膜生物反應(yīng)器工藝組成

【資料簡介】

在污水處理，水資源再利用領(lǐng)域，MBR又稱膜生物反應(yīng)器(Membrane Bio-Reactor)，是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。采用的膜結(jié)構(gòu)型主要為平板膜和中空纖維膜，按膜孔徑可劃分為超濾技術(shù)。

工藝組成:

膜--生物反應(yīng)器主要由膜分離組件及生物反應(yīng)器兩部分組成。通常提到的膜--生物反應(yīng)器實際上是三類反應(yīng)器的總稱：

① 曝氣膜--生物反應(yīng)器(Aeration Membrane Bioreactor, AMBR) ;

② 萃取膜--生物反應(yīng)器(ExtractiveMembrane Bioreactor, EMBR);

③ 固液分離型膜--生物反應(yīng)器(Solid/Liquid SeparationMembrane Bioreactor, SLSMBR, 簡稱 MBR)。

曝氣膜

曝氣膜--生物反應(yīng)器(AMBR)最早見于Cote.P 等1988年報道，采用透氣性致密膜(如硅橡膠膜)或微孔膜(如疏水性聚合膜)，以板式或中空纖維式組件，在保持氣體分壓低于泡點( Bubble Point)情況下，可實現(xiàn)向生物反應(yīng)器的無泡曝氣。該工藝的特點是提高了接觸時間和傳氧效率，有利于曝氣工藝的控制，不受傳統(tǒng)曝氣中氣泡大小和停留時間的因素的影響。

萃取膜

萃取膜--生物反應(yīng)器，又稱為EMBR(Extractive Membrane Bioreactor)。因為高酸堿度或?qū)ι镉卸疚镔|(zhì)的存在，某些工業(yè)廢水不宜采用與微生物直接接觸的方法處理;當廢水中含揮發(fā)性有毒物質(zhì)時，若采用傳統(tǒng)的好氧生物處理過程，污染物容易隨曝氣氣流揮發(fā)，發(fā)生氣ti現(xiàn)象，不僅處理效果很不穩(wěn)定，還會造成大氣污染。

為了解決這些技術(shù)難題，英國學(xué)者Livingston研究開發(fā)了EMB。廢水與活性污泥被膜隔開來，廢水在膜內(nèi)流動，而含某種專性細菌的活性污泥在膜外流動，廢水與微生物不直接接觸，有機污染物可以通過選擇性透過膜被另一側(cè)的微生物降解。由于萃取膜兩側(cè)的生物反應(yīng)器單元和廢水循環(huán)單元是各自獨立，各單元水流相互影響不大，生物反應(yīng)器中營養(yǎng)物質(zhì)和微生物生存條件不受廢水水質(zhì)的影響，使水處理效果穩(wěn)定。系統(tǒng)的運行條件如HRT和SRT可分別控制在*的范圍，維持最大的污染物降解速率。

固液分離型膜

固液分離型膜--生物反應(yīng)器是在水處理領(lǐng)域中研究得最為廣泛深入的一類膜--生物反應(yīng)器，是一種用膜分離過程取代傳統(tǒng)活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術(shù)。

在傳統(tǒng)的廢水生物處理技術(shù)中，泥水分離是在二沉池中靠重力作用完成的，其分離效率依賴于活性污泥的沉降性能，沉降性越好，泥水分離效率越高。而污泥的沉降性取決于曝氣池的運行狀況，改善污泥沉降性必須嚴格控制曝氣池的操作條件，這限制了該方法的適用范圍。由于二沉池固液分離的要求，曝氣池的污泥不能維持較高濃度，一般在 1.5~3.5g/L左右，從而限制了生化反應(yīng)速率。水力停留時間(HRT)與污泥齡(SRT)相互依賴，提高容積負荷與降低污泥負荷往往形成矛盾。系統(tǒng)在運行過程中還產(chǎn)生了大量的剩余污泥，其處置費用占污水處理廠運行費用的25% ～40% 。傳統(tǒng)活性污泥處理系統(tǒng)還容易出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，出水中含有懸浮固體，出水水質(zhì)惡化。

針對上述問題，MBR將分離工程中的膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)有機結(jié)合，大大提高了固液分離效率;并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中te效菌(特別是優(yōu)勢菌群)的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率;同時，通過降低F/M比減少剩余污泥產(chǎn)生量(甚至為0)，從而基本解決了傳統(tǒng)活性污泥法存在的許多突出問題。

工藝類型:

根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合方式，可將膜--生物反應(yīng)器分為分置式、一體式以及復(fù)合式三種基本類型。(以下討論的均為固液分離型膜--生物反應(yīng)器)

