膜过程课件第二章

第二章膜生物反应器的控制及运行2.1MBR中运行参数2.1.1生化单元控制参数及指标2.1.2膜单元控制参数2.2MBR中微生物的特性

MembraneBioreactorProcess&Technology2.1MBR中运行参数

影响膜生物反应器的因素和技术参数涉及到生物反应器与膜组件两个部分。对于生物反应器而言，主要有pH、温度、水力停留时间（HRT）、污泥停留时间（SRT）、污泥浓度（MLSS）和污泥负荷等。对于膜组件而言，主要有膜材料、膜孔径和膜结构的选择、操作压力、膜面流速、透水率、反清洗时间和反清洗周期等操作参数。

MBR中的运行参数大致可分为与生化单元有关的参数和与膜运行有关的参数两大类。MembraneBioreactorProcess&Technology2.1.1MBR中运行参数—生化单元控制参数及指标MembraneBioreactorProcess&Technology

1、生化需氧量和化学需氧量BOD：当有溶解氧存在时,废水中有机物在20℃、5日内进行生物分解,形成稳定产物所需的氧量，可作为衡量水中所含有机污染物的指标。COD：废水中被氧化的物质在一定条件下被化学氧化剂氧化所需氧量，也是衡量水中有机物的指标,包括重铬酸钾法和高锰酸钾法。BOD和COD是评价水处理工艺的重要指标,借助MBR中膜优良的过滤性能,可有效截留污泥混合液中颗粒性的BOD和COD,因此MBR在出水BOD和COD的指标上比传统工艺更具优势,如处理普通市政污水时,出水BOD可达到5mg/L以下，COD可达到30mg/L以下，能满足景观用水和生活杂用水的要求。

MembraneBioreactorProcess&Technology2、脱氮除磷在水质标准日趋严格的今天,不但要求污水经处理后的有机物浓度达标,而氮磷等指标的要求也越来越受到重视。采用活性污泥脱除污水中的氮,需经历硝化和反硝化两个过程。硝化过程是在好氧(曝气)的条件下进行的,经自养型的亚硝化菌将氨氮氧化成亚硝酸盐,继而在硝化杆菌的作用下氧化为硝酸盐，理论上硝化过程将1g氨氮转化为硝酸盐氮需要4.57gO2。反硝化过程则是由异氧型微生物在无分子态氧的条件(厌氧)下把硝酸盐作为氧化剂,将硝酸盐还原为氮气。

在采用MBR工艺时，出水往往作为回用水，因此对出水氮磷有一定的要求。MBR脱氮原理仍然是依靠微生物的作用，这一点与传统的活性污泥工艺相类似的，但由于MBR具有极强的生物截留作用，因此可以实现大量的硝化菌富集，可以实现非常高效的硝化作用，所以MBR的出水氨氮可比传统工艺低很多，这也是MBR可用于处理高氨氮废水的原因之一。

MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&Technology例如，Zhang等人通等过研究发现，MBR中硝化活性为2.28gNH4-N/(kgMLSS·h)，而工艺参数与之相近传统活性污泥反应器中的硝化活性只有0.96gNH4-N/(kgMLSS·h)，他们进一步的研究指出,硝化速率的提高源于膜生物反应器中污泥絮体较小，较小的絮体有着更大的周长/面积比，氧传质阻力小，硝化作用更彻底。污泥龄对膜生物反应器的硝化作用有很大影响，如Cote研等究者发现，当污泥龄由10天增加为50天时，氨氮去除率由80%增加到99%；而Fan等的等验中也发现，当污泥龄由5天增加为10天时，氨氮去除率由94%增加到99%MembraneBioreactorProcess&Technology

