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膜生物反应器在污水处理中的应用

近年来,随着废水排放量的飞速增长,膜生物反应器以其出水水质高、用地面积小、易于控制等优点得到迅速的推广。本文综述了膜生物反应器的类型、研究历程、应用以及膜生物反应器的优缺点,介绍了膜生物反应器存在的最大问题即膜污染以及膜污染的防治,希望给膜生物反应器的进一步研究应用提供参考。

一、膜生物反应器简介

膜生物反应器(MBR)是膜分离技术与生物污水处理技术相结合的新型态废水处理系统。其主要组成部分包括生物反应器、膜组件和控制系统。其中,生物反应器主要发生污染物降解,为该降解过程提供场所。膜组件由膜和其支撑部分组成,是整个反应器的核心部分。

由于膜组件的不同及膜组件与生物反应器不同的结合方式,MBR可以有多种分类方法:

(1)根据生物反应器中膜组件膜的孔径大小,MBR反应器可分为微滤、超滤、纳滤、渗透汽化等反应器。

(2)根据生物反应器反应过程是否需要曝气可以分为好氧型膜生物反应器和厌氧型膜生物反应器。其中好氧型主要用于处理城市废水和生活污水,厌氧型主要处理高浓度有机废水。

(3)根据膜组件中膜的形式及排列方法,MBR可以分为板框式、螺旋卷式、圆管式、毛细管式和中空纤维式膜组件。其中,常见的有板框式和中空纤维式。

(4)根据膜组件作用效果,其可以分为分离式MBR、曝气式MBR和萃取式MBR,分离式主要用来去除污水中的悬浮颗粒,高效地完成固液分离。曝气式主要应用于高需氧量废水的处理。萃取式主要用于工业废水处理中,用来完成废水中污染物的萃取收集。

(5)根据膜组件与生物反应器的位置摆放不同,MBR可分为分置式和一体式膜生物反应器。分置式膜生物反应器又称循环式膜生物反应器,混合液通过增压进入组件内部,在压力作用下,液体透过膜而固体颗粒被截留,浓缩液回流至生物反应器进行循环。而一体式则是直接将膜组件放在反应器内部。

二、MBR研究历程及应用

1.MBR的研究历程

二十世纪六十年代,活性污泥生物反应器与错流膜过滤相结合,首次实现了MBR在废水处理中的应用。1989年,研究工作者将膜组件放在生物反应器内部,突破了一体式MBR反应器的进展。九十年代以来,由于膜通量的不断提高,膜污染控制技术和膜材料也有了很大的改进,膜生物反应器的成本越来越低,该工艺逐步受到关注。截止到2006年,全世界使用膜生物反应器的总值达到2.16亿美元。相对而言,我国发展起步较晚,但其发展趋势迅猛,增长速度远超于世界平均增速,目前在许多实际污水处理中得到良好的应用。

2.MBR的应用

(1)MBR在城市污水处理中的应用

20世纪90年代末,随着一体式MBR的出现,膜反应器在城市污水处理中的应用得到了快速的发展,截止2005年,北美地区已建成219个MBR城市污水处理工程。我国虽然起步较晚,但发展迅速,目前国内已经有较多正在运行或建设中的工程项目。

(2)MBR在工业废水处理中的应用

相比于城市污水处理,MBR在工业废水处理领域更具优势。据统计,目前MBR在工业废水处理中已占41%,广泛用于印染、焦化、电镀、炼油、食品、石化、啤酒、医药以及垃圾渗滤液等处理中。

三、MBR的特点

与传统的水处理方法相比,MBR有以下几个比较明显的特点:

(1)MBR可以有效地截留污水中的微生物,实现了污泥龄和水力停留时间的分离。通过调整污泥龄的大小,使得生长周期较长的微生物如硝化细菌及反硝化细菌也可以成为优势菌种,在一定程度上可以提高整个反应器的脱氮效率,使得运行更加灵活稳定。

(2)MBR有较高的固液分离效率,出水效果良好且稳定,受进水水质影响小。由于膜的高效截留作用,反应器中较大的颗粒物、大分子的有机物、细菌等均被截留在膜的进水侧。同时不用考虑污泥膨胀。