分置式

把膜組件和生物反應(yīng)器分開設(shè)置。生物反應(yīng)器中的混合液經(jīng)循環(huán)泵增壓后打至膜組件的過濾端，在壓力作用下混合液中的液體透過膜，成為系統(tǒng)處理水;固形物、大分子物質(zhì)等則被膜截留，隨濃縮液回流到生物反應(yīng)器內(nèi)。

分置式膜--生物反應(yīng)器的特點是運行穩(wěn)定可靠，易于膜的清洗、更換及增設(shè);而且膜通量普遍較大。但一般條件下為減少污染物在膜表面的沉積，延長膜的清洗周期，需要用循環(huán)泵提供較高的膜面錯流流速，水流循環(huán)量大、動力費用高(Yamamoto,1989)，并且泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力會使某些微生物菌體產(chǎn)生失活現(xiàn)象(Brockmann and Seyfried,1997)。

一體式

把膜組件置于生物反應(yīng)器內(nèi)部。進水進入膜--生物反應(yīng)器，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，再在外壓作用下由膜過濾出水。

這種形式的膜--生物反應(yīng)器由于省去了混合液循環(huán)系統(tǒng)，并且靠抽吸出水，能耗相對較低;占地較分置式更為緊湊，在水處理領(lǐng)域受到了特別關(guān)注。但是一般膜通量相對較低，容易發(fā)生膜污染，膜污染后不容易清洗和更換。

復(fù)合式

形式上也屬于一體式膜--生物反應(yīng)器，所不同的是在生物反應(yīng)器內(nèi)加裝填料，從而形成復(fù)合式膜--生物反應(yīng)器，改變了反應(yīng)器的某些性狀。

工藝特點:

與許多傳統(tǒng)的生物水處理工藝相比，MBR 具有以下主要優(yōu)點：

出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定

由于膜的高效分離作用，分離效果遠好于傳統(tǒng)沉淀池，處理出水極其清澈，懸浮物和濁度接近于零，細菌和病毒被大幅去除，出水水質(zhì)優(yōu)于建設(shè)部頒發(fā)的生活雜用水水質(zhì)標準(CJ25.1-89)，可以直接作為非飲用市政雜用水進行回用。

同時，膜分離也使微生物被*被截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，使得系統(tǒng)內(nèi)能夠維持較高的微生物濃度，不但提高了反應(yīng)裝置對污染物的整體去除效率，保證了良好的出水水質(zhì)，同時反應(yīng)器對進水負荷(水質(zhì)及水量)的各種變化具有很好的適應(yīng)性，耐沖擊負荷，能夠穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)。

剩余污泥產(chǎn)量少

該工藝可以在高容積負荷、低污泥負荷下運行，剩余污泥產(chǎn)量低(理論上可以實現(xiàn)零污泥排放)，降低了污泥處理費用。

占地面積小，不受設(shè)置場合限制

生物反應(yīng)器內(nèi)能維持高濃度的微生物量，處理裝置容積負荷高，占地面積大大節(jié)省;該工藝流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積省，不受設(shè)置場所限制，適合于任何場合，可做成地面式、半地下式和地下式。

可去除氨氮及難降解有機物

由于微生物被*截流在生物反應(yīng)器內(nèi)，從而有利于增殖緩慢的微生物如硝化細菌的截留生長，系統(tǒng)硝化效率得以提高。同時，可增長一些難降解的有機物在系統(tǒng)中的水力停留時間，有利于難降解有機物降解效率的提高。

操作管理方便，易于實現(xiàn)自動控制

該工藝實現(xiàn)了水力停留時間(HRT)與污泥停留時間(SRT)的*分離，運行控制更加靈活穩(wěn)定，是污水處理中容易實現(xiàn)裝備化的新技術(shù)，可實現(xiàn)微機自動控制，從而使操作管理更為方便。

易于從傳統(tǒng)工藝進行改造

該工藝可以作為傳統(tǒng)污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級污水處理廠出水深度處理(從而實現(xiàn)城市污水的大量回用)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

膜--生物反應(yīng)器也存在一些不足。主要表現(xiàn)以下幾個方面：

(1)膜造價高，使膜--生物反應(yīng)器的基建投資高于傳統(tǒng)污水處理工藝;

(2)膜污染容易出現(xiàn)，給操作管理帶來不便;

(3)能耗高：首先MBR泥水分離過程必須保持一定的膜驅(qū)動壓力;其次是MBR池中MLSS濃度非常高，要保持足夠的傳氧速率，必須加大曝氣強度;還有為了加大膜通量、減輕膜污染，必須增大流速，沖刷膜表面，造成MBR的能耗要比傳統(tǒng)的生物處理工藝高。

