膜反应器知识分享

1、膜反应器膜反应器3、应用1、概述2、理论内容提要 1、简介、简介 2、膜生物反应器原理、膜生物反应器原理 3、膜生物反应器类型、膜生物反应器类型 4、膜生物反应器特点、膜生物反应器特点 5、存在问题、存在问题 6、发展趋势发展趋势1、简介 膜生物反应器，英文名膜生物反应器，英文名Membrane Bioreactors，简写为，简写为MBR。是。是由膜分离与生物处理组合而成的一种新型、高效的污水处理技术。由膜分离与生物处理组合而成的一种新型、高效的污水处理技术。主主要有膜组件、生物反应器、物料输送三部分组成，以膜组件取代传统要有膜组件、生物反应器、物料输送三部分组成，以膜组件取代传统生物处理技

2、术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥污泥浓度，提浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离低污泥负荷减少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器系统内活性设备截留槽内的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器系统内活性污泥（污泥（MLSS）浓度可提升至）浓度可提升至800010,000mg/L，甚至更高；污泥龄，甚至更高；污泥龄(SRT)可延长至

3、可延长至30天以上天以上。 膜生物反应器因其有效的截留作用，可保留世代周期较长的微生膜生物反应器因其有效的截留作用，可保留世代周期较长的微生物，可实现对污水深度净化，同时物，可实现对污水深度净化，同时硝化菌硝化菌在系统内能充分繁殖，其硝在系统内能充分繁殖，其硝化效果明显，对深度除磷脱氮提供可能。化效果明显，对深度除磷脱氮提供可能。2、膜生物反应器的原理 MBR 是高效膜分离技术与活性污泥相结合的新型水处理技术，它是利用微生物对反应机制进行生物转化，利用膜组件分离反应产物，并截留生物体，实现水力停留时间与污泥停留时间的彻底分离， 消除了传统活性工艺的污泥膨胀问题， 并且由于曝气池中活性污泥浓度的

4、增大和污泥中特效菌的出现，提高了生化反应速率，同时，减少剩余污泥产生量，提高生化处理效果。3、膜生物反应器类型MBR是由生物反应器与微滤、超滤、纳滤或反渗透是由生物反应器与微滤、超滤、纳滤或反渗透膜系统组成，可分为微滤膜生物反应器和超滤膜生膜系统组成，可分为微滤膜生物反应器和超滤膜生物反应器等。物反应器等。按照膜组件与生物反应器的组合位置，按照膜组件与生物反应器的组合位置，MBR 可分可分为分置式为分置式MBR 和一体式和一体式MBR 。MBR按膜的组件在反应器的作用不同可分为分离膜按膜的组件在反应器的作用不同可分为分离膜生物反应器（生物反应器（membrane separation bior

5、eactor，MSBR，截留和分离固体）、无泡膜生物反应器，截留和分离固体）、无泡膜生物反应器（membrane aeration bioreactor，MABR，无泡曝，无泡曝气，用于高需氧量的废水处理）、萃取膜生物反应气，用于高需氧量的废水处理）、萃取膜生物反应器（器（extractive membrane bioreactor，EMBR，用，用于工业废水中优先污染物的处理）。于工业废水中优先污染物的处理）。3.1 MABR 无泡曝气生物反应器无泡曝气生物反应器(Membrane AerationBiofilm Reactor)，简称为简称为MABR，由中空纤维膜填料部分和水流部分组成。由

6、于纤，由中空纤维膜填料部分和水流部分组成。由于纤维膜微孔直径很小，为维膜微孔直径很小，为0.10.5 m，曝气产生肉眼不可见的气泡，曝气产生肉眼不可见的气泡，因此称为无泡供氧。生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料供给因此称为无泡供氧。生物膜所需要的氧气是通过纤维束填料供给的，中空纤维膜不仅起着供氧作用，同时又是固着生物膜的载体。的，中空纤维膜不仅起着供氧作用，同时又是固着生物膜的载体。即，纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气，即，纯氧或空气通过中空纤维膜的微孔为生物膜进行无泡曝气，在中空纤维膜的外侧形成的生物膜与污水充分接触，在中空纤维膜的外侧形成的生物膜与污水充分接触，污水中所含