就MBR去除总氮的效果来看,由于总氮的去除需要好氧、厌氧两个工艺过程的协同作用,与之相关的影响因素较为复杂,总氮的处理效果主要取决于工艺及运行参数的设计。

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根据硝化与反硝化作用是否在同一反应器内发生,可将MBR脱氮工艺分为两大类:单一反应器间歇曝气膜生物反应器脱氮工艺和A/O形式的膜生物反应器脱氮工艺。第一种工艺大多使用序批式反应器（SBR）的运行方式,通过限制曝气和半限制曝气运行方式在时间序列上实现缺氧/好氧的组合并控制每一部分适宜的时间比例,可以得到较好的脱氮效果。将膜组件浸入生物反应器中,构成的一体式装置没有混合液的回流,减少了设备需求,降低了运行费用。如图2-l。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&Technology大多数研究采用单级(单池)间歇曝气,G.T.Seo等人采用两级(双池)间歇曝气工艺,只在第二反应器中装有膜组件,取得了91.6%的脱氮效果。第二种工艺类似于传统的A/O工艺,前置反硝化在缺氧条件下运行,含碳有机物的去除、含氮有机物的氧化和氨氮的硝化在好氧条件下运行,以膜代替重力沉淀池进行固液分离。MBR中较高的污泥浓度有利于反硝化的进行。在设计合理的A/O系统中,好氧池回流污泥中的剩佘溶解氧会被很快耗尽,不会破坏缺氧池适宜的环境条件。但过高的污泥浓度会造成空气曝气系统难于满足微生物的氧需求,造成硝化速率的降低。

膜生物反应器的除磷工艺与脱氮工艺类型相同，常见的有单一反应器间歇曝气工艺和A/O形式工艺，现有较多研究集中于生物脱氮除磷结合工艺的开发。与传统除磷工艺相比，采用MBR并不能提高磷的去除，现有报道的总磷去除率介于11.9%和74%之间，这与常规生物除磷工艺的去除能力相当。较好的除磷效果来自于与化学絮凝的结合。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&Technology3、运行负荷MBR中的运行负荷包括,污泥负荷,即每千克污泥每天所脱除的COD（或BOD）的量[kgCOD/(kgMLSS·d];容积负荷,即每立方米反应池每天所脱COD(或BOD)的量[kgCOD(m3·d]好氧MBR用于城市污水的处理时,容积负荷率1.2~3.2kgCOD/（m3·d）和0.05-0.66kgBOD5/(m3·d）,相应脱除率为大于90%和大于99%,当进料COD变化很大,如从100mg/L变到250mg/L,稳态时,排放液浓度通常小于10mg/L，即进水COD含量变化对出水COD影响不大。MembraneBioreactorProcess&Technology

好氧MBR处理工业废水时,其负荷率比城市废水高的多。己报道的负荷范围为0.25-16kgCOD/(m3·d),相应脱除率达到90%-99.8%,因为工业废水本身负荷强度高，如酿造废水COD浓度可达到68000mg/L,含油废水COD也高达30000mg/L左右。不同工厂的负荷率大致相近,如对食品加置废水,果汁厂、制革厂、棉花厂报道的负荷率分别为8.3kgCOD/(

m3·d)、5.9kgCOD/(m3·d)、3.5kgCOD/（m3·d）和0.25kgCOD/(m3·d)。MembraneBioreactorProcess&Technology在城市污水处理中,HRT在2-24h之间都可以得到高脱除率,HRT对脱除率影响不大。污泥龄在5-350d范围内,污泥龄对排水水质的影响也不大,比较所报道的研究体系,当污泥龄增加到30d时去除率稍有增加,再提高污泥龄,没有发现进一步的改进。

工业废水处理中的HRT通常要比城市废水高得多,常需几天,而非几小时。而SRT则与城市废水处理相近,为6-300天,例如含油废水的处理,HRT通常在1.87-3.14d,污泥龄在50-100天。在大多数情况下COD脱除率大于90%。

