中膜通量的衰减， 其中浓差极化作用和微生物的滋生是使膜分离过程的运行阻力增加、通量降低的主要原因。根据膜污染形成的位置可以分为外部堵塞（污染物吸附沉积在膜的表面， 增加了水流过膜的阻力）和内部堵塞（污染物在膜孔内吸附沉积， 减小了膜孔径， 从而降低了膜通量）； 根据造成污染的物质不同， 可分为无

18、机污染、有机污染、生物污染和浓差极化。6.2 膜污染的影响因素膜污染的影响因素比较复杂， 主要有： 膜的性质、操作条件和活性污泥混合液性质。6.2.1 膜性质的影响膜的性质主要有： 膜材质、膜孔径大小、孔隙率、亲 疏水性质、电荷性质和粗糙度等。不同膜材质的污染情况并不相同， 有研究发现在同样试验条件下， 聚偏氟乙烯膜相对于其它膜（聚砜膜、纤维素膜等）污染趋势要小。Chang 等9 用MBR 处理酿酒厂废水时发现，在同样的过滤条件下， 孔径为005 m 的膜的通量的衰减速率小于孔径为04 m 的膜。Kweon 等10发现， 对于表面孔径较大的微滤膜来说， 污染物相当容易进入多孔膜的孔道， 并引起

19、孔道堵塞和产生永久性污染， 导致不可恢复的水通量急剧下降。Hong 等11 在恒压过滤的MBR 中也发现表面孔径越大的微滤膜越容易发生滤饼层污染。Chang 等12 比较了疏水性超滤膜（PM30）和亲水性超滤膜（YM30）对不同种类活性污泥过滤中膜污染的差别， 得出亲水性膜在实际应用中的膜污染小于疏水性膜。还有研究发现与膜表面电荷相同的料液能改善膜面污染， 提高膜通量13。此外， 膜表面的粗糙度对膜污染也存在一定影响， Bailey 等14 采用硅藻土粉末来光滑膜表面， 以减少厌氧菌在微滤膜上的积累， 减缓了膜污染。6.2.2 操作条件的影响MBR 的操作运行条件主要包括： 操作压力、曝气强度

20、、温度、膜面流速、抽吸 停抽时间等。对于操作压力的影响，Metcalf 等15认为存在一个临界压力（TMPc）， 当操作压力（TMP）低于临界压力值（TMPc）时，膜通量随压力的增大而增大；当操作压力（TMP）高于临界压力值（TMPc）时，膜通量随压力的变化不大，但会使膜污染加剧。Strohwald等16 在厌氧处理啤酒生产废水的研究中发现，在操作压力一定时，通量和膜表面流速呈线性关系，并将这一现象归因于浓差极化的减弱。Ueda 等17 研究了一体式MBR中曝气强度对膜面沉积层的去除效果及抽吸压力的影响， 得出曝气强度是控制过滤条件的一个重要因素。彭跃莲等18 在对好氧MBR 的研究中发现，

21、升温有利于膜的分离。此外， 还有研究发现，在低膜面流速（05 m/s）运行时，污泥颗粒在膜表面沉积， 并使过滤阻力很快增加，而在通常的膜面流速（4 m/s）运行时，则不会产生污泥颗粒的沉积。6.2.3 活性污泥混合液性质的影响MBR 活性污泥混合液的各组分是造成膜污染的物质来源。而活性污泥混合液的性质主要有： 污泥浓度、污泥颗粒大小、悬浮物及其性质、胶体颗粒及溶解性物质的性质等。封莉等19在活性污泥质量浓度为3 7 g/L 的条件下研究了污泥浓度对MBR 性能的影响。研究结果表明污泥浓度不仅影响污染物的去除效果， 还影响膜组件的产水量， 膜组件的产水量与污泥浓度的对数值呈线性负相关， 即污泥浓

22、度越大， 膜污染越严重。Lim 等20研究了两种不同粒径分布的活性污泥对一体式MBR 膜污染的影响， 发现大粒径的颗粒污泥对膜的污染程度远低于小粒径污泥对膜的污染程度。Defrance 等21 研究表明溶解性物质部分、胶体部分和悬浮固体部分在总过滤阻力中所占的比例分别为5、30、65。Kim等22研究表明微小的胶体颗粒到达膜表面形成比阻很高的致密层，造成膜通量的下降。Nagaoka等23发现MBR 中胞外聚合物（EPS）既在曝气池中积累，也在膜表面上积累，引起混合液粘度和膜过滤阻力的增加，是膜污染的关键物质。同时，还发现随着混合液中EPS的增加，膜污染的速率加快，EPS会引发严重的膜表面生物污

23、染。6.3 膜污染的调控膜污染的发生机制十分复杂，不仅与膜材质、微孔结构和表面特性，以及被处理料液的基本物性有关，还与膜反应器结构设计、操作条件等相关。目前，对于MBR中污染的调控，主要从3个方面开展：膜的选择及改进、操作条件的优化和活性污泥混合液的调控。6.3.1 膜的选择及改进污水处理中的膜材料应采用孔径分布窄、亲水性好、耐污染、易于清洗的膜材料。MBR 中常用的膜材料有陶瓷膜和有机聚合膜。有机聚合膜主要包括聚砜、聚丙烯脂、聚偏氟乙烯、聚烯烃类等。目前对陶瓷膜的研究较多。Judd 等发现在60 L /m2 通量下，陶瓷膜无污染现象，当通量提升到300 L /m2 后，膜污染仍比较缓慢，聚合