7、污水中所含的有机物被生物膜吸附和氧化分解，从而使污水得到净化。的有机物被生物膜吸附和氧化分解，从而使污水得到净化。 3.2、萃取膜生物反应器萃取膜生物反应器EMBR 隔离式系统采用选择膜将污水与生物反应器隔开，该膜只容许目标污染物透过，进入生物反应器被降解。而各种对微生物有害的物理、化学条件不影响生物反应器一侧。 原水与循环液混合，进行缺氧搅拌。在这半个周期的开始，原水进入序批处理格，与被控制回到主曝气格的回流液混合。在缺氧和丰富的硝化态氮条件下，序批处理格内的兼性反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，以原水及内源呼吸所释放的有机碳作为碳源，进行无氧呼吸代谢。随着原水的加入，有机碳的浓度增

8、加，较高浓度的污泥向曝气格回流的过程，以提高曝气格中的污泥浓度；部分原水和循环液混合，进行缺氧搅拌；序批格停止进原水，循环液继续缺氧搅拌；曝气，并继续循环；停止循环，延时曝气；静置沉淀，延时曝气停止后，在隔离状态下，开始静置沉淀，使活性污泥与上清液有效分离，为下半个周期作为澄清池出水做准备。3、3 分离膜生物反应器分离膜生物反应器MSBR反应器由三个主要部分组成：曝气格和两个交替序批处理格。主曝气格在整个运行周期过程中保持连续曝气，而每半个周期过程中，两个序批处理格交替分别作为SBR和澄清池。4、膜生物反应器特点5、存在的问题主要问题：膜污染、运行成本高、设备性能要求高5、1 膜污染及处理膜污

9、染及处理 膜污染是指在膜过滤过程中，混合液中污泥絮体、胶体粒子、溶解性有机物或无机盐类，由于膜的存在物理化学相互作用或机械作用而引起的膜表面或膜孔内部的吸附或沉积，致使膜孔道变小或堵塞，膜表面形成凝胶层或滤饼层，从而造成膜通量降低或者跨膜压差升高的现象。 膜污染的来源主要有三个方面：凝胶层，即滤饼。主要是水透过后被截留下来的部分活性污泥和胶体物质，在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面而形成的可逆性膜面污染；溶解性物质被膜内微孔表面吸附或结晶，堵塞孔道，使膜通量减少，属于可逆污染；微生物污染。 在膜表面和膜孔中有微生物所需的营养物质， 因而不可避免地会有大量的微生物滋生，从而造成膜通量的减少。

10、（2）优化运行条件。 在MBR的实际运行中，膜通量、操作压力、曝气强度、膜过滤的操作方式、膜表面的错流流速等，均对膜污染有着重要影响，并直接关系到膜的使用寿命。污泥龄也是影响活性污泥混合液及其污染特性的主要工艺参数，MBR的整体性能与污泥龄的选择密切相关。膜组件设计是MBR运行条件优化的另一重要参数。调控混合液的特性。在实际工程项目中，比较有效的调控措施有：投加吸附剂和投加混凝剂。 膜污染的控制膜污染的控制 是指采用适当的措施，控制膜污染的发展，延长膜的清洗周期。（1）提高膜的性能。 膜的亲疏水性、孔径、空隙率、粗糙度等自身特性对膜污染有着直接影响。通过提高膜自身的性能可以提高膜的抗污染能力。

11、5.2 5.2 运行成本高运行成本高 1、对膜的清洗要有专业人士清洗，并要求在运行中时时监控防止膜的污堵，造成出水水质不稳定。2、定期膜的更换使维修和检查工作量加大，将占有很大生产成本支出。3、清洗药品的用量也很大，并且运行一年以后，膜的处理效率将大幅度下降 5.3 5.3 设备性能要求高设备性能要求高 1、对风机的机械性能要求高，如果膜的抖动不大，极易使膜受到污染，造成堵塞。2、对泵的要求也很高，如果膜的水量通量不能达到足够大。也易使膜受到污染而堵塞。六六、 膜生物反应器的发展趋势膜生物反应器的发展趋势 从MBR日益广泛的应用状况来看，目前MBR的发展趋势表现在： 进行新型膜组件集装式、密集