对强度很高的废水,应降低其初始负荷,以避免硝化物的抑制作用。在工业废水处理中还有一个很重要的问题是一些特殊组分的脱除,例如油脂的脱除,因为膜可截留大分子的油脂,使其在反应器中有较长的降解时间。MembraneBioreactorProcess&Technology4、污泥特性MBR中的污泥浓度往往采用混合液悬浮固体(MLSS)和挥发性悬浮固体(MLVSS)来表征。MLSS是指曝气池中污水和活性污泥混合后的混合液悬浮固体的数量,也称混合液污泥浓度，是衡量曝气池中活性污泥数量多少的指标。MLVSS是指混合液悬浮固体屮有机物的量,由于其不包括污泥中的无机物部分,因此能够较准确的代表活性污泥中的微生物的量。污泥龄(SRT)是曝气池中工作着的污泥总量与每日排出的剩余污泥之比值,运行稳定时,单位时间内(一般为每日)排出的剩余污泥量即污泥新增量,SRT体现的是新增加污泥在反应器内的平均停留时间。MembraneBioreactorProcess&Technology

CAS中采用二次沉淀池分离污泥,由于依靠重力沉降,因而分离效率低,直接影响生物反应器中活性污泥的浓度。MBR中则使用了膜分离作为固液分离技术,因此使其生物反应单元内维持比CAS高得多的污泥浓度。一般CAS中污泥浓度在⒉4g/L,而MBR中污泥浓度可达到10g/L以上。

借助膜的特殊性能,MBR可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行,于是污泥的产率低,有机物的去除率高,这正是MBR的特点。由于MBR中具有很高的污泥浓度,所以其运行SRT也较传统的工艺长,甚至在一些研究中实现了MBR剩余污泥的“零”排放,SRT达到了无穷大。MembraneBioreactorProcess&Technology

在一些研究和工程实践中,MBR的浓度甚至可达到10-20g/L,MBR与传统CAS相比特点之一就是污泥产率低,微生物在低污泥负荷下运行时缺乏营养,属于内源呼吸作用突出,底物基本用于维持细胞的能量需求而不能用于微生物的合成。这种运行模式可以获得很好的去除率并能实现较低的污泥产率。MBR反应器的剩余污泥量可按下式计算:MembraneBioreactorProcess&Technology式（3-1）中X——产生的剩余污泥量;Y——氧化每千克BOD所产生的污泥量,可取0.4-0.8:Lt——去除的BOD浓度;Kd

——污泥自氧化速率(l/d)。可取0.04-0.075。若缺乏相关数据,MBR的污泥产率可参照表2~1。MembraneBioreactorProcess&Technology曲于MBR中运行的污泥浓度较高,而污泥的排放周期很长,因而MBR是处于高污泥浓度和高污泥龄的低污泥负荷下操作,污泥产率较低,其范围大体在0-0.34kgMLSS/(kgCOD·d）,之间变化。同时,MBR的污泥产率与处理污水的组成也有关系,如用MBR处埋食品加工废水与制革废水时,虽然前者污泥龄为后者一半,但前者污泥产率比后者仍低35%。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMBR中较高的污泥浓度也会对其产生负面的影响。有研究表明,较高的污泥浓度会造成混合液粘度的增大,而间接的影响膜的稳定运行,因此MBR的最佳污泥浓度的设计应综合考虑处理负荷、污泥产率及膜污染等诸多因素。MBR与CAS相比,污泥去除有机污染物的比活性(gCOD/gMLVSS·h)低,且不稳定,这是因为MBR中长的SRT和低的F/M。但在MBR中,容积负荷高于CAS,说明在MBR中,尽管活性差不稳定,但处理潜力大,因为MBR中可以维持较高的生物浓度,并且生长缓慢的微生物也可以存在。

比氧吸收率(OUR)是指溶解氧被好氧微生物的利用率,等价于活性污泥群落的新陈代谢活性,它表示了膜过滤污泥的生理状态和微生物的代谢活性.OUR在CAS中大于MBR中，而在添加底物时,OUR在MBR中明显增加,而在CAS中变化不大,说明在MBR中.微生物的生长不是被氧所限制,雨是被底物所限制.同时在MBR中污泥的氧传递与CAS过程没有明显的不同。MembraneBioreactorProcess&Technology5、水力停留时间(HRT)

