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MBR膜生物反應器在我國的研究及應用
表1    我國MBR研究狀況  科研單位  篇數(%)  反應器  廢水  

清華大淡  35(33.6%)  分離式(無機膜)

抽吸淹沒式  生活污水  

同濟大學  19(18.3)  分離式  高濃度有機廢水  

生態環境研究中心  10(9.6)  分離式  印染,石化廢水  

哈爾濱建筑大學  8(7.7)  重力淹沒式  生活污水  

天津大學  9(8.7)  重力淹沒式  生活污水  

其它高校及科研  23(22.1)  分離式  生活污水、啤酒廢  

單位       抽吸淹沒式  水、港口污水等  


   膜生物反應器(MBR)是一種由膜分離單元與生物處理單元相結臺的新型水處理技術,以膜組件取代二沉池在生物反應器中保持高活性污泥濃度減少污水處理設施占地,并通過保持低污泥負荷減少污泥量。與傳統的生化水處理技術相比,MBR具有以下主要特點:處理效率高、出水水質好;設備緊湊、占地面積;易實現自動控制、運行管理簡單。80年代以來,該技術愈來愈受到重視,成為研究的熱點之一。目前膜生物反應器己應用于美國、德國、法國和埃及等十多個國家,規模從6m3/d至  13000m3/d不等。

  我國對MBR的研究還不到十年,但進展十分迅速。1991年10月,岑運華介紹了MBR在日本的研究狀況,1993年前后,許多高校與研究所加入了MBR的開發研究工作,詳情見表1。為了全面了解膜生物反應器在我國的研究狀況,本文作者對國內科研人員1991—2000有關MBR發文情況作了統計(發文只統計綜述與實驗類文章),十年共發表論文104篇,并有10位博士與10多位碩上以MBR作為研究課題獲得學位。從圖1可以看出:最近四年有關MBR的論文數呈持續上升的態勢。

  國內對MBR的研究大致可分為幾個方面:(1)探索不同生物處理工藝與膜分離單元的組合形式,生物反應處理工藝從活性污泥法擴展到接觸氧化法、生物膜法、活性污泥與生物膜相結合的復臺式工藝、兩相厭氧工藝;(2)影響處理效果與膜污染的因素、機理及數學模型的研究,探求合適的操作條件與工藝參數,盡可能減輕膜污染,提高膜組件的處理能力和運行穩定性;(3)擴大MBR的應用范圍,MBR的研究對象從生活污水擴展到高濃度有機廢水(食品廢水、啤酒廢水)與難降解工業廢水(石化污水、印染廢水等),但以生活污水的處理為主。據此,本文的目的在于對我國膜生物反應器在廢水處理中的發展情況進行回顧、分析與討論。 

        1  MBR的憂點

  在MBR的特點中,良好的出水水質與較低的污泥產率最受關注。

        1.1  良好的污染物去除效果

  MBR在我國的研究始于1993年,研究者對分離式MBR、抽吸淹沒式MBR、重力淹沒式MBR與傳統生物處理工藝在城市污水處理方面進行的比較研究表明:各種MBR的出水水質均優于傳統生物處理工藝表2和表3分別為MBR處理生活污水的實驗參數與處理效果,經MBR處理后的生活污水,COD、BOD5、濁度都很低,大部分細菌、病毒被截留,出水水質已達到或優于建設部生活雜用水水質標準(CJ25.1-89),可直接作為樓房中水回用、城市園林綠化、掃除、消防等用水。并且膜的截留作用防止了硝化細菌的流失,給生物反應器內的高濃度硝化細菌的保持創造了有利的條件,從而大大提高了硝化效率。汪誠文、張軍對一體式MBR硝化特性的研究表明:MBR對氮的去除效果高達97%。但研究也表明:MBR  對氮的去除效果易受溫度、沖擊負荷、HRT等因素的影響。