12、式模块化的优化设计 研究新的制膜方法，研制性能优越的膜材料； 研制新型的MBR，对MBR能长期稳定运行研究适宜的运行工艺条件 随着膜技术的产业化以及膜在各行各业应用的扩大，今后MBR应用可能获得迅速发展的重点领域和方向如下： 应用于高浓度、有毒、难降解工业污水的处理。如高浓度有机废水是一种较普遍的污染源，全国造纸、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行业每年高浓度有机物水的排放量很大，这类污水采用常规活性污泥法处理尽管有一定作用，但是出水水质难以达到排放标准的要求。而MBR在技术上的优势，决定了它可以对常规方法难以处理的污水进行有效的处理，并且出水可以回用。 现有的城市污水处理厂的更新升级。特别是出

13、水难以达标或处理流量剧增而占地面积 无法扩大的情况。 应用于有污水回用需求的地区和场所，如洗车业、宾馆、流动公厕等充分发挥膜生物反应器占地面积小、设备紧凑、自动控制、灵活方便的特点。 垃圾填埋渗滤液的处理及回用。 在小规模的污水处理厂的应用，这由膜的价格所决定。 应用于无排水管网系统的地区，如小居民点、度假区、旅游风景区等。膜反应器3、应用1、概述2、理论 当今世界，膜科学与技术有了很快的发展，近年来，开发研究了由反应过程和膜分离过程合起来的新型高效的膜反应装置。尤其适用于平衡转化率低的反应，当生成物的一部分或者全部通过分离膜除去后，有利于平衡向生成物的方向移动，提高反应的转化率。例如：例如：

14、3.1 3.1 原理概述原理概述另外：科学工作者采用固体电解质膜的反应器研究水的分解反应 本文从反应工程的观点，以一级可逆反应为本文从反应工程的观点，以一级可逆反应为例子，对膜反应器进行理论分析。例子，对膜反应器进行理论分析。2.1 2.1 原理概述原理概述搞清速率加快原搞清速率加快原因因探明反应工程特探明反应工程特性性2.2 2.2 理论分析理论分析 aA+bB 产物产物动力学动力学方程方程：- rA= - dCA/dt=kCACB动力学动力学方程方程：-rA=-dCA/dt=k1CA-k2Cp动力学动力学方程方程：-rA=-dCA/dt=k1CA rp=dCp/dt=k1CA-k2Cp r

15、s=dCs/dt=k2Cp动力学动力学方程方程：-rA= - dCA/dt=k1CA+k2CA rp=dCp/dt=k1CA rs=dCs/dt=k2CAAk1k2PAPSk1k2APSk1k22.2.1 基本表达式 膜反应器的示意图如图膜反应器的示意图如图1 1所示。这种膜反应器是由反所示。这种膜反应器是由反应部分和分离部分组合而成应部分和分离部分组合而成的。中间有一层薄膜将其分的。中间有一层薄膜将其分隔开来。当生成物的一部分隔开来。当生成物的一部分或者全部通过分离膜渗透到或者全部通过分离膜渗透到分离部分去后分离部分去后, ,有利于反应平有利于反应平衡向生成物方向移动衡向生成物方向移动, ,

16、从而促从而促进了反应过程的进行进了反应过程的进行, ,提高了提高了转化率。转化率。 对于一级可逆反应，反对于一级可逆反应，反应部分是按以下化学反应式应部分是按以下化学反应式进行的：进行的： 在反应过程任一时刻，正反应速率r1=kcR，你反应速率是r2=kcp,而净反应速率是正、逆反应速率之差：- r1=-dCR/d= kCR-kCp r1=dCR/d=- kCR+kCp存在分离过程，及为正逆反应和分离过程之差。 在反应过程任一时刻，正反应速率r1=kcR，你反应速率是r2=kcp,而净反应速率是正、逆反应速率之差：-r2=-dCp/d=-kCR+kCp r2=dCp/d= kCR-kCp存在分