曝气池中液体的总体积与每小时排出的液体总体积之比值,运行稳定时,排出液体体积即进入曝气池液体体积,因此HRT反应了污水进入曝气池的平均停留时问MBR屮HRT可比CAS中更短。而对于污染物浓庋较高或含有特殊难生物降解的废水,则适当延长HRT不失为一种保证MBR稳定处理效果的方法。

MembraneBioreactorProcess&Technology尽管缩短HRT可以减小池容.降低基建投资费用,但有些研究认为过短的HRT可能会加速膜污染。Hideke-Harada等通过研究认为,过短的HRT会导致溶解性有机物的积累,吸附在膜面上而影响膜通量。C.Visvanathan等发现在较短的HRT下,膜表面会迅速形成致密的泥饼层:在较高的HRT酎膜污染减轻,压力也没有升高;但HRT的延长会增加曝气池的容积,增加基建费用。因此HRT的设计一方面尽量发挥MBR高效处理能力的特点,另一方面还应考虑到膜污染的控制。MembraneBioreactorProcess&Technology2.1.2膜单元控制参数1、曝气强度(气水比)

MBR中曝气包括两方面作用：为生化反应提供足够的溶解氧,以保证各类有机污染物降解和硝化过程的正常进行;强化反应器内部的紊流状态,提高对膜表面污泥颗粒的剪切和吹脱作用以控制膜污染和保持膜通量。因此可将SMB中的气量分为两部分:膜面吹扫曝气(Membranescouraeration)和生化曝气(Biologicalrequirementaeration)。强化曝气手段是MBR中控制膜污染的重要手段,但会使MBR比CAS运行能耗成倍增加。MBR中曝气系统的能耗占总能耗的80-90%,因此降低MBR运行能耗的根本手段是如何提高曝气系统的效率。MembraneBioreactorProcess&TechnologyMembraneBioreactorProcess&TechnologyMBR中生化曝气量的设计可参考传统活性污泥工艺曝气量的计算。生化过程的需氧量与BOD的去除量、系统内微生物衰减量及氨氮硝化量成正比,与硝酸盐反硝化量成反比,总耗氧量可按式(l)计算：式(39)中,02——实际需氧量(kgO2/d):Oc——去除含碳有机物单位耗氧量(kg0/kgBOD)，包括BOD降解耗氧量和活性污泥衰减耗氧量;St——BOD去除量(kg/d);Nht——硝化的氨氮量(kg/d)；Not——反硝化的硝酸盐量(kg/d),未设计厌氧段的SMBR中可略去此项。MembraneBioreactorProcess&Technology2.开停（抽停）比开停（抽停）比是指连续运行的MBR工艺中往往会采用间歇出水的方式，即以一定频率进行出水/停机的方式进行操作，这种方式可一定程度上缓解连续抽吸压力条件下膜面污染层的发育，有助于膜污染的控制。出水泵运行出水泵运行8min8min8min2min2min出水泵停出水泵停出水泵运行曝气泵运行3.跨膜压力（Transmembranepressure,TMP）跨膜压力是使过滤介质通过膜的推动力，是实现膜过滤传质的关键一环。MBR中TMP可以是通过机械泵提供，也可以通过重力水头作用提供。对于采用泵来提供的MBR来说，一体式的MBR的TMP一般是通过泵产生负压实现，而分体式的MBR一般是由泵产生正压来实现的。许多研究表明，MBR中的TMP往往存在临界值：当TMP压力低于临界值时，膜通量随压力的增加而增加；而高于此值时通量随压力的变化不大，但会引起膜污染的加剧。临界TMP会随孔径的增加而减小。MembraneBioreactorProcess&Technology4.反洗周期和反洗频率

MBR运行中反洗周期和反洗频率的设计是保障系统稳定运行的关键环节，根据运行工况和反洗方式的不同，反洗周期和反洗频率也有不同的设计。如常规水洗可每隔几分钟进行一次，或在一个运行周期内（指开/停周期）内进行一次，而强化的化学反洗可视运行压力的变化每天或每周进行一次。