24、膜的膜污染则随通量的增加而呈指数规律增长。而且，陶瓷膜机械性能好，寿命长，易拆卸清洗，但制造成本高，限制了它的使用。王猛24 研究表明，在出水量、抗污染性能方面聚丙烯膜优于聚砜膜。Masaru发现，考虑到活性污泥状态与通量的因素， 通常选择01 04 m 的膜，膜孔径越大， 会加速膜污染，膜通量下降得很快。6.3.2 操作条件的优化操作条件与膜污染密切相关，与膜污染直接相关的操作条件有：膜通量、操作压力、错流流速、曝气量、运行温度、HRT和污泥停留时间等。膜通量与由膜堵塞和压力导致的污染物在膜表面的增厚而引起的膜污染有关。邹联沛等研究活性污泥MBR 发现，当膜通量低于临界通量时，TMP保持稳定

25、，污染是可逆的；相反， 膜通量高于临界通量时，TMP迅速增加且不稳定， 此时再降低通量，形成的污染是部分不可逆。终端过滤能量利用充分，但容易引起较快的膜污染，错流过滤是针对终端过滤容易引起较快的膜污染提出的， 很多学者都认为临界流量与膜表面的错流流速呈正比例线性增加。Cho 等在MLSS质量浓度为5 g/ L 的MBR 中观察到了这一现象。Madec 等采用Zenon 公司制作的膜组件也得到了类似的结果。Defrance 等25研究表明，膜通量随着错流流速（CFC）的增加而呈线性增加，但能耗较大，而且CFC也并非越大越好。况家瓒等26 研究表明， 适当提高混合液的温度，会加速分子扩散，减少粘度

26、，增大滤速，也可有效地减轻膜污染。另外，HRT 的改变可能引起MLSS 和有机负荷（OLR）的变化， 从而间接地影响膜污染。6.3.3 活性污泥混和液的调控目前， 对活性污泥混合液的调控，主要采取2种手段：投加载体和投加药剂。投加载体的方式主要为投加填料和吸附剂。尤朝阳等27研究表明，当MBR 未加填料时，污泥浓度比较稳定； 当加入填料后， 附着其上的微生物不断生长、增殖，悬浮生物由于食料竞争而被抑制，致使MLSS 值降低， 缓解了膜污染。肖文胜等28在组合填料MBR 处理生活污水的生产性试验中也证实了这一点。可见， 投加填料可强化水力条件，去除膜表面沉积的泥层， 缓解因胶体而形成的膜污染，

27、减小过膜阻力， 延长膜的使用寿命，但这种方法不利于排泥， 容易将污泥絮体打碎，使污泥颗粒变得细小， 对膜污染发展产生不利影响； 而Kim等29 研究发现，由于添加PAC，不仅使污泥絮体的可压缩性减小， 而且使微生物絮体中的EPS 减少， 同时增加了沉积层的孔隙率使膜通量得到提高。Suzuki 等30认为，比膜孔径小的有机物可被PAC有效吸附，从而达到延缓膜污染的目的。虽生难的问题。投加药剂的方式主要为投加混凝剂。在膜污染的研究方面，混凝剂的应用主要有2 种方式：一种是预膜，另一种是直接向反应器中投加。预膜是指在膜组件使用前人为地在膜表面形成一层由预膜物质构成的滤饼层，使MBR 在运行过程中将大

28、部分膜污染物质截留在预膜层上，减轻膜的不可逆污染，从而减缓膜通量的衰减。如张颖31 采用预膜与投加絮凝剂相结合的方法，在历时253 d 的试验中取得了良好的效果。通过投加混凝剂减缓膜污染的研究比较多，特别是在中水回用领域方面，其主要通过混凝作用，去除MBR 混合液中难生物降解的大分子有机物和胶体物质，因而可有效地减轻膜污染。如莫罹等32发现在MBR 运行前投加PFS 可以使MBR 运行周期延长6 7 倍。布多等33 建议在MBR内混合液上清液中的有机物累积到一定程度后向混合液中投加少量的FeCl3，有助于减轻膜的堵塞。张倩34得出投加PFC 的处理效果及延缓膜污染的效果相对于比较好结论。张永宝

29、等35 研究了投加氢氧化铁对MBR 性能的改善，认为在低通量下膜污染速率低。David Holbrook R. 等研究表明，直接向MBR 中投加Al2（SO4）3，可以通过减少有机污染物、改善絮体的结构和浓度而改进膜的运行情况。Lee WooNyoung 等在浸没式MBR中通过添加一种减小膜污染的物质（MFR）一种阳离子聚合体，可以使活性污泥絮凝成团，改善了膜表面生物膜的多孔性，大大提高了膜的过滤性。7结语随着人们对环保意识的增强和环保法规的严格要求的实施,污水深度处理和回用受到高度的重视；同时,随着膜反应器技术的提高和进步(如更高的通量、更耐污染),膜反应器以其独特的优势, 应用会越来越普遍

30、, 在污水回用和环境保护等方面将发挥更大的作用。MBR在污水处理领域中的应用范围和规模不断增加，膜污染依然是其推广应用的主要瓶颈。膜污染主要是由于膜孔堵塞和膜表面污染物的沉积引起的，影响膜污染的因素主要有膜的性质、操作条件和活性污泥混合液等。目前，大量研究证明采取膜的选择及改进、操作条件的优化和活性污泥混合液的调控3方面措施，可有效减缓膜污染，延长膜的使用寿命，其中通过调控活性污泥混合液来调控膜污染更为灵活、方便、有效。随着对膜污染机理深入的研究， 膜分离技术的完善，膜材料和膜组件的制造费用的降低，膜污染问题必将会解决， MBR 也将得到更广泛的应用。参考文献1 徐静, 徐高田, 秦哲等. 膜

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