17、离过程，及为正逆反应和分离过程之差。1.膜反应器能促进反应效果必须具备下列条件：膜反应器能促进反应效果必须具备下列条件：（1）膜的选择性）膜的选择性Sm要远大于反应平衡常数要远大于反应平衡常数Kc的倒数。的倒数。 （2）正反应的速率常数）正反应的速率常数k比反应物比反应物R的分离速率常数的分离速率常数kR要大要大一些。一些。SmKc-12.膜反应器的理想最大转化率膜反应器的理想最大转化率Xm Xm = 1 / 1+(SmKc)-1 3.膜反应器的各种参数与促进反应效果的最适宜的操作膜反应器的各种参数与促进反应效果的最适宜的操作条件有关：条件有关：得到几个基本结论：得到几个基本结论：（1）使用催

18、化剂，提高反应温度，可使反应速率常数）使用催化剂，提高反应温度，可使反应速率常数k值值增大，有利于促进正反应，正反应的反应速率常数增大，有利于促进正反应，正反应的反应速率常数k比莫分比莫分离速率常数大很多时，无因次参数离速率常数大很多时，无因次参数m值也越大。值也越大。（2）由于提高了反应温度，平衡常数）由于提高了反应温度，平衡常数Kc也增大，在反应过也增大，在反应过程中，生成物程中，生成物P的增加是有效的，如果温度变化对的增加是有效的，如果温度变化对Kc值得影值得影响比较小，增加生成物响比较小，增加生成物P的效果不会太大。的效果不会太大。（3）根据膜反应器的设计条件，决定（）根据膜反应器的设

19、计条件，决定（A/V)的值，在一定的值，在一定的的k，k,的条件下，用方程式（的条件下，用方程式（35）表示的（）表示的（A/V）的值，）的值，存在一个最适宜的值。存在一个最适宜的值。（4）采用选择性高的膜，即膜选择性）采用选择性高的膜，即膜选择性Sm值很大的膜。当膜值很大的膜。当膜的选择性的选择性Sm反应平衡常数反应平衡常数K的倒数时，对膜反应器是十分的倒数时，对膜反应器是十分有效的。特别是该膜只能分离生成物有效的。特别是该膜只能分离生成物P而不能分离反应物而不能分离反应物R，即在，即在kR趋近于趋近于0时，时，Sm趋近于无穷时，表明随着趋近于无穷时，表明随着Sm增大增大，正反应的反应速率常

20、数，正反应的反应速率常数k也增加，所采用方程式（也增加，所采用方程式（21）定）定义的理想最大转化率是存在的。可以得到非常高的反应转化义的理想最大转化率是存在的。可以得到非常高的反应转化率，几乎可达率，几乎可达100%。膜反应器3、应用1、概述2、理论膜反应器的分类 膜反应器是将反应与膜分离两个单独的过程相耦合, 在实现高效反应的同时, 实现物质的原位分离,使反应分离一体化。其可分为三类：大孔膜反应器大孔膜反应器主要应用领域是基于大孔膜如微滤、超滤等实现超细催化剂的循环使用以及反应物的分散强化传质过程等.目前, 这方面的研究主要集中在光催化与催化反应领域。在光催化领域, 主要是采用悬浮态的光催

21、化剂如二氧化钛等进行有机物的降解，然后使用大孔膜实现光催化剂的循环使用。另外, 基于大孔膜如均孔膜的发展,可依据均孔膜的孔道规整特性,提高液滴或气泡大小的均匀性, 增强反应效果.微孔膜反应器l微孔膜反应器主要是基于微孔膜将反应产物从反应体系中分离出来, 提高反应的转化率和选择性.此类膜反应器中, 微孔膜既有分离作用又可实现催化作用。l如二甲苯异构化反应、水汽变换反应等均可用微孔膜反应器来提高反应效率。 MFI分子筛膜主要用于二甲苯异构化反应, 为填充床膜反应器和催化膜反应器。 填充床膜反应器是由对反应惰性的 silicalite-1 分子筛膜和具有催化活性的ZSM-5分子筛催化剂构成, sil

22、icalite-1 分子筛膜起到选择性分离目标产物对二甲苯(PX)的作用。ZSM-5 分子筛膜同时具有分离和催化的双重功能, 其结构示意图如图所示。磺酸功能化的MFI 分子筛膜, 在450下获得了MX 转化率52%和PX 产率为32%; 而全硅MFI 分子筛膜反应器获得了90%以上的PX 选择性。致密膜反应器致密膜反应器主要有混合导体氧渗透膜反应器、钯膜反应器等, 主要利用膜对某种气体100%选择性而进行的反应过程. 膜材料和膜反应器发展迅速, 对物质的高效分离与转化过程带来了新的机遇, 但同时也存在一些有待深入研究的共性问题, 主要包括传质与分离机理的模拟研究与实验验证、微结构(孔道与表面性