  在我國,MBR同時應用于生活污水與工業廢水處理的研究。表4和表5分別為MBR處理各種工業廢水的實驗參數與處理效果。這些研究結果都表明:MBR對各種高濃度有機廢水與難降解廢水的COD,NH3-N.SS,濁度等都達到良好的去除效果。1993年華東理工大學環境工程研究所進行了分離式陶瓷膜MBR處理人工合成污水和制藥廢水的可行性研究;1995年,樊耀波將MBR用于石油化工污水凈化的研究;王連軍用無機膜一生物反應器(IMBR)處理啤酒廢水;何義亮采用膜一厭氧生物反應器處理高濃度食品廢水:當COD負荷低于2kg/(m3.d)時,膜出水COD去除率在90%以上;營運濤用兩相厭氧MBR處理人工配制淀粉廢水:COD負荷在4-24kg/(m3.d)時,COD去除率可達95%以上;桂萍用MBR處理喹啉、EDTA、聚乙二醇三種難降解有機物,發現MBR對COD去除率、難降解有機物去除率、抗沖擊負荷能力都高于活性污泥法;吳志超采用MBR與常規生物工藝處理巴西基酸生產廢水的對比研究也表明:MBR產泥量少,污泥活性高,能提高大分子難降解有機物的去除率;樊耀波、鄭祥用MBR處理毛紡印染廢水的小試、中試研究表明:經MBR處理后的廢水能達到中水回用標準。

        1.2  污泥產率低

  活性污泥法是城市污水和工業廢水處理應用最廣泛的生物處理方法,它把廢水中的有機污染物轉化為生物體、CO2和H2O的同時,產生大量的剩余污泥。目前剩余污泥的處理與處置己成為污水處理廠能否正常運行的制約因素之一,它的費用占到污水處理廠總運行費用的25%-40%,甚至高達60%。因此,從源頭減少污泥的產生量就顯得非常必要和關鍵,這些因素推動和促進了具有剩余污泥少特點的MBR技術的開發及研究。

  理論上講,膜生物反應器能將污泥完全截留在生物反應器內,實現不排泥操作——污泥零排放。1991年,在MBR處理生活污水的小試中,Chaize和Huyard首次研究了MBR對污泥產率的影響,在SRT為50d和100d時,污泥產量大大減少,他們認為這是低F/M比例和較長污泥齡的結果。Muller在處理生活污水的中試研究發現:當污泥濃度(MLSS)高達4060gL-1和污泥完全截留SRT=(∞)時,幾乎不產生污泥。桂萍在不同SRT(5—80d)條件下,用一體式MBR處理生活污水發現:理論產率系數YG與衰減系數b值隨SRT的延長而下降。劉銳用一體式MBR處理生活污水,在280天的未排泥的條件下運行,發現表觀產率系數Yb隨運行時間的延長呈明顯的降低趨勢,Yb從運行初期的0.248kgVSS/KgCOD下降為0.038kgVSS/KgCOD。張紹園應用食物鏈中能量遞減的原理,在兩段式MBR中引入后生動物一蠕蟲(worm),發現有蠕蟲存在時,其污泥產率低于常規活性污泥法污水處理系統;當蠕蟲濃度保持100個/ml以上時,污泥產率為0.1kgSS/(kg去除COD),污泥產率為0.1kgSS/(kg去除COD),約為常規活性污泥法的1/4。但該方法還有待進一步的研究,如維持蠕蟲在系統內最佳數量,使污泥產率趨向于零,達到不排放污泥的目的。



        2  膜生物反應器運行的影響因素

  膜生物反應器由膜分離單元與生物處理單元組成,因此影響MBR穩定運行的因素不僅包括常規生物動力學參數:容積負荷、污泥濃度、污泥負荷等,還包括膜分離的參數:膜的固有性質(膜材料、膜孔徑、荷電性等)、濾液的性質、操作方式、反應器的水力學條件等。其中生物動力學參數主要影響MBR的處理效果,膜分離參數主要影響MBR的處理能力。

        2.1  影響MBR穩定運行的生物動力學參數

        2.1.1  有機負荷

  研究表明:好氧MBR出水受容積負荷與水力停留時間(HRT)的影響較小,而厭氧MBR出水受沖擊負荷與HRT的影響較大。李紅兵用MBR處理生活污水,在水力停留時間為1.5、5.8h,COD或負荷在高負荷(5.76Kg/(m3.d)與穩態運行新下0.8-1  kg/(m3.d)處理效果基本相同,系統對COD去除率都達到90%以上。吳志超采用好氧MBR處理巴西基酸生產廢水發現:容積負荷分別為1.2、2.4、3.6、4.8kg/m3.d),出水COD濃度變化不大;且HRT對出水水質無明顯的影響。而何義亮用厭氧MBR處理高濃度食品廢水卻發現:當容積負荷從2kg/(m3.d)升高到4.5kg/(m3.d),COD去除率從90%下降至70%;且HRT對處理效果有重要影響。對這些研究的比較發現:在好氧MBR中,污泥濃度隨容積負荷的增加迅速升高,有機物去除速率加快,污泥負荷基本保持不變,從而抑制出水水質的惡化;而在厭氧MBR中,污泥濃度升高緩慢,污泥負荷與容積負荷幾乎呈正相關關系,因此厭氧MBR出水水質易受容積負荷的影響。