(3)污泥浓度高,剩余污泥产量小。MBR可以在高容积负荷及低污泥负荷条件下运行,剩余污泥产量低,大大降低了后续的处理费用。

(4)MBR反应器结构紧凑,工艺设备集中,因此占地面积也较小,易实现一体化自动控制,操作管理方便。

尽管MBR具有上述特点,但也存在缺点,如膜污染严重、氧利用率低、投资成本高、水处理能耗较高、化学清洗废液会造成二次污染等。实际应用中膜污染是影响MBR推广的最大限制因素。

四、膜污染

1.膜污染形成原因

膜污染是指反应器在运行过程中由于废水中的微小颗粒、胶体或大分子溶质在膜表面发生物理化学等相互作用而造成的膜孔堵塞现象。污染的类型主要表现为孔口堵塞、孔内沉积、和表面污染(污泥层形成)以及各种污染形式的组合。膜污染主要分为以下几类:

(1)短期污染,短时间内由于浓差极化、凝胶层的形成使膜通量急剧下降,其为可逆污染,通过反洗,可以迅速去除恢复。

(2)长期污染,废水中的微小颗粒与膜表面发生的长期作用而产生的膜污染现象,其为不可逆污染,可以通过化学药剂清洗方法恢复。

(3)不可逆膜污染,由于反应器的长期运行而产生的不能被去除的污染。

2.膜污染影响因素

(1)膜本身的性质

影响膜污染的因素主要包括膜材质、膜孔径、膜的亲水性、膜表面粗糙度、电荷性质和密度等。膜组件根据膜材料的不同主要分为无机膜和有机膜,其中应用于膜生物反应器中的膜主要是无机膜,较有机膜而言使用寿命较长,不易形成膜污染现象。膜的孔径大小及分布对膜污染也有一定的影响,溶液性质不同、颗粒大小分布不同,需采用不同孔径的膜材料。与较大孔径的膜相比,小孔径膜更容易截留溶液中的污染物,因此而产生沉积层,增加膜阻力,加重膜污染现象。膜材料的憎水性对膜污染也会产生影响。

(2)混合液性质

膜生物反应器中的膜污染主要来自混合液中的物质。研究表明悬浮固体浓度(MLSS)直接影响混合液粘度,粘度升高,过滤性能随之下降,若流速较小或曝气强度无法冲刷附着在膜表面的物质,则容易产生污染层。溶液中颗粒大小及分布对膜污染现象的产生也有较大的影响,一般颗粒粒径越小,则容易在表面沉积,形成的沉积层也越致密,膜污染越严重。除此之外,曝气量、机械搅拌速度及膜表面错流速度都会影响膜污染程度。

(3)操作条件

操作条件会直接或间接影响膜污染。研究表明适当增加污泥龄可以减少微生物产物和胞外聚合物的生成,从而减缓膜污染现象。但是,过长的污泥龄又会增加污泥浓度,导致更严重的膜污染。因此,实际城市污水应用中一般设置SRT为5-20天。

3.膜污染的防治



目前,国内外膜污染的防治主要集中在以下几个方面:



(1)改变混合液特性,在混合液过滤前向其中加入适当的药剂或载体(如PAL、填料),以改变料液或溶质的性质,从而减轻膜污染负荷。

(2)膜表面改性。膜表面的改性主要倾向于以下几个方面:新型无机膜的开发;提高膜的亲水性以改善膜的抗污染性能;制造有机-无机混合膜,使之兼有无机膜与有机膜的长处。

(3)优化运行条件及反应器结构。选择合适的操作压力、膜通量、曝气强度、HRT、SRT、抽吸时间及停抽时间,确定最优参数值;维持良好的生物条件,防止污泥膨胀和EPS的生成;间歇运行,停运期间进行空曝,并进行周期性反洗。

(4)膜清洗。为了恢复膜运行通量,必须对膜进行清洗,清洗方法包括物理清洗、化学清洗、超声波清洗以及电清洗等。

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