23、质)的精准构筑与调变、膜孔结构的形成机理与原位表征、面向应用过程的膜材料设计与制备、膜分离与其他单元操作的耦合以及针对具体反应过程的膜反应器的设计与构建等。膜反应器在工业水处理中的应用1.膜反应器在印染废水处理中的应用2.膜反应器在制药废水处理中的应用3.膜反应器在焦化废水处理中的应用4.膜反应器在精细化工废水处理中的应用1.膜反应器在印染废水处理中的应用 印染废水成分复杂，色度深，碱性强，并且含有许多有毒、有害物质，对环境污染严重。膜生物反应器能对印染废水进行好氧生物活性的处理，利用锰砂催化海绵铁内电解-膜生物反应器（MBR）耦合法来处理模拟印染废水并对水样的色度和浊度、生物耗氧量、化学耗氧

24、量等各项水质指标进行测定、分析和处理。茂名市兴业纺织有限公司印染废水处理效果CODBOD5色度原水 7502501200锰砂催化海绵铁内电解法预处理350200500MBR 进行后续生物处理682310 2.膜反应器在制药废水处理中的应用 制药生产过程中会产生大量的废水，其虽具有一定的可生化性，但色度和COD高，NH4+-N含量高且含有众多毒性物质，若不经过有效处理，将会造成严重的污染环境。 胡雪利等采用一体式平板膜生物反应器对郑州拓洋实业有限公司生产的维生素制药废水进行实验研究，l 当HRT=12h时，系统对COD 和NH4+-N的去除率分别为75.29%、85.81%； l 当HRT=22

25、h时，系统对COD 和NH4+-N的去除率分别为81.01%、90.21%；l 当HRT=26h时，系统对COD 和NH4+-N的去除率分别为82.05%、90.84%。 当取HRT=22h时完全达到了发酵类制药工业水污染物排放标准（GB21903-2008）的排放要求。但污泥质量浓度过高，将导致膜稳态通量的降低，从而限制出水流量，导致整个膜反应器的处理能力降低。 Farshid Pajoum Shariatid等人采用循环气升式膜生物反应器（ELAMBR）对药物中的对乙酰氨基酚进行了处理，一个月后，COD 的含量降低了20%，MLSS 的含量升高了20%，ELAMBR 能有效的处理药物废水中

26、的污染物。 李振红等采用浸没一体式MBR工艺对某制药厂污水处理站的出水进行处理，实验表明，在HRT=9h 条件下，若DO质量浓度为2、4、6 mg/L，出水COD去除率分别为63%，75%，80%，出水NH3-N的去除率分别为88.5%，93.6%，94%。3.膜反应器在焦化废水处理中的应用焦化废水是炼焦、煤气净化以及化工产品精制过程的产物。其COD 浓度较高，含有大量的环链有机物，如叠氮类无机物和氨氮等，直接外排对自然环境和人体健康的影响极大。郑俊等采用加压生物膜反应器的A/O法对榆林一焦化厂现有气浮池的出水进行实验处理。当进水COD质量浓度的平均值为2031mg/L时，厌氧出水段、好氧一级

27、段、整个系统对COD 的去除率分别为31.96%、80.35% 、87.46%，出水COD 的平均值分别为1394.34、295.00、254.69 mg /L，达到国家二级排放标准。赵文涛等采用浸没式厌氧/缺氧/好氧-膜-生物反应器（A1/A2/O-MBR）系统对北京首钢焦化厂的焦化废水进行处理，在无排泥条件下连续运行160 d后，MLVSS/MLSS 维持在89.2%91.2%，且没有出现无机物的积累，污泥的表观产率逐渐降低并稳定在0.1035 kg/kg。该反应器对COD、NH3-N和TN的去除率分别为88%、100%和86%，在最佳运行参数条件下，出水中COD80 mg/L、TOC25 mg/L、NH3-N0.5mg/L、TN