        李紅兵、顧平對MBR處理生活污水的研究表明:沖擊負荷對有機物的去除沒有顯著的影響,但NH3-N受沖擊負荷影響明顯,出水NH3-N的惡化程度與沖擊負荷的大小成正比。這一現象可能是由于膜的攔截作用對NH3-N的去除并無貢獻,因此MBR對氮的去除效果易受生物反應器處理效果影響。顧平的研究還發現:在沖擊負荷條件下,膜通量衰減幅度是正常COD負荷的數十倍。通過分析沖擊負荷期間進水COD和MLSS間的關系,發現反應器內MLSS的變化規律與膜通量的降低有類似之處,COD沖擊負荷使反應器內活性污泥濃度迅速增加,混合液的粘度增加,從而使液-固分離困難;同時處于對數增長期的污泥活性高、有大量細胞外聚合物存在,增加了膜過濾阻力,導致膜出水量降低。

        2.1.2  污泥濃度

  污泥濃度是MBR系統的重要參數,不僅影響有機物的去除能力,還對膜通量產生影響。許多研究都表明污泥濃度與溶解性微生物產物是影響膜通量的重要參數。表7為MLSS對膜通量、過濾阻力的影響,這些研究成果表明:一定條件下污泥濃度越高,膜通量愈低。顧平在一體式MBR處理生活污水的研究卻發現:當曝氣強度足夠大時(氣水比近似100:1),MLSS由10g/L變化到35g/L時,MLSS與膜通量沒有明顯的相夫性;但如果降低暖氣強度,MLSS對膜通量可能產生一定的影響。

  污泥濃度對膜通量的影響程度與曝氣強度,膜面循環流速,水力學條件等密切相關。桂萍應用正交試驗的方法對一體式MBR中膜污染速度與污泥濃度、曝氣量和膜通量的關系進行考察,研究結果表明:不同污泥濃度均存在一個污泥在膜表面大量沉積的臨界膜通量,當膜通量小于臨界膜通量,膜污染主要由溶解性有機物在膜面的沉積引起;當膜通量大于臨界膜通量,膜污染主要由懸浮污泥在膜面的沉積引起;在污泥濃度較低時,曝氣強度對膜的污染影響不大,在中、高污泥濃度條件下,增加曝氣強度有利于減緩膜污染;臨界膜通量J與污泥濃度MLSS、曝氣強度QA有以下關系:QA/J=8.34e0.07MLSS.但該試驗中各變量的取值范圍較窄。劉銳在桂萍試驗的基礎上,采用均勻設計法,擴大各變量的取值范圍,以膜過濾阻力上升速率K作為膜污染發展速度的表征指數,建立了膜污染發展速度模型:K=8.933*107.△P.MLSS0.532.J0.376ULr-3.047,膜過濾阻力上升速率K隨膜通量J與污泥濃度MLSS的增加而增加,隨膜間液體上升流速ULr的增加而減小。

        2.2  膜分離的參數  

  在保證出水水質的前提下,膜通量應盡可能大,這樣可減少膜的使用面積,降低基建費用與運行費用,因此控制膜污染,保持較高的膜通量,是MBR的研究的重要內容。

        2.2.1  膜的選擇

  現有膜材料可分為有機膜和無機膜兩種。由于較高的投資成本限制了無機膜在我國的廣泛應用,國內MBR曾遍采用有機膜,常用的膜材料為聚乙烯、聚丙烯等。分離式MBR通常采用超濾膜組件,截留分子量一般在2—30萬。截留分子量越大,初始膜通量越大,但長期運行膜通量未必越大。張洪宇進行無機膜的通量衰減實驗表明:0.2μm的膜比0.8μm的膜更適合于MBR。何義亮用PES平板膜組件進行膜通量衰減規律研究發現:在該實驗條件下,膜初始通量衰減主要是由于濃差極化引起,膜截留分子量愈小,通量衰減率愈大;膜長期運行的通量衰減主要是由于膜污染引起,膜截留分子量愈大,通量衰減幅度愈大,化學清洗恢復率愈低。

  對于淹沒式MBR,既可用超濾膜,也可使用微濾膜。由于膜表面的凝膠層也起到了過濾作用,在處理生活污水時,微濾膜與超濾膜的出水水質沒有明顯差別,因此淹沒式MBR多采用0.1—0.4μm微濾膜。