工藝用膜

膜可以由很多種材料制備，可以是液相、固相甚至是氣相的。使用的分離膜絕大多數(shù)是固相膜。根據(jù)孔徑不同可分為：微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜;根據(jù)材料不同，可分為無機膜和有機膜，無機膜主要是微濾級別膜。膜可以是均質(zhì)或非均質(zhì)的，可以是荷電的或電中性的。廣泛用于廢水處理的膜主要是由有機高分子材料制備的固相非對稱膜。

膜的分類依據(jù)及分類：

膜材質(zhì)

1、高分子有機膜材料：聚烯烴類、聚乙烯類、聚丙烯腈、聚砜類、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。

有機膜成本相對較低，造價便宜，膜的制造工藝較為成熟，膜孔徑和形式也較為多樣，應(yīng)用廣泛，但運行過程易污染、強度低、使用壽命短。

2、無機膜：是固態(tài)膜的一種，是由無機材料，如金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無機高分子材料等制成的半透膜。

在MBR中使用的無機膜多為陶瓷膜。優(yōu)點是：它可以在pH=0~14、壓力P<10MPa、溫度<350 ℃的環(huán)境中使用，其通量高、能耗相對較低，在高濃度工業(yè)廢水處理中具有很大競爭力;缺點是：造價昂貴、不耐堿、彈性小、膜的加工制備有一定困難。

膜孔徑

MBR 工藝中用膜一般為微濾膜(MF)和超濾膜(UF)，大都采用0.1～0.4μm膜孔徑，這對于固液分離型的膜反應(yīng)器來說已經(jīng)足夠。

微濾膜常用的聚合物材料有：聚碳酸酯、纖維素酯、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亞胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚酰胺等。

超濾常用聚合物材料有：聚砜、聚醚砜(PES)、聚酰胺、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯、纖維素酯、聚醚醚酮、聚亞酰胺、聚醚酰胺等。

膜組件

為了便于工業(yè)化生產(chǎn)和安裝，提高膜的工作效率，在單位體積內(nèi)實現(xiàn)最大的膜面積，通常將膜以某種形式組裝在一個基本單元設(shè)備內(nèi)，在一定的驅(qū)動力下，完成混合液中各組分的分離，這類裝置稱為膜組件(Module)。

工業(yè)上常用的膜組件形式有五種：

板框式(Plate and Frame Module)、螺旋卷式(Spiral Wound Module)、圓管式(Tubular Module)、中空纖維式(Hollow Fiber Module)和毛細管式(Capillary Module)。前兩種使用平板膜，后三者使用管式膜。圓管式膜直徑>10mm;毛細管式0.5~10.0mm;中空纖維式<0.5mm。

MBR 工藝中常用的膜組件形式有：板框式、圓管式、中空纖維式。

(1)板框式

MBR工藝最早應(yīng)用的一種膜組件形式，外形類似于普通的板框式壓濾機。

優(yōu)點：制造組裝簡單，操作方便，易于維護、清洗、更換。

缺點：密封較復(fù)雜，壓力損失大，裝填密度小。

(2)圓管式

由膜和膜的支撐體構(gòu)成，有內(nèi)壓型和外壓型兩種運行方式。實際中多采用內(nèi)壓型，即進水從管內(nèi)流入，滲透液從管外流出。膜直徑在 6~24mm 之間。

優(yōu)點：料液可以控制湍流流動，不易堵塞，易清洗，壓力損失小。

缺點：裝填密度小。

(3)中空纖維式

組裝形式如下圖所示：外徑一般為40～250μm，內(nèi)徑為25～42μm。在MBR中，常把組件直接放入反應(yīng)器中，不需耐壓容器，構(gòu)成浸沒式膜--生物反應(yīng)器。一般為外壓式膜組件。

優(yōu)點：耐壓強度高，不易變形，不需支撐材料;裝填密度高;造價相對較低;壽命較長，可以采用物化性能穩(wěn)定，透水率低的尼龍中空纖維膜。

缺點：對堵塞敏感，污染和濃差極化對膜的分離性能有很大影響。

MBR膜組件設(shè)計的一般要求：

(1)對膜提供足夠的機械支撐，流道通暢，沒有流動死角和靜水區(qū);

(2)能耗較低，盡量減少濃差極化，提高分離效率，減輕膜污染;

(3)盡可能高的裝填密度，安裝，清洗、更換方便;

(4)具有足夠的機械強度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性。

膜組件的選用要綜合考慮其成本，裝填密度、應(yīng)用場合、系統(tǒng)流程、膜污染及清洗、使用壽命等。