        2.2.2  操作方式的優化

  當膜選定后,真物化性質也就確定了,因此,操作方式就成為影響膜污染的主要因素。為了減緩膜污染,反沖洗是維持分離式MBR穩定運行的重要操作,樊耀波通過數學推導,得出膜的最佳反沖洗周期測定公式  f(t)=(Qf—Qb)/(tb+tf),該方法避免通過試探性實驗確定反沖洗周期的作法,為MBR系統自動化控制的實現提供了一個重要途徑。針對抽吸淹沒式MBR,Ymamoto提出間歇式抽吸方式可有效減緩膜污染。桂萍通過研究進一步指出:縮短抽吸時間或延長停吸時間和增加曝氣量均有利于減緩膜污染,抽吸時間對膜阻力的上升影響,曝氣量其次。

  不僅污泥濃度、混合液粘度等影響膜通量,混合液本身的過濾性能,如活性污泥性狀、生物相也影響膜通量的衰減。有研究表明:粉末活性炭(PAC)與絮凝劑的加入有助于改善泥水分離性能,形成體積更大、粘性更小的污泥絮體,減少了膜堵塞的機會。但絮凝劑的過量加人會造成污泥活性受到限制,影響反應器的處理能力和處理效果。

        2.2.3  水力學特性的改善

  改善膜面附近料液的流體力學條件,如提高流體的進水流速,減少濃差極化,使被截留的溶質及時被帶走。黃霞、何義亮分別采用PAN平板式超濾膜、PAN/PS管式膜組件考察不同膜面循環流速下污泥濃度對膜通量的影響,發現MLSS對膜通量的影響程度與膜面循環流速有夫。大量試驗表明:污泥過膜流態為層流遠比紊流的易于堵塞,因此從理論上確定不同污泥濃度下紊流發生的最小膜面流速(Vmin)有重要意義。邢傳宏、彭躍蓮研究均發現:最小膜面流速與污泥濃度之間呈良好的線性夫系。但他們對臨界膜面流速的計算值可能偏高,因為污泥沿流道流動的過程中,水同時透過膜流出,增加了流體在垂直方向的紊動,從而在一定程度上降低了下臨界雷諾數(Rek)。何義亮的發現證實了這一推論:平板膜組件由紊流到層流的Rek為1083,外壓管式膜組件的Rek為966,均小于一般牛頓流體的下臨界雷諾數2000。

  分離式MBR中,一般均采用錯流過濾的方式;而一體式MBR實質上是一種死端過濾方式。與死端過濾相比,錯流過濾更有助于防止膜面沉積污染。因此設計合理的流道結構,提高膜間液體上升流速,使較大的暖氣量起到了沖刷膜表面的錯流過濾效果對于淹沒式MBR顯得尤為重要,劉銳通過均勻設計試驗,得到適合活性污泥流體的膜間液體上升模型,提出反應器結構對液體上升流速的影響:在同樣的暖氣強度下,反應器越高,上升流通道越窄,下降流通道與底部通道越寬,則越能獲得較大的膜間錯流流速。該模型為一體式MBR反應器結構的設計提供了理論依據,但有待實踐的驗證。

        2.3  能耗

  能耗是污水處理工藝的一個重要的評價指標,直接夫系到處理方法的可行性。目前,常規分離式MBR運行能耗為3—4kw·h/m3,淹沒式MBR運行能耗為2kw·h/m3,遠高于活性污泥法0.3-0.4kwh/m3,較高的運行費用是MBR推廣應用中遇到主要問題。許多研究結果表明:能耗是造成MBR運行費用高的主要原因。張紹園分析了分離式MBR的能耗組成:泵的熱能損失、曝氣能耗、管道阻力能耗、膜組件能耗和回流污泥水頭損失能耗,其耗能大小依次為:膜組件>泵>曝氣>管道>回流污泥,膜組件能耗占總能耗的40—50%,真中80%用于膜過濾的能量以熱能的方式散發。顧平對抽吸淹沒式MBR的能耗分析表明:曝氣的能耗占總能耗96%以上。通常研究者都認為能耗的降低與膜污染的控制是MBR研究領域兩個獨立的課題,而張紹國、鄭祥采用穿流式、錯流式膜組件進行分離式MBR研究發現:能耗隨運行時間的延長、膜污染的增加呈上升趨勢,從運行初期的不足0.5kWh/m3增加到3kwh/m3。這說明:分離式膜生物反應器的能耗問題實質是膜污染問題。

  為了進一步降低能耗,顧平應用位差驅動出水和低水頭間斷工作的重力淹沒式MBR,較好克服了膜的污染與阻塞,使膜長時間保持較大的膜通量,并且省去復雜的氣水反沖洗設備、降低曝氣量,使  MBR處理生活污水的能耗可下降到1.0kw·h/m3。 

        3  膜生物反應器在污水處理中的應用

        3.1  MBR在中水回用中的經濟分析

  應用于中水回用系統的MBR工藝(規模為25-100m3/d)的一次性投資為3500-4000元/m3,膜組件的費用占25%左右,以十年計的設備折舊成本(上建與設備材料費用,不含膜組件)為0.68-0.83元/m3,膜的更換費用(以兩年計)為1.0元/m3,運行費為0.3-0.5元/m3,其總運行費為2.0-2.3元/m3由于膜價格還有相當大的降價空間,據有關專家估算,在未來的3—5年內,膜價格有望降為目前的25—50%,那將大大降低MBR的一次性投資與膜的更換費用。隨著膜價格的降低與使用壽命的延長,新型高效低能耗MBR的開發,MBR的運行總費用有望降低到1.5元/m3。

  以膜生物反應器工藝的處理費用為例得出中水的產出效益:中水回用相當于節約等量新鮮水而創造的直接經濟效益。以北京市2000年居民為供水價1.8元/m3計,而賓館、洗車、洗浴等行業供水價為3.0—5.0元/m3,高于一般城市居民的自來水用水價格,而膜生物反應器總運行成本為2.3元/m3,單純從經濟利益上考慮目前對某些行業來說也是經濟的。在現有自來水價偏低的情況下,自來水供水費及排污費仍有增加的趨勢,因此可以預見,膜生物反應器作為污水回用技術將會愈來愈具有經濟、技術上的競爭優勢。

        3.2  MBR的應用實例及前景

  近一兩年,膜生物反應器在國內已進入了實際應用階段。1998年,大連大器公司設計的200m3/d的中水回用裝置就己在大連投入運行;天津德人公司首先開發了重力淹沒式MBR,該技術在2000年己應用于天津普辰大廈的中水回用系統,處理規模為25m3/d,該裝置占地僅2.8m2,處理成本為1.05元/m3;上海荏原公司研究開發的PW系統己成功地應用于數十個行業的高濃度有機廢水處理,規模從5m3/d至700m3/d不等;杭州華濾、哈爾濱鷺濱等公司在MBR開發應用方面都具有一定的競爭力。表8列舉了一些MBR在我國的應用實例及處理效果。在南方地區,MBR目前主要應用于高濃度有機廢水處理;而在天津、大連嚴重缺水的北方地區,MBR主要做為中水回用技術。 

        4  結論

  我國人均水資源擁有量僅為2250m3/人.年,不足世界平均水平的1/4。在我國600多個城市中,有300余座城市缺水,真中嚴重缺水城市有100余個,年缺水量近60億m3,每年因缺水造成經濟損失約2000億元人民幣。華北地區人均水資源占有量只有250—480m3/人.年,低于全國人均水平的1/5,這一地區的所有城市幾乎都面臨缺水問題。因此污水回用是緩解華北平原水危機的重要措施之一。膜生物反應器技術以其優質的出水水質被認為是具有較好經濟、社會和環境效益的節水技術而倍受關注。盡管還存在較高的運行費用問題,但隨著膜制造技術的進步,膜質量的提高和膜制造成本的降低,MBR的投資也會隨之降低。如聚乙烯中空纖維膜,新型陶瓷膜的開發等已使其成本比以往有很大降低。另一方面,各種新型膜生物反應器的開發也使真運行費用大大降低,如在低壓下運行的重力淹沒式MBR、厭氧MBR等與傳統的好氧加壓膜生物反應器相比,其運行費用大幅度下降。因此,從長遠的觀點來看,膜生物反應器在水處理中應用范圍必將越來越廣。在水環境標準日益嚴格的今天,MBR已顯示出其巨大的發展潛力,將是新世紀替代傳統廢水處理技術的有力競爭者。

  目前我國在膜一生物反應器污水處理方面的應用實例尚少,需結合中國的經濟發展水平和MBR工藝的特點,進一步加強研究以推動其工程化應用的進程,預計中水回用將是MBR在中國的推廣應用的主要